Tụ điện là gì?

Tụ điện (capacitor) là một loại linh kiện điện tử, được thiết kế để lưu trữ và giải phóng năng lượng điện trong một khoảng thời gian ngắn. Nó bao gồm hai bản tụ (bản cực) tích điện đặt gần nhau và song song với nhau, ngăn cách bằng một vật liệu cách điện được gọi là chất điện môi.

Cấu trúc này cho phép tụ điện, tích điện dương trên một bản mạch và tụ điện tích điện âm trên bản mạch còn lại.

Khả năng tích trữ năng lượng của tụ điện, được thể hiện qua điện dung (C) đơn vị là Farad (F), điện dung của tụ điện càng lớn, lượng điện được tích tụ càng nhiều.

Tụ điện có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử và các mạch điện, bao gồm việc lọc nhiễu, ổn định nguồn điện, và nhiều ứng dụng khác nhau.

Ký hiệu của tụ điện

Trong các tài liệu kỹ thuật và sơ đồ mạch điện, tụ điện được ký hiệu là là chữ cái “C”, là chữ cái đầu tiên trong tên tiếng anh của tụ điện “Capacitor”.

Về ký hiệu hình học của tụ điện trong các mạch điện, tụ điện được ký hiệu theo một số quy ước nhất định, phụ thuộc vào từng loại cụ thể, bạn có thể tham khảo thông qua hình ảnh bên dưới.

Đơn vị để đo điện dung của tụ điện

Đơn vị chính để đo dung lượng của tụ điện (điện dung) là “farad” (viết tắt là “F”). Farad là một đơn vị điện dung, biểu thị khả năng lưu trữ điện tích của tụ điện.

Tuy nhiên, trong thực tế, farad thường là một đơn vị quá lớn để đo dung lượng của các tụ điện thông thường trong điện tử. Thay vào đó, các đơn vị còn được sử dụng phổ biến hơn:

Microfarad (µF): 1 µF tương đương với 1/1,000,000 (1 phần 1 triệu) farad. Đây là đơn vị thường được sử dụng để đo dung lượng của các tụ điện trong mạch điện tử.
Nanofarad (nF): 1 nF tương đương với 1/1,000,000,000 (1 phần 1 tỷ) farad. Đây là đơn vị nhỏ hơn thường được sử dụng để đo dung lượng của các tụ điện có dung lượng nhỏ hơn.
Picofarad (pF): 1 pF tương đương với 1/1,000,000,000,000 (1 phần nghìn tỷ) farad. Đây là đơn vị nhỏ nhất, thường được sử dụng để đo dung lượng của các tụ điện trong các ứng dụng tần số cao.

Công thức tính điện dụng của tụ điện

Trong thực tế ứng dụng và tính toán thiết kế, có nhiều trường hợp ta cần phải xác định được điện dung của tụ điện thông qua việc tính toán.

Có nhiều công thức tính điện dung của tụ điện khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện làm việc cụ thể.

Tính điện dung của tụ điện thông qua điện tích

Trong trường hợp mà ta có thể xác định được điện tích và hiệu điện thế của tụ. Lúc này điện dung có thể được tính theo công thức sau:

C = Q/V

Trong đó:

C là điện dung của tụ điện đo bằng farad (F).
V là hiệu điện thế giữa hai bản tụ, đo bằng volt (V).
Q là điện tích của tụ điện, được tính bằng Culong (C).

Tính điện dung thông qua thuộc tính kết cấu của tụ điện

Công thức cơ bản để tính điện dung của một tụ điện, dựa trên diện tích bề mặt của các bản mạch dẫn điện, khoảng cách giữa chúng và hằng số của chất điện môi, như sau:

C = (ε∗A)/d

Trong đó:

C là điện dung của tụ điện đo bằng farad (F).
ε (epsilon) là hằng số điện môi, của chất liệu cách điện giữa các bản tụ.
A là diện tích bề mặt của các bản mạch dẫn điện, đo bằng mét vuông (m²).
d là khoảng cách giữa các bản mạch dẫn điện đo bằng mét (m).

Lưu ý rằng công thức trên chỉ áp dụng cho tụ điện đơn giản với bản mạch dẫn điện mặt phẳng và khoảng cách đều.

Công thức tính điện dụng của mạch nhiều tụ điện

Trong thực tế ứng dụng, việc tính điện dung tổng hợp của các tụ điện trong một mạch điện, khá phổ biến và kiến thức này đã được đề cập đến trong chương trình giảng dạy, trong sách vật lý lớp 11.

Và chúng ta có hai kiểu ghép tụ điện cơ bản, tụ mắc nối tiếp và tụ mắc song song, mỗi kiểu lắp đặt sẽ áp dụng công thức tính toán riêng, để có thể xác định được điện dung tổng hợp, của các tụ trên một mạch điện.

Mạch có tụ mắc nối tiếp

Đối với mạch điện có các tụ điện mắc nối tiếp, điện dung tổng hợp của cả mạch, sẽ được tính dựa trên công thức sau:

C = C1 + C2 + C3 +…

Ví dụ: Có 3 tụ điện được lắp nối tiếp trong một mạch điện, với điện dung lần lượt là 10μF, 20μF và 30μF.

Tổng điện dung của các tụ trong mạch điện là: C = 10 + 20 + 30 = 60μF.

Mạch có tụ mắc song song

Đối với mạch điện có các tụ điện mắc song song, điện dung tổng hợp của cả mạch, sẽ được tính dựa trên công thức sau:

1/C = 1/ C1 + 1/ C2 + 1/C3 + …

Ví dụ: Có 3 tụ điện được lắp song song trong một mạch điện, với điện dung lần lượt là 10μF, 20μF và 30μF.

Tổng điện dung của các tụ trong mạch điện là: C = 1/(1/10 + 1/20 + 1/30) = 5,45μF.

Cấu tạo của tụ điện

Tụ điện là một thành phần quan trọng trong các thiết bị điện và mạch điện tử . Cấu tạo cơ bản của một tụ điện bao gồm hai bản mạch dẫn điện, được thiết kế dưới dạng các tấm bằng kim loại, mỗi bản tụ được liên kết với một chân kết nối, ở giữa hai bản tụ là một lớp vật liệu cách điện (chất điện môi). Tất cả các bộ phận cấu thành bên trong được cố định, và bảo vệ thông qua bộ phận vỏ.

Dưới đây là mô tả chi tiết hơn về cấu tạo cơ bản của tụ điện:

Bản tụ bằng kim loại (Electrodes): Tụ điện có hai tấm kim loại mỏng có khả năng dẫn điện, chúng được đặt song song và không tiếp xúc với nhau. một được gọi là cực dương (anode) và một là cực âm (cathode), điều này không áp dụng với tụ không phân cực. Chúng thường được làm bằng kim loại dẫn điện như nhôm hoặc tantalum, có diện tích bề mặt lớn để lưu trữ điện tích.
Chất điện môi (Dielectric): Chất điện môi là loại vật liệu có khả năng cách điện, phổ biến là giấy, gồm, mica,… Chất điện môi nằm ở giữa hai bản tụ.
Mỗi loại vật liệu có hằng số điện môi riêng, nó có ảnh hưởng đến điện dung của tụ.
Chân kết nối (Connections): Tụ điện là thành phần của mạch điện, vì vậy chúng cần được kết nối với mạch điện, việc liên kết này được thực hiện thông qua các chân kết nối. Hai chân của tụ điện được nối với hai bản tụ, đầu còn lại của hai chân kết nối, được liên kết với mạch điện. Chân tụ được chế tạo từ vật liệu có khả năng dẫn điện tốt, thường thấy nhất là nhôm.
Vỏ bọc: Đây là bộ phận được sử dụng, để bảo vệ và cố định các bộ phận cấu thành bên trong của tụ điện. Vỏ bọc có thể được chế tạo từ nhôm với một lớp “chất dẻo” ở bên ngoài, gồm, nhựa,…

trên đây là cấu tạo cơ bản cụ điện, cấu tạo cụ thể của một tụ điện có thể thay đổi tùy thuộc vào loại tụ và ứng dụng.

Nguyên lý hoạt động của tụ điện

Hoạt động cơ bản của tụ điện, liên quan đến việc nạp và xả điện trong một khoảng thời gian rất ngắn. Khi một tụ điện được kết nối với nguồn điện, nó được nạp đầy điện rất nhanh, khi cách ly tụ khỏi nguồn điện, lượng điện được nạp trước đó vẫn được lưu trữ bên trong tụ, nó chỉ được giải phóng khi mà tụ được liên kết với tải tiêu thụ điện.

Về cơ bản hoạt động của tụ điện diễn ra như sau:

Giai đoạn chưa cấp điện: Ban đầu, tụ điện không có điện tích. Hai bản mạch dẫn điện, một cực âm và một cực dương, được đặt song song và cách nhau bởi chất liệu cách điện.
Cấp điện: Khi tụ được cung cấp điện năng từ một nguồn điện phù hợp, điện áp tạo một điện trường giữa hai bản tụ.
Lưu trữ điện tích: Do điện trường, các electron trên bản tụ dương, sẽ di chuyển về bản tụ âm. Điều này dẫn đến sự lưu trữ điện tích trên các bản tụ. Sự tách rời của điện tích giữa hai bản tụ tạo ra một điện áp giữa chúng.
Lưu trữ năng lượng: Khi các điện tích được nạp đầy vào các bản cực (bản tụ) của tụ điện chúng được lưu trữ tại bản tụ dương và âm, ngay cả trong trạng thái cách ly hoàn toàn với dòng điện.
Phát ra năng lượng: Khi tụ điện được kết nối vào mạch điện, có đường dẫn cho dòng điện đến với thiết bị tiêu thụ điện, năng lượng điện từ tụ điện được giải phóng.

Lịch sử của tụ điện

Như bạn đã biết tụ điện là một loại linh kiện điện tử rất quan trọng, chúng có mặt trong tất cả các thiết bị điện tử xung quanh chúng ta. Có bao giờ bạn tự hỏi rằng loại linh kiện này được ra đời như thế nào? Sau đây chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về lịch sử của tụ điện.

Câu chuyện về sự ra đời của tụ điện khá thú vị, thay vì được nghiên cứu và thiết kế có chủ đích, để giải quyết một vấn đề nào đó. Thì tụ điện được ghi nhận là được vô tình tạo ra bởi Ewald Georg von Kleist ở Pomerania, Đức vào năm 1745.

Trong khi ông ta cố gắng thực hiện những thí nghiệm lưu trữ điện trong rượu, ví trong thời điểm đó, những hiểu biết sơ khai về điện, người ta cho rằng điện là chất lỏng, vì thế thí nghiệm lưu trữ điện trong rượu có vẻ như khá hợp lý.

Thí nghiệm của Ewald Georg von Kleist, được tiến hành như sau:

Sử dụng một bình thủy tinh chứa một lượng rượu nhất định bên trong, tiếp theo đóng kín bình thủy tinh bằng một nút chai, dùng một chiếc đinh bằng kim loại đóng xuyên qua nút chai, sao cho phần mũi nhọn của đinh phải luôn được tiếp xúc với rượu.
Để có dòng điện sử dụng cho việc lưu trữ, sử dụng một quả cầu thủy tinh quay với tốc độ vài trăm vòng trên phút, trong quá trình quay, quả cầu này được ma sát với bàn tay con người.
Các điện tích của quả cầu được dẫn đến chiếc đinh đã được cắm vào bình, thông qua thanh kim loại.
Trong quá trình thực hiện thí nghiệm, một tay sẽ giữ lấy bình thủy tinh, khi tay còn lại chạm vào phần dây kim loại nối với đinh, sẽ có một tia lửa điện phóng ra.

Thí nghiệm trên sau đó được thực hiện lại nhiều lần, bởi nhiều nhà khoa học và thay rượu bằng nước, vẫn thu được kết quả tương tự. Thiết kế bình bình thủy tinh này sau đó được gọi là “bình leyden” (Leyden jar).

Sau nhiều lần thực hiện, người ta nhận thấy rằng nếu Leyden jar, được đặt trên một giá cố định bằng vật liệu cách điện, hiện tượng phóng tia lửa điện sẽ không xảy ra.

Ngày nay chúng ta có thể được lý do là bàn tay chúng ta đóng vai trò như một bản của tụ điện, và chất lỏng dẫn điện bên trong bình, đóng vai trò như bản cực thứ hai, vỏ của bình thủy tinh đóng vai trò là chất điện môi.

Trong những năm 1740 và 1750, Benjamin Franklin, và nhiều nhà khoa học khác đã thực hiện, những thí nghiệm liên quan đến “bình leyden” được thực hiện sau đó bao gồm: Liên kết nhiều bình với nhau để tăng lượng điện tích lưu trữ, thử nghiệm với bình leyden lót giấy bạc, thí nghiệm với những tấm kính phẳng với hai lớp giấy bạc hai bên,…

Thí nghiệm liên kết nhiều bình leyden lại với nhau

Đến những năm 1830, Michael Faraday đã thực hiện các thí nghiệm, xác định rằng vật liệu ở giữa các bản tụ điện, có ảnh hưởng đến lượng điện tích trên các bản tụ. Ông đã thực hiện những thí nghiệm này với các tụ điện hình cầu, về cơ bản là hai quả cầu kim loại đồng tâm, ở giữa chúng có thể có không khí, thủy tinh, sáp, hoặc các vật liệu khác.

Tụ điện sau đó được cải tiến và sử dụng trong các mạch điện tử cơ bản, rồi tiếp đến là những thiết bị phức tạp hơn (máy tính, điện thoại di động, các loại máy móc,…).

Các loại tụ điện

Như bạn đã biết tụ điện có vai trò rất quan trọng, đối với nhiều hoạt động liên quan đến điện và điện tử. Kể từ khi thiết bị tụ điện đầu tiên được ra đời, đến nay đã có rất nhiều loại tụ khác khác nhau được ứng dụng trong thực tế.

Việc phân loại tụ điện có thể căn cứ vào nhiều phương diện khác nhau, bao gồm vật liệu chất điện môi, điện dung, tính năng của tụ,…

Dựa trên vật liệu chất điện môi

Chất điện môi (dielectric) là phần không thể thiếu trong cấu tạo của tụ điện, có ảnh hưởng đáng kể đến điện dung của tụ. Những loại chất điện môi phổ biến trong tụ điện bao gồm: Gồm, giấy, mica,… Từ đó ta có những loại tụ như sau.

Tụ điện gốm (Ceramic Capacitors)

Những tụ này sử dụng vật liệu gốm (sứ) làm chất liệu cách điện. Chúng có đặc điểm kích thước nhỏ, tính ổn định và đáng tin cậy. Tụ gốm thường được sử dụng, trong các ứng dụng tần số cao.

Tụ điện phim (Film Capacitors)

Tụ điện phim là loại tụ sử dụng một màng nhựa mỏng làm chất điện môi. Sau khi màng được sản xuất, nó có thể được kim loại hóa hoặc không được xử lý, tùy thuộc vào các đặc tính cần thiết của tụ điện.

Sau đó, các điện cực được thêm vào và lắp ráp bên trong một lớp vỏ bảo vệ. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng vì tính ổn định, độ tự cảm thấp và giá thành thấp. Vật liệu chế tạo màng gồm polyester, màng kim loại, màng polypropylene, PTFE,…

Tụ điện giấy (Paper Capacitors)

Tụ sử dụng chất liệu giấy làm chất điện môi, những thiết bị này thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử thế hệ cũ, bởi chúng chế tạo đơn giản và chi phí thấp.

Tuy nhiên, chúng đã bị thay thế bởi các chất liệu điện cách hiện đại hơn, do giới hạn về kích thước, hiệu suất và độ tin cậy của chúng.

Tụ điện mica (Mica Capacitors)

Những tụ này sử dụng các tấm mica mỏng làm chất liệu điện cách. Chúng nổi tiếng với tính chính xác cao, tính ổn định và tỷ lệ mất khả năng cách điện thấp. Tụ điện mica thường được sử dụng, trong các ứng dụng đo chính xác, như mạch tần số cao.

Tụ điện hóa (Electrolytic Capacitors)

Tụ điện này sử dụng một chất điện phân (thường là chất lỏng hoặc gel) làm chất liệu điện môi. Chúng nổi bật bởi ưu điểm, giá trị điện dung lớn và thường được sử dụng, trong các ứng dụng yêu cầu giá trị điện dung lớn hơn. Chúng được chia ra hai loại chính: tụ điện điện phân nhôm và tụ điện điện phân tantalum.

Dựa trên cấu tạo cơ bản

Tụ điện không phân cực (Non-Polarized Capacitor)

Tụ không phân cực (Non-Polarized Capacitor) là loại tụ mà không có chiều cố định cho dòng điện, nghĩa là nó có thể được kết nối bất kỳ theo các chiều khác nhau, trong mạch mà không cần quan tâm đến chiều dòng điện.

Tụ điện phân cực (Polarized Capacitor)

Tụ phân cực (Polarized Capacitor) được thiết kế, chân kết nối có đánh dấu chiều âm và dương, hoặc được thiết kế theo một quy tắc nhất định.

Điều này đòi hỏi việc kết nối đúng chiều cực trong mạch điện, nếu không sẽ gây ra sự sai lệch hoặc hỏng hóc.

Tụ điện biến thiên (Variable Capacitor)

Loại tụ điện có khả năng điều chỉnh giá trị điện dung, trong một phạm vi nhất định, thông qua việc điều chỉnh khoảng cách giữa các bản tụ, hoặc điều chỉnh diện tích đối ứng (diện tích bản kim loại song song với nhau).

Loại tụ này được sử dụng để điều chỉnh tần số hoặc độ nhạy của các mạch điện tử.

Dựa trên điện dung

Việc phân loại tụ điện dựa trên điện dung (khả năng tích trữ năng lượng của tụ), để phân biệt những loại tụ có khả năng tích trữ điện ở mức độ vừa phải, với những loại tụ được thiết kế đặc biệt, để có thể tích trữ được một lượng điện lớn hơn nhiều, đồng thời thời gian và xả của chúng cũng rất nhanh.

So với những linh kiện tụ điện thông thường, siêu tụ điện (supercapacitor), là tên được sử dụng cho loại tụ, có điện dung lớn.

Làm sao để tích điện cho tụ?

Tích điện cho tụ hay còn gọi là quá trình nạp điện cho tụ, quá trình này được thực hiện bằng cách cho tụ kết nối với nguồn điện, có điện áp phù hợp từ đó điện tích sẽ được lưu trữ trong tụ điện.

Để tích điện cho tụ điện ta phải liên kết tụ với nguồn điện, bằng cách đấu nối hai chân của tụ điện với nguồn điện, đối với tụ phân cực, cần lưu ý kết nối đúng chiều âm và chiều dương của nguồn điện.

Các điện tích âm và dương sẽ được tích vào hai bản kim loại của tụ điện, quá trình này diễn ra rất nhanh.

Công dụng của tụ điện là gì?

Tụ điện có nhiều công dụng quan trọng trong các mạch điện tử và ứng dụng công nghiệp.

Dưới đây là một số công dụng chính:

Lưu trữ năng lượng: Tụ điện có khả năng tích điện và giữ lại năng lượng, cho đến khi nó cần được sử dụng. Điều này có thể hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu ổn định nguồn cấp điện.
Lọc tín hiệu: Tụ điện được sử dụng để lọc tín hiệu trong mạch điện. Chúng có khả năng loại bỏ các thành phần tần số cao hoặc thấp không mong muốn (nhiễu) trong tín hiệu điện, cung cấp tín hiệu sạch hơn.
Điều chỉnh tần số và độ nhạy: Tụ điện biến thiên (Variable Capacitor) có khả năng thay đổi giá trị điện dung, được sử dụng để điều chỉnh tần số và độ nhạy trong các mạch thu sóng radio và các ứng dụng tương tự.
Ứng dụng trong các mạch công suất: Tụ điện có khả năng lưu trữ và phát ra năng lượng lớn, do đó chúng được sử dụng trong các mạch công suất, chẳng hạn như trong mạch khởi động động cơ, mạch inverter, và các ứng dụng công nghiệp khác.

Tụ điện có nhiều ứng dụng quan trọng trong việc ổn định nguồn cấp điện, điều chỉnh tín hiệu, và lưu trữ năng lượng trong nhiều loại thiết bị điện tử và công nghiệp.

Ứng dụng của tụ điện

Tụ điện có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ mạch điện tử cho đến công nghiệp và ứng dụng công nghệ cao. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của tụ điện:

Ứng dụng trong mạch điện tử:

Bộ lọc tín hiệu: Tụ điện được sử dụng để lọc tín hiệu, loại bỏ các thành phần tần số cao hoặc thấp không mong muốn, cung cấp tín hiệu sạch hơn trong các mạch amply tăng áp và điều hòa tín hiệu.
Lưu trữ năng lượng: Trong các mạch điện tử, tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng cho đến khi nó cần được sử dụng, đặc biệt trong các nguồn cấp điện ổn định.
Mạch thời gian và độ nhạy: Tụ điện được sử dụng để tạo các mạch thời gian và điều chỉnh độ nhạy trong các ứng dụng như ngắt bật đèn, thiết bị kiểm soát, và các hệ thống điều khiển.

Ứng dụng trong công nghiệp:

Công nghiệp điện: Được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như khởi động động cơ và điều khiển mạch công suất.
Điện tử công nghiệp: Trong các mạch công nghiệp, tụ điện được sử dụng để cải thiện khả năng ổn định và hiệu suất của hệ thống.
Thiết bị công nghiệp: Có nhiều loại thiết bị và máy móc công nghiệp, sử dụng tụ điện, để ổn định dòng điện trong quá trình khởi động như (máy bơm, electric actuator for valve, động cơ điện,…)

Ứng dụng trong ô tô và xe điện:

Hệ thống phanh tái sinh: Trong các xe điện và xe hybrid, các siêu tụ được sử dụng để lưu trữ năng lượng, tái sử dụng từ phanh tái sinh và cung cấp năng lượng cho động cơ.

Có thể thấy, tụ điện có một loạt các ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và là một phần không thể thiếu của nhiều thiết bị điện tử và công nghiệp.

Cách đo tụ điện

Đo điện dung của tụ là việc làm cần thiết trong đối với các hoạt động, thay thế, thiết kế, sửa chữa,…

Dưới đây là cách phổ biến để đo tụ điện:

Sử dụng đồng hồ đo điện dung (Capacitance Meter):

Đây là phương pháp đo tụ điện phổ biến và dễ dàng nhất. Bạn cần một đồng hồ đo điện dung, có thể là một đồng hồ đo điện dung kỹ thuật số hoặc analog.
Kết nối tụ điện vào đồng hồ đo điện dung.
Bật đồng hồ đo điện dung và đọc giá trị điện dung trên màn hình.

Khi đo tụ điện, hãy chắc chắn rằng bạn đã tháo tụ khỏi mạch điện (nếu có) và đã xác định đúng chiều cực (nếu tụ có chiều cực). Điều này đảm bảo tính chính xác của kết quả đo.

Lưu ý rằng việc đo tụ điện cần tuân thủ các quy định an toàn và sử dụng các thiết bị đo phù hợp để tránh hỏng tụ và nguy cơ điện giật.