Capacitor hay tụ điện là một linh kiện điện tử rất phổ biến trong các mạch lọc, mạch giao động hay mạch truyền dẫn tín hiệu xoay chiều. Chính vì vậy, việc tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và những ứng dụng thực tiễn của tụ điện là điều cần thiết để có kiến thức nhằm sử dụng thiết bị hiệu quả hơn. Hãy cùng Schneider Electric khám phá trong bài viết dưới đây!
Capacitor (tụ điện) là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng
Capacitor (tụ điện) là gì?
Khái niệm
Capacitor hay tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động, gồm hai bản cực đặt song song và ngăn cách nhau bởi lớp điện môi. Khi xảy ra sự chênh lệch điện thế tại hai điểm bề mặt thì các bản bề mặt sẽ xuất hiện điện tích có cùng điện lượng nhưng trái dấu nhau. Tụ điện có tính chất cách điện với dòng 1 chiều nhưng lại cho dòng điện xoay chiều đi qua theo nguyên lý phóng nạp. Capacitor thường được sử dụng trong các mạch điện tử như: mạch lọc nguồn – lọc nhiễu, mạch tạo dao động hay mạch truyền tín hiệu xoay chiều…
Xét về mặt lưu trữ năng lượng thì tụ điện có phần giống với ắc quy mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau. Ắc quy có 2 cực, bên trong ắc quy xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Trong khi đó, tụ điện đơn giản hơn vì không thể tạo ra electron mà chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có ưu điểm hơn ắc quy nhờ khả năng nạp và xả rất nhanh.
Đơn vị của tụ điện
Đơn vị điện dung của tụ điện là Farad, được ký hiệu là chữ F. Tuy nhiên, trong thực tế, giá trị của đơn vị F quá lớn so với các mạch điện thông thường, do đó người ta sẽ sử dụng các đơn vị điện dung khác như microfarad (μF), Nanofarad (nF) hay picofarad (pF).
Trong đó:
- 1 fara = 1.000.000 = 106 microfarad
- 1 fara = 1.000.000.000 = 109 nanofarad
- 1 fara = 1.000.000.000.000 = 1012 picofarad
Ngược lại:
- 1 microfarad = 1/1.000.000 fara
- 1 nanofarad = 1/1.000.000.000 fara
- 1 picofarad = 1/1.000.000.000.000 fara
Cấu tạo
Cấu tạo của tụ điện gồm ít nhất hai dây dẫn điện (thường ở dạng tấm kim loại như giấy bạc, màng mỏng,..). Hai bề mặt kim loại 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 có tính dẫn điện như thủy tinh, giấy, giấy tẩm hóa chất, mica, gốm, màng nhựa hoặc không khí. Vai trò của lớp điện môi là nhằm tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện.
Phân loại
Tùy theo lớp cách điện ở giữa hai bản cực mà có thể phân loại capacitor như sau:
Tụ điện phân cực (Tụ hóa)
Tụ điện phân cực là loại tụ điện có 2 đầu âm (-) và dương (+) khác biệt. Thông thường trên tụ phân cực nếu có kích thước lớn thì cực âm phân biệt bằng dấu (-) ở trên vạch màu sáng dọc theo của thân tụ. Các tụ có kích thước nhỏ thì sẽ đánh dấu (+) ở cực dương để giúp dễ phân biệt. Trị số của tụ điện phân cực nằm trong khoảng 0,47μF - 4.700μF
Tụ điện không phân cực
Tụ điện không phân cực là dạng tụ điện không cần xác định cực âm dương, bao gồm một số loại như tụ giấy, tụ gốm, tụ mica,... Các tụ có điện dung nhỏ hơn 1 μF thường được sử dụng trong các mạch điện có tần số cao hoặc dùng để mạch lọc nhiễu. Trong khi các tụ có dung lớn, từ một vài μF đến cỡ Fara được sử dụng trong các mạch điện dân dụng (tụ quạt, mô tơ, tụ lò vi sóng...) hay dàn tụ bù pha cho lưới điện.
Tụ điện có trị số biến đổi
Tụ điện có trị số biến đổi (còn gọi là tụ xoay) là dạng tụ điện có thể thay đổi giá trị điện dung. Loại này thường được sử dụng trong radio để thay đổi tần số khi ta cần dò đài.Siêu tụ điện
Siêu tụ điện là các tụ điện có mật độ năng lượng ở mức cực cao (supercapacitor) như tụ điện Li-ion (ký hiệu tụ là LIC), là tụ phân cực và dùng cho tích điện một chiều. Ngoài ra, siêu tụ điện cũng có khả năng phóng nạp nhanh và chứa nhiều năng lượng, phù hợp để lắp đặt cho bộ hãm phanh (thắng), cung cấp năng lượng cho ô tô điện, tàu điện, tàu hoả nhanh,...
Công dụng mỗi loại tụ điện capacitor
Có nhiều loại tụ điện capacitor khác nhau và sẽ tùy thuộc vào loại tụ điện mà có công dụng tương ứng. Cụ thể như sau:
Tụ điện phân cực (tụ hóa)
Tụ điện phân cực hay còn được gọi là tụ hóa, thường được sử dụng trong các mạch tần số làm việc thấp, như mạch lọc nguồn hay các mạch liên quan đến điện áp. Điều này là do tụ điện phân cực có khả năng chứa điện dung lớn mà không chiếm quá nhiều diện tích mạch, giúp tiết kiệm không gian. Tuy nhiên, tụ điện phân cực chỉ có thể được sử dụng với một chiều cực nhất định, nếu kết nối sai cực có thể gây hư hỏng tụ điện. Ngoài ra, tụ điện phân cực còn có tuổi thọ ngắn hơn so với các loại tụ điện khác.
Tụ điện không phân cực
Tụ điện không phân cực được sử dụng trong các mạch có tần số làm việc cao và trong các mạch lọc nhiễu. Vì loại tụ này không có quy định cực tính, nên nó không yêu cầu sự chú ý đến hướng lắp đặt như các loại tụ điện khác. Tụ điện không phân cực thường có điện dung nhỏ và có thể được sử dụng trong các thiết bị điện gia dụng, chẳng hạn như quạt và động cơ.
Tụ điện có trị số biến đổi
Tụ điện có trị số biến đổi được gọi là tụ xoay, và thường được sử dụng trong kỹ thuật. Loại tụ này có thể thay đổi giá trị điện dung trong một phạm vi nhất định. Tụ xoay thường được sử dụng trong các mạch điện cần thay đổi giá trị điện dung, chẳng hạn như trong các bộ chỉnh tần số. Loại tụ này có giá trị nhỏ nhất, thường trong khoảng từ 100pF đến 500pF, và có khả năng xoay để thay đổi giá trị điện dung.
Siêu tụ điện
Siêu tụ điện là một loại tụ hóa bao gồm các tụ điện có mật độ điện dung cực cao. Nó được sử dụng trong những thiết bị yêu cầu nguồn năng lượng tức thời có xung điện lớn, có thể sạc xả liên tục như thang máy, cần cẩu, xe hơi, xe buýt, xe lửa và các thiết bị di động khác. Siêu tụ điện có thể lưu trữ lượng điện năng lớn, sạc và xả nhanh chóng, và có tuổi thọ dài hơn so với các loại pin thông thường, làm cho nó trở thành một công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến và tiềm năng cho các ứng dụng tương lai.
Công thức tính điện dung capacitor
Công thức tính điện dung của một capacitor là: C = Q/V
Trong đó:
- C là điện dung của capacitor, tính bằng farad (F)
- Q là lượng điện tích được tích vào capacitor, tính bằng coulomb (C)
- V là điện thế giữa hai bản dẫn của capacitor, tính bằng volt (V)
Công thức này cho biết rằng điện dung của capacitor tỉ lệ thuận với lượng điện tích tích vào và tỉ lệ nghịch với điện thế giữa hai bản dẫn. Điện dung của capacitor càng lớn thì năng lượng mà nó có thể lưu trữ càng nhiều.
Nguyên lý hoạt động của tụ điện capacitor
Tụ điện hoạt động dựa trên 2 nguyên lý đó là nguyên phóng nạp và nguyên lý xả nạp. Cụ thể như sau:
- Nguyên lý phóng nạp: Là khả năng tích trữ năng lượng điện tương tự một ắc quy nhỏ dưới dạng điện trường. Thiết bị tụ điện có thể lưu trữ hiệu quả các electron (nhưng không tự sinh ra các electron), sau đó phóng ra điện và tạo thành dòng điện.
- Nguyên lý nạp xả: Nhờ có tính chất nạp xả mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều. Khi điện áp giữa 2 bản mạch của tụ điện bị thay đổi đột ngột do hành động cắm nạp hoặc xả tụ thì hiện tượng tia lửa điện sẽ xảy ra do dòng điện tăng vọt.
Hướng dẫn kiểm tra capacitor còn hoạt động
Để kiểm tra xem một tụ điện còn hoạt động tốt hay không, có thể sử dụng đồng hồ vạn năng hoặc LCR clip. Trước khi kiểm tra, cần phải đảm bảo rằng tụ điện đã được xả hoàn toàn để tránh nguy cơ giật điện hoặc hư hỏng do chập điện.
Sử dụng đồng hồ vạn năng, chuyển sang chế độ đo điện dung. Tiếp theo, kết nối đầu dò của đồng hồ vạn năng đến hai chân của tụ điện và đọc kết quả trên màn hình. Nếu kết quả đọc được gần bằng với giá trị điện dung được in trên tụ điện thì tụ điện đang hoạt động tốt. Nếu không, tụ điện có thể bị hỏng và cần phải được thay thế.