Tụ điện là gì ? Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tụ điện

Tụ điện là gì ? Nguyên lý hoạt động ra sao ắt hẳn là câu hỏi của khá nhiều người khi thấy hầu hết các thiết bị điện trong gia đình đều có, nhưng vẫn chưa biết công dụng của nó ra sao. Hãy cùng Thế giới điện cơ tìm hiểu nhé.

1. Tụ điện là gì ?

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song được ngăn cách bởi lớp điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu. Tụ điện có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp. Chúng được sử dụng trong các mạch điện tử: mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động .vv…

• Ký hiệu: Tụ điện có ký hiệu là C viết tắt của Capacitior
• Đơn vị của tụ điện:  là Fara (F), Trong đó : 1 Fara: 1F = 10-6MicroFara = 10-9 Nano Fara = 10-12 Pico Fara
• Tụ điện là một linh kiện có 2 cực thụ động lưu trữ năng lượng điện. Hay tích tụ điện tích bởi 2 bề mặt dẫn điện trong một điện trường.
• 2 bề mặt dẫn điện của tụ điện được ngăn cách bởi điện môi (dielectric) không dẫn điện như: Giấy, giấy tẩm hoá chất, gốm, mica…
• Khi 2 bề mặt có sự chênh lệch về điện thế, nó cho phép dòng điện xoay chiều đi qua. Các bề mặt sẽ có điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.

Các ký hiệu của tụ điện

2. Cấu tạo của tụ điện

Cấu tạo của tụ điên bao gồm:

• Cấu tạo của tụ điện gồm ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng tấm kim loại. Hai bề mặt này được đặt song song với nhau và được ngăn cách bởi một lớp điện môi.
• Điện môi sử dụng cho tụ điện là các chất không dẫn điện gồm thủy tinh, giấy, giấy tẩm hoá chất, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí. Các điện môi này không dẫn điện nhằm tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện.

Tùy thuộc vào chất liệu cách điện ở giữa bản cực thì tụ điện có tên gọi tương ứng. Ví dụ như nếu như lớp cách điện là không khí ta có tụ không khí, là giấy ta có tụ giấy, còn là gốm ta có tụ gốm và nếu là lớp hóa chất thì cho ta tụ hóa.

Những loại tụ điện phổ biến:

• Tụ hóa: là tụ có phân cực (-), (+) và luôn có hình trụ. Trên thân tụ được thể hiện giá trị điện dung từ 0,47 µF đến 4700 µF
• Tụ giấy, tụ mica và tụ gốm: là tụ không phân cực và có hình dẹt, không phân biệt âm dương. Có trị số được ký hiệu trên thân bằng ba số, điện dung của tụ thường khá nhỏ, chỉ khoảng 0,47 µF
• Tụ xoay: là tụ có thể xoay để thay đổi giá trị điện dung, tụ này thường được lắp trong Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài.
• Tụ Lithium ion: có năng lượng cực cao dùng để tích điện 1 chiều

3. Nguyên lý hoạt động của tụ điện

• Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện như một ắc qui nhỏ dưới dạng năng lượng điện trường. Nó lưu trữ hiệu quả các electron và phóng ra các điện tích này để tạo ra dòng điện.  Nhưng điểm khác biệt lớn của tụ điện với ắc qui là tụ điện không có khả năng sinh ra các điện tích electron
• Nguyên lý nạp xả của tụ điện là tính chất đặc trưng và cũng là nguyên lý cơ bản trong hoạt động của tụ điện. Nhờ tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều.

Nếu điện áp của hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian mà ta cắm nạp hoặc xả tụ rất dễ gây ra hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt. Đây cũng là nguyên lý nạp xả của tụ điện khá phổ biến.

4. Công dụng của tụ điện

Từ phân loại và nguyên lý hoạt động của các loại tụ điện để được áp dụng vào từng công trình điện riêng, hay nói cách khác nó có nhiều công dung, nhưng có 4 công dụng chính đó là:

• Khả năng lưu trữ năng lượng điện, lưu trữ điện tích hiệu quả là tác dụng được biết đến nhiều nhất. Nó giống công dụng lưu trữ như ắc-qui. Tuy nhiên, ưu điểm lớn của tụ điện là lưu trữ mà không làm tiêu hao năng lượng điện.
• Công dụng tụ điện  tiếp theo là cho phép điện áp xoay chiều đi qua, giúp tụ điện có thể dẫn điện như một điện trở đa năng. Đặc biệt khi tần số điện xoay chiều (điện dung của tụ càng lớn) thì dung kháng càng nhỏ. Hỗ trợ đắc lực cho việc điện áp được lưu thông qua tụ điện.
• Với nguyên lý hoạt động của tụ điện là khả năng nạp xả thông minh, ngăn điện áp 1 chiều, cho phép điện áp xoay chiều lưu thông giúp truyền tí hiệu giữa các tầng khuyếch đại có chênh lệch điện thế.
• Công dụng nổi bật thứ 4 là tụ điện có vai trò lọc điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều bằng phẳng bằng cách loại bỏ pha âm.

5. Các kiểu mắc tụ điện

5.1. Mắc tụ điện nối tiếp

2 tụ mắc nối tiếp : C tđ = C1.C2 / ( C1 + C2 )

3 tụ mắc nối tiếp : 1 / C tđ = (1 / C1 ) + ( 1 / C2 ) + ( 1 / C3 )

Khi mắc nối tiếp thì điện áp chịu đựng của tụ tương đương bằng tổng điện áp của các tụ cộng lại: U tđ = U1 + U2 + U3

Lưu ý: mắc nối tiếp các tụ điện, nếu là các tụ hoá cần chú ý chiều của tụ điện, cực âm tụ trước phải nối với cực dương tụ như sơ đồ dưới:

5.2. Mắc tụ điện song song

Các tụ điện mắc song song thì có điện dung tương đương bằng tổng điện dung của các tụ cộng lại . C = C1 + C2 + C3

Lưu ý:

• Điện áp chịu đựng của tụ điện tương tương bằng điện áp của tụ có điện áp thấp nhất.
• Nếu là tụ hoá thì các tụ phải được đấu cùng chiều âm dương.

6. Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Tụ điện được ứng dụng nhiều trong các thiết bị điện tử, đây là một linh kiện không thể thiếu. Mỗi mạch điện tụ đều có một công dụng nhất định như truyền dẫn tín hiệu , lọc nhiễu, lọc điện nguồn, tạo dao động ..vv…

* Tụ điện trong mạch lọc nguồn.

Trong mạch lọc nguồn như hình trên , tụ điện hoá có tác dụng lọc cho điện áp một chiều sau khi đã chỉnh lưu được bằng phẳng để cung cấp cho tải tiêu thụ, ta thấy nếu không có tụ thì áp DC sau đi ốt là điên áp nhấp nhô, khi có tụ điện áp này được lọc tương đối phẳng, tụ điện càng lớn thì điện áp DC này càng phẳng.

 Tụ điện trong mạch dao động đa hài tạo xung vuông.

• Bạn có thể lắp mạch trên với các thông số đã cho trên sơ đồ.
• Hai đèn báo sáng sử dụng đèn Led dấu song song với cực CE của hai Transistor, chú ý đấu đúng chiều âm dương.

Những ứng dụng của tụ điện được áp dụng trong cuộc sống:

• Tụ điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật điện và điện tử.
• Ứng dụng trong hệ thống âm thanh xe hơi:  tụ điện lưu trữ năng lượng cho bộ khuyếch đại
• Tụ điện có thể để xây dựng các bộ nhớ kỹ thuật số động cho các máy tính nhị phân sử dụng các ống điện tử
• Tụ điện được sử dụng trong các chế tạo đặc biệt về vấn đề quân sự, ứng dụng của tụ điện dùng trong các máy phát điện, thí nghiệm vật lý, radar, vũ khí hạt nhân,…

Trong thực tế tụ điện được ứng dụng lớn nhất là việc áp dụng thành công nguồn cung cấp năng lượng, tích trữ năng lượng…. ngoài ra còn có nhiều tác dụng khác như xử lý tín hiệu, khởi động động cơ, mạch điều chỉnh,…Hiện nay, hầu hết tụ điện là một trang bị không thể thiếu trong các sản phẩm bếp từ, Nó là linh kiện quan trọng bậc nhất trong bo mạch của bếp từ.