Tụ điện là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng?

1. Tụ điện là gì? 

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động, được cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song và ngăn cách bởi lớp điện môi. Khi xảy ra sự chênh lệch điện thế tại hai điểm bề mặt, các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu. 

Tụ điện có khả năng tích trữ năng lượng ở dạng năng lượng điện trường và phóng điện từ theo chiều từ cực dương sang cực âm. Tụ điện được ký hiệu là C và trong tiếng Anh sử dụng với thuật ngữ Capacitor. 

Tùy vào chất liệu của lớp điện môi, tụ điện có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau, ví dụ như tụ giấy, tụ gốm, tụ nhôm,… Tụ điện có nhiều ứng dụng quan trọng trong các mạch điện tử, như mạch dao động, mạch lọc, mạch truyền dẫn tín hiệu xoay chiều,…

Một ví dụ về tụ điện là bình Leyden, một loại tụ điện đơn giản được phát minh vào thế kỷ 18. Bình Leyden gồm một bình thủy tinh chứa nước hoặc dung dịch hóa học, có hai lá kim loại bao quanh bên trong và bên ngoài. Khi kết nối với một nguồn điện cao áp, bình Leyden có thể tích trữ một lượng lớn điện tích và phóng ra một tia lửa khi hai lá kim loại được nối với nhau.

2. Cấu tạo của tụ điện:

Tụ điện được cấu tạo bởi ít nhất hai dây dẫn điện, thường là tấm kim loại, được ngăn cách bởi một lớp điện môi, thường là các chất không dẫn điện như giấy, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí. Khi có chênh lệch điện thế giữa hai dây dẫn, sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu trên hai bề mặt của chúng. 

Dưới đây là mô tả cấu tạo của hai loại tụ điện phổ biến: tụ điện điện giữ và tụ điện điện dung.

– Tụ điện điện giữ (Electrolytic capacitor):

+ Hai điện cực: Một điện cực được làm từ nhôm hoặc titan, được gọi là điện cực dương (anode), và một điện cực được làm từ graphite hoặc chất dẫn điện khác, được gọi là điện cực âm (cathode).

+ Chất cách điện: Chất cách điện nằm giữa hai điện cực là một lớp màng ôxit kim loại (bao gồm nhôm ôxit hoặc titan ôxit) được tạo thành trên bề mặt điện cực dương.

+ Chất điện phân: Tụ điện điện giữ cần chất điện phân (electrolyte) để tạo ra dòng chảy. Chất điện phân thường là dung dịch axit hoặc muối ở dạng lỏng.

+ Bên ngoài: Tụ điện điện giữ thường có một vỏ bọc nhựa hoặc kim loại bảo vệ các thành phần bên trong.

– Tụ điện điện dung (Ceramic capacitor):

+ Hai điện cực: Hai điện cực được làm từ chất dẫn điện, thường là các lớp mạch điện trên một tấm gốm hoặc các vật liệu gốm khác.

+ Chất cách điện: Chất cách điện nằm giữa hai điện cực là một lớp mỏng của chất dẫn điện, thường là các vật liệu gốm như titanat bari (barium titanate) hoặc titanat kẽm (zinc titanate).

+ Bên ngoài: Tụ điện điện dung có thể có một lớp vỏ bọc bảo vệ các thành phần bên trong, thường là nhựa.

Cấu tạo của tụ điện có thể thay đổi tùy thuộc vào loại, kích thước và ứng dụng của nó. Các loại tụ điện khác nhau có tính chất điện học và ứng dụng riêng, và được sử dụng trong các mục đích khác nhau trong ngành điện tử và công nghiệp.

3. Công thức tính điện dung Tụ điện:

Điện dung của tụ điện là khả năng tích điện của tụ khi có một hiệu điện thế nhất định giữa hai bản cực. Điện dung được tính bằng công thức:

C = q / U

Trong đó C là điện dung, q là điện tích, U là hiệu điện thế. Đơn vị của điện dung là Fara (F).

Tùy vào cấu tạo của tụ điện, ta có các công thức tính điện dung khác nhau. Ví dụ:

– Tụ điện phẳng: C = ε.S / 4π.k.d

– Tụ điện trụ: C = 2πε.h / ln(R₂/R₁)

– Tụ điện cầu: C = 4πε.R₁.R₂ / (R₂ – R₁)

Trong đó ε là hằng số điện môi của lớp cách điện, k là hằng số điện, S là diện tích bản tụ, d là khoảng cách giữa hai bản tụ, h là chiều cao của bản tụ, R₁ và R₂ là bán kính của bản tụ.

4. Nguyên lý hoạt động của Tụ điện:

Nguyên lý hoạt động của tụ điện dựa trên tích tụ và giải phóng năng lượng điện tạm thời. Khi một điện áp được áp dụng vào tụ điện, các điện tử trong chất cách điện (dielectric) sẽ di chuyển và tích tụ tại hai điện cực, gây ra sự tích tụ năng lượng điện trong tụ điện. Đây là quá trình tích tụ năng lượng điện tĩnh.

Khi điện áp được áp dụng, các điện tử từ điện cực âm sẽ chuyển sang điện cực dương thông qua chất cách điện. Các điện tử này sẽ tích tụ tại điện cực dương và tạo ra một điện trường trong chất cách điện. Điện trường này sẽ ngăn cản sự di chuyển tiếp của các điện tử, dẫn đến một hiện tượng gọi là sự tích tụ điện.

Khi điện áp được giải phóng hoặc nguồn cấp điện bị ngắt, tụ điện sẽ giải phóng năng lượng điện đã tích tụ trước đó. Các điện tử trong chất cách điện sẽ trở lại vị trí ban đầu và chuyển từ điện cực dương sang điện cực âm. Quá trình này giải phóng năng lượng điện tạm thời từ tụ điện.

Nguyên lý hoạt động của tụ điện dựa vào sự chênh lệch điện thế giữa hai bản cực. Khi có sự chênh lệch này, các bản cực sẽ xuất hiện các điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu. Điều này làm cho tụ điện có khả năng tích trữ năng lượng và phóng ra khi cần thiết. Khi kết nối với nguồn điện xoay chiều, tụ điện sẽ liên tục nạp và xả các electron theo tần số của nguồn.

Tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng điện và giải phóng nó một cách nhanh chóng khi cần thiết. Tính chất này của tụ điện làm cho nó trở thành một thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng, bao gồm lưu trữ năng lượng, bộ lưu điện, ổn định điện áp và điều chỉnh tín hiệu trong mạch điện tử, và trong các thiết bị công nghiệp và công nghệ cao khác.

5. Phân loại tụ điện:

Các loại tụ điện phổ biến trên thị trường có thể được phân loại theo chất liệu của điện môi, như:

– Tụ giấy: Sử dụng giấy làm điện môi, có điện dung nhỏ, thường dùng trong các mạch lọc nhiễu.

– Tụ gốm: Sử dụng gốm làm điện môi, có độ ổn định cao, thường dùng trong các mạch dao động và tần số cao.

– Tụ nhựa: Sử dụng nhựa làm điện môi, có điện dung lớn hơn tụ giấy, thường dùng trong các mạch lọc và ghép cầu.

– Tụ hóa: Sử dụng chất điện phân làm điện môi, có điện dung rất lớn, thường dùng trong các mạch nguồn và lọc xung.

– Tụ siêu: Sử dụng than hoạt tính làm điện môi, có điện dung cực lớn, thường dùng trong các ứng dụng yêu cầu năng lượng cao.

Có thể kể đến một số loại tụ điện điển hình như sau:

– Tụ điện tụ điển: là loại tụ điện cơ bản nhất, gồm hai tấm kim loại (điện cực) cách nhau bởi một chất cách điện (điện mô). Khi có dòng điện qua tụ điện, các electron sẽ tích tụ trên một tấm kim loại và tạo ra một sự chênh lệch điện thế giữa hai tấm kim loại. Tụ điện tụ điển có dung lượng thấp và thường được sử dụng trong các mạch dao động, lọc nhiễu và ghép âm.

– Tụ điện electrolytic: là loại tụ điện có dung lượng cao, gồm hai tấm kim loại (điện cực) cách nhau bởi một lớp oxy hóa (điện mô) được tạo ra bằng phản ứng hóa học. Tụ điện electrolytic có đặc tính là có cực tính, nghĩa là phải kết nối đúng chiều dương âm với nguồn điện. Tụ điện electrolytic thường được sử dụng trong các mạch nguồn, ổn áp và lọc xung.

– Tụ điện ceramic: là loại tụ điện có dung lượng trung bình, gồm hai tấm kim loại (điện cực) cách nhau bởi một lớp ceramic (điện mô). Tụ điện ceramic có đặc tính là không có cực tính, nghĩa là có thể kết nối bất kỳ chiều nào với nguồn điện. Tụ điện ceramic thường được sử dụng trong các mạch dao động, lọc nhiễu và ghép âm.

– Tụ điện polymer: là loại tụ điện có dung lượng cao, gồm hai tấm kim loại (điện cực) cách nhau bởi một lớp polymer (điện mô). Tụ điện polymer có đặc tính là có cực tính, nghĩa là phải kết nối đúng chiều dương âm với nguồn điện. Tụ điện polymer có ưu điểm là có độ ổn định cao, độ rò rỉ thấp và khả năng chịu nhiệt tốt. Tụ điện polymer thường được sử dụng trong các mạch nguồn cao tần, ổn áp và lọc xung.

6. Các ứng dụng của tụ điện:

– Lọc nguồn: Tụ điện được dùng để loại bỏ các tín hiệu nhiễu hoặc dao động không mong muốn trong nguồn cấp điện, giúp ổn định và cải thiện chất lượng nguồn ra.

– Lọc tần số: Tụ điện được dùng để chọn lọc các tín hiệu có tần số nhất định trong một dải tần số rộng, ví dụ như trong các mạch âm thanh, radio hay viễn thông.

– Tạo dao động: Tụ điện được dùng để tạo ra các tín hiệu dao động có tần số xác định, ví dụ như trong các mạch dao động hay bộ phát xung.

– Khởi động động cơ: Tụ điện được dùng để cung cấp một lượng năng lượng ban đầu cho động cơ một pha, giúp tạo ra một lực quay ban đầu cho rotor.

– Lưu trữ năng lượng: Tụ điện được dùng để lưu trữ năng lượng trong thời gian ngắn, ví dụ như trong các máy ảnh kỹ thuật số, máy flash hay xe hơi.