Tụ điện là gì?

Tụ điện là gì?

Tụ điện hay Capacitor là một linh kiện điện tử thụ động bao gồm hai bản cực kim loại đặt song song và được ngăn cách bởi lớp điện môi. Khi có chênh lệch điện thế, tụ điện có khả năng tích trữ năng lượng điện dưới dạng điện tích.

Điện tích này có cùng giá trị nhưng ngược dấu nhau. Tụ điện không cho dòng điện một chiều chạy qua, nhưng có thể cho dòng điện xoay chiều chạy qua khi nạp và xả điện tích. Tụ điện thường được dùng trong các mạch điện tử để lọc nguồn, lọc nhiễu, tạo dao động hoặc truyền tín hiệu xoay chiều.

Tụ điện và pin đều có thể lưu trữ năng lượng điện, nhưng cách hoạt động của chúng khác nhau. Pin có hai cực, trong đó có phản ứng hóa học tạo ra và chuyển electron từ cực này sang cực kia. Tụ điện thì không tạo ra electron, mà chỉ lưu trữ chúng trên hai bản cực. Tụ điện có lợi thế hơn ắc quy vì có thể nạp và xả nhanh hơn.

Tụ điện là linh kiện điện tử cơ bản nhất có mặt trong tất cả mạch điện tương tự điện trở R và cuộn cảm L.

Ký hiệu tụ điện trong mạch

Dưới đây là công thức tính giá trị tụ mắc song song và mắc nối tiếp:

1. Tụ mắc nối tiếp:
   • Giá trị điện dung tương đương của các tụ mắc nối tiếp được tính bởi công thức:

     1/Ctđ​​=1/C​1​+1/C2​​+1/C3​​

   • Trường hợp chỉ có 2 tụ mắc nối tiếp thì:

     Ctđ​=(C1​xC2)​​/(C1​+C2​)

   • Điện áp chịu đựng của tụ tương đương bằng tổng điện áp của các tụ cộng lại:

     Utđ​=U1​+U2​+U3​

2. Tụ mắc song song:
   • Điện dung tương đương của các tụ mắc song song bằng tổng điện dung của các tụ cộng lại:

     C=C1​+C2​+C3​

   • Điện áp chịu đựng của tụ tương đương bằng điện áp của tụ có điện áp thấp nhất.

Đơn vị của tụ điện

• Đơn vị điện dung của tụ điện là Fara (F). Theo tên nhà khoa học Michael Faraday
• Thường được sử dụng các đơn vị nhỏ hơn như microFara (μF), nanoFara (nF), và picoFara (pF).

Cụ thể:

• 1 fara = 1.000.000 = 106 microFara
• 1 fara = 1.000.000.000 = 109 nanoFara
• 1 fara = 1.000.000.000.000 = 1012 picoFara

Ngược lại:

• 1 microFara = 1/1.000.000 fara
• 1 nanoFara = 1/1.000.000.000 fara
• 1 picoFara = 1/1.000.000.000.000 fara

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo

Cấu tạo của tụ điện sẽ có ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng tấm kim loại. Hai bề mặt này sẽ được đặt song song với nhau, và được ngăn cách bởi một lớp điện môi.

Điện môi được sử dụng để ngăn cách hai bề mặt là các chất không dẫn điện như thủy tinh, gốm, mica, giấy, màng nhựa hoặc không khí. Các điện môi này không dẫn điện để tăng khả năng lưu trữ điện năng của tụ điện.

Nguyên lý hoạt động

• Nguyên lý phóng nạp: Là khả năng tích trữ năng lượng điện dưới dạng điện trường, tương tự như một ắc quy nhỏ. Tụ điện không tạo ra electron, nhưng có khả năng hiệu quả trong việc lưu trữ chúng. Khi có điện thế chênh lệch, tụ điện sẽ lưu trữ electron và sau đó phóng ra chúng, tạo thành dòng điện.
• Nguyên lý nạp xả: Tính chất nạp xả làm cho tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều. Khi điện áp giữa hai bản mạch thay đổi theo thời gian (không thay đổi đột ngột), như khi cắm nạp hoặc xả tụ, hiện tượng tia lửa điện xuất hiện do dòng điện tăng vọt. Đây chính là nguyên lý nạp xả của tụ điện, cho phép nó thích ứng với biến động nhanh chóng trong điện áp và tạo ra dòng điện xoay chiều.

Phân loại và công dụng

Phân loại tụ điện theo tính chất

1. Tụ Điện Phân Cực (Tụ Hóa):
   • Có cực âm và dương.
   • Sử dụng trong mạch lọc nguồn, điều tiết điện áp.
2. Tụ Điện Không Phân Cực:
   • Không có cực tính.
   • Dùng trong mạch tần số cao, mạch lọc nhiễu.
3. Tụ Điện Có Trị Số Biến Đổi (Tụ Xoay):
   • Thay đổi giá trị điện dung.
   • Sử dụng trong mạch điều chỉnh.
4. Siêu Tụ Điện (SuperCapacitor):
   • Mật độ điện dung cực cao.
   • Lưu trữ năng lượng tức thì, thích hợp cho các thiết bị yêu cầu nguồn năng lượng mạnh mẽ.

Ngoài ra, tụ điện còn có vai trò lọc điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều bằng phương pháp loại bỏ pha âm hoặc hạ áp trực tiếp bằng tụ.

Phân loại tụ điện theo vật liệu chế tạo

• Tụ điện gốm: có điện môi là gốm, có điện dung nhỏ, dùng cho cao tần.
• Tụ điện giấy: có điện môi là giấy tẩm hóa chất, có điện dung lớn, dùng cho thấp tần.
• Tụ điện mica: có điện môi là mica, có điện dung ổn định, dùng cho cao tần.
• Tụ điện nhựa: có điện môi là nhựa, có điện dung lớn, dùng cho thấp tần.
• Tụ điện hóa: có điện môi là một lớp oxy hóa trên bản cực, có điện dung rất lớn, dùng cho thấp tần.
• Tụ điện dầu: có điện môi là dầu, có điện dung lớn, dùng cho điện áp cao.

Tại sao tụ điện không cho dòng điện một chiều chạy qua?

Kiểm tra tụ điện như thế nào và các lỗi hư hỏng trên tụ

Các lỗi hư hỏng của tụ

Tụ điện có thể gặp một số lỗi hư hỏng sau đây:

• Tụ bị nổ: Khi nhiệt độ trong tụ tăng lên quá cao, áp suất trong tụ sẽ tăng lên. Nếu áp suất quá mức chịu đựng, tụ khô sẽ phù đầu (bung đầu) hoặc là bị nổ. Tụ dầu sẽ bị xì dầu hoặc phình tụ.
• Tụ giảm trị số: Tụ điện có thể bị hỏng và giảm trị số.
• Tự bị chập: Tự sẽ dẫn điện cả 2 chiều như một sợi dây dẫn điện.
• Tụ điện bị đứt: không dẫn điện hoăc tích điện.

Nếu tụ bị hỏng, bạn cần thay thế tụ mới.

Cách kiểm tra tụ bằng đồng hồ đo điện đa năng VOM

• Sử dụng đồng hồ vạn năng ở chế độ đo điện dung.
• Đảm bảo tụ đã xả hoàn toàn trước khi kiểm tra để tránh nguy cơ giật điện.

Các trường hợp khi đo tụ:

• Trường hợp 1: Đo điện dung giảm nhiều so với thông tin ghi trên vỏ tụ là tụ có thể bị giảm trị số.
• Trường hợp 2: Đo không có dấu hiệu tăng giảm, chuyển sang thang đo thông mạch, nếu tụ đứt sẽ không thấy gì cả 2 chiều. Nếu tụ chập sẽ thấy cả 2 chiều điều lên.
• Trường hợp 3: Trường hợp đo nhanh sống chết của tụ trực tiếp trên mạch
  • Chuyển đồng hồ VOM về thang đo thông mạch:
  • Với tụ phân cực, 1 chiều lên, 1 chiều nghe 1 tiếng bíp là tụ còn tốt.
  • Với tụ không phân cực, cả 2 chiều đều nghe 1 tiếng bíp là tụ còn tốt.
  • Tiếng bíp có nghĩa là tụ còn khả năng phóng nạp.