Khái niệm tụ điện, cấu tạo và phân loại của tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện tử quen thuộc và phổ biến. Chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy tụ điện ở hầu hết các board mạch điện tử hiện nay. Chúng được sử dụng rất nhiều tại các ngành công nghiệp chuyên sản xuất và chế tạo điện tử. Đồng thời trong lĩnh vực giáo dục thì nó cũng được nhắc đến rất nhiều.

Đây chính là lý do vì sao mà tụ điện được rất nhiều người quan tâm và tìm kiếm các thông tin về nó. Trong bài viết này chúng tôi sẽ chia sẻ kiến thức về tụ điện là gì? Có cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng như thế nào cũng như nhiều những thông tin liên quan khác để các bạn tham khảo.

Tụ điện là gì?

Tụ điện là tên gọi của một linh kiện điện tử thụ động, được tạo bởi hai bề mặt dẫn điện ở giữa được ngăn cách bởi điện môi. Khi xảy ra hiện tượng chênh lệch điện thế giữa hai bề mặt thì tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích có cùng điện lượng nhưng lại trái dấu nhau. 

Việc tích tụ điện tích tại hai bề mặt giúp tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi có sự chênh lệch điện thế trên 2 bề mặt tức là có dòng điện xoay chiều đi qua. Điều này làm cho sự tích lũy điện bị chậm pha hơn so với điện áp dẫn đến sản sinh ra trở kháng của tụ điện tại mạch xoay chiều. 

Tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng điện tương tự như bình ắc quy. Tuy nhiên có cách hoạt động hoàn toàn khác biệt so với bình ắc quy. Tụ điện hoàn toàn không có khả năng sản sinh ra electron như bình ắc quy nó chỉ có khả năng lưu trữ chúng. Đồng thời khả năng nạp xả của tụ điện cũng nhanh hơn ắc quy. 

Ký hiệu của tụ điện trong vật lý là “C” – Chữ cái đầu của Capacitor. Đơn vị tính của nó là F (Farada).

Cấu tạo của tụ điện 

Một tụ điện thông thường sẽ được cấu tạo gồm các phần như sau:

• Tụ điện có ít nhất là hai dây dẫn điện thường được chế tạo ở dạng tấm kim loại. Hai bề mặt này sẽ được lắp song với nhau và giữa chúng có một lớp điện môi. 
• Điện môi được sử để làm tụ điện là những chất liệu không dẫn điện như: Giấy, gốm, thủy tinh, mica, giấy tẩm hóa chất, không khí, màng nhựa…. Các chất điện môi này không dẫn điện nên sẽ làm tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện. 

Nguyên lý hoạt động của tụ điện

Nguyên lý hoạt động của tụ điện dựa trên hai nguyên lý đó là nguyên lý phóng nạp và nguyên lý xả nạp. Cụ thể như sau:

• Nguyên lý phóng nạp: Nguyên lý này được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện giống như một chiếc bình ắc quy cỡ nhỏ dưới dạng năng lượng là điện trường. Nó có khả năng lưu trữ hiệu quả các electron và có thể phóng ra các điện tích này để sản sinh ra dòng điện. Tuy nhiên nó lại không thể tự sản sinh ra được các điện tích electron. Đây chính là điểm khác biệt lớn nhất của tụ điện và bình ắc quy. 
• Nguyên lý xả nạp: Nguyên lý xả nạp của tụ điện cũng chính là tính chất đặc trưng và cơ bản  nhất trong nguyên lý làm việc của linh kiện điện tử thụ động này. Nhờ vào tính chất này mà nó có thể dẫn được điện xoay chiều. Khi điện áp của 2 bên bản mạch không có sự thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian nếu ta thực hiện cắm nạp hoặc thực hiện xả sẽ dễ xảy ra hiện tượng nổ kèm theo tia lửa điện. Sở dĩ điều này xảy ra là do dòng điện tăng vọt đột ngột. 

Những thông số quan trọng của tụ điện

Việc nắm được các thông số của tụ điện vô cùng quan trọng. Để có thể kiểm tra, sửa chữa tụ điện trong các thiết bị chúng ta buộc phải hiểu rõ về các chỉ số của nó. Những chỉ số cần nắm được của tụ điện có thể kể đến như: Độ trôi điện dung theo thời gian, hệ số biến đổi điện dung theo nhiệt độ, tổn hao điện môi, dải tần số làm việc, độ ồn… Cụ thể thông tin về từng thông số này như sau: 

Chỉ số điện dung

Mọi vật thể nhìn chung đều có khả năng tích điện. Đây là khả năng đặc trưng của điện dung C. Được xác định tổng quát thông qua điện lượng theo biểu thức sau: 

Trong đó: 

• C: Là ký hiệu của điện dung và được tính bằng đơn vị là F (fara)
• Q: Là ký hiệu của điện lượng và được tính bằng đơn vị là Coulomb. Đây chính là độ lớn điện tích đã tích tụ được ở vật thể. 
• U: Là ký hiệu của điện áp và có đơn vị tính là Voltage. Đây chính là điện áp của vật thể khi tích điện.

Tương tự như vậy tụ điện cũng có chỉ số điện dung. Điện dung của tụ điện sẽ phụ thuộc vào diện tích của bản cực và chất liệu được sử dụng để làm điện môi  cùng khoảng cách của hai bản cực. Dựa vào công thức điện dung ở trên chúng ta có công thức điện dung của tụ điện như sau: 

Trong đó: 

• C: Là ký hiệu điện dung và có đơn vị tính là fara [F]
• εr: Là ký hiệu hằng số điện môi hay còn được gọi là điện thẩm tương đối (khi so với chân không) của lớp cách điện
• ε0: Là ký hiệu của hằng số điện thẩm (ε0 ≈1÷(9*109*4*π)≈8.854187817*10-12);
• d: Là ký hiệu độ dày của lớp cách điện;
• S: Là ký hiệu diện tích bản cực của tụ điện.

Lưu ý: 

• Đơn vị đại lượng điện dung là F (farada). Trong thực tế thì đơn vị này là trị số lớn. Chính vì vậy người ta thường dùng các đơn bị nhơn như: Micro fara hoặc nano Fara hoặc picoFara. 
• Chỉ số điện dung của nhiều loại tụ điện bị giảm đi theo thời gian là do sự lão hóa của vật liệu Những tụ điện hóa thường có mức độ giảm điện dung lớn nhất. Khi điện dung bị giảm xuống thấp sẽ được gọi là “già cỗi”. Điều này sẽ dẫn đến tình trạng sai lệch các hoạt động của mạch điện tử. 

Điện áp làm việc

Tụ điện có đặc trưng là sở hữu thông số điện áp làm việc cao nhất. Thông số này thường được ghi rõ trên tụ nếu tụ điện có kích thước đủ lớn. Đây là giá trị điện áp thường trực và tụ điện có thể chịu được. Giá trị điện áp tức thời của tụ thường sẽ cao hơn giá trị được ghi này một chút. Tuy nhiên trong trường hợp điện áp tăng quá cao (ví dụ tăng lên bằng 200% định mức) thì lớp điện môi của tụ điện sẽ bị đánh thủng và dẫn đến hiện tượng chập tụ. 

Trước đây do giá thành sản xuất của tụ điện tương đối cao nên tụ điện được chia làm nhiều mức điện áp làm việc khác nhau từ 5V, 12V, 16V… 100V, 110V, 160V…300V, 400V… 

Ngày nay với hệ thống dây chuyền sản xuất lớn nên các cấp điện áp được cho ra ít hơn. Cụ thể như sau:

• Tụ hóa: 16V, 25V, 35V, 63V, 100V, 150V, 250V, 400V.
• Tụ khác: 63V, 250V, 630V, 1KV.
• Các tụ điện đặc chủng có mức điện áp cao hơn, có thể kể đến như: 1.5 kV, 4 kV,… 
• Ngoài ra thì tuỳ vào hãng sản xuất mà tụ sẽ có các dải điện áp khác nhau

Lưu ý: Khi các bạn thiết kế hoặc thực hiện sửa chữa mạch các bạn phải chọn tụ điện có điện áp làm việc sao cho cao hơn điện áp của mạch cỡ 30% trở lên. Ví dụ như trong mạch lọc nguồn 12V thì các bạn nên chọn tụ hóa 16V chứ không chọn tụ có điện áp làm việc vừa đúng là 12V. 

Nhiệt độ làm việc 

Nhiệt độ của tụ điện hiểu một cách đơn giản là nhiệt độ ở vùng đặt tụ điện khi mạch điện làm việc. Tụ điện được chọn để lắp đặt cho mạch phải có nhiệt độ làm việc cao hơn mức nhiệt độ của mạch khi hoạt động. 

Thông thường nhiệt độ là do điện năng bị tiêu hao và biến thành nhiệt độ của mạch. Có thể có cả nhiệt của môi trường bên ngoài truyền vào mạch nếu như nhiệt độ của môi trường cao hơn. 

Đối với những tụ điện có mức rò điện cao sẽ xảy ra hiện tượng tiêu tán điện năng và biến thành nhiệt bên trong tụ điện. Điều này sẽ khiến cho nhiệt độ của tụ điện cao lơm nhiệt độ môi trường xung quanh. Những hiện tượng hư hỏng hay nổ tụ thường liên quan đến hiện tượng này. Ở các tụ hóa thường rò điện ohmi, còn đối với các tụ cao tần thì rò dòng điện xoáy. 

Các loại tụ điện phổ biến hiện nay

Hiện nay trên thị trường có nhiều cách phân loại và nhiều loại tụ điện khác nhau. Trong phần này chúng tôi sẽ chia sẻ một số loại tụ điện phổ biến trên thị trường hiện nay để các bạn tham khảo. 

Tụ điện phân cực

Tụ điện phân cực là loại tụ điện mà cực được phân chia một cách rõ ràng. Loại tụ điện này thường được sử dụng cho các mạch lọc nguồn hoặc trong các mạch có tần số làm việc thấp… Trong quá trình thực hiện đấu nối tụ điện phân cực chúng ta cần phải đảm bảo sao cho các cực của tụ được nối đúng. Để xác định cực của loại tụ này các bạn thực hiện như sau:

• Đối với những tụ điện có kích thước lớn: Các bạn quan sát thân tụ sẽ thấy một ký hiệu hình đâu “-” trên nền của vạch sáng màu dọc theo thân tụ. Đây chính là cực âm của tụ điện.  Trong trường hợp là tụ mới hoàn toàn chưa cắt chân thì ta có thể phân biệt 2 cực âm dương của tụ bằng cách so sánh độ dài của 2 chân. Chân nào của tụ dài hơn thì chân đó là cực dương và ngược lại chân ngắn hơn là cực âm. 
• Đối với tụ điện có kích thước nhỏ: Nhà sản xuất xẽ dùng dấu cộng (+) để đánh dấu cực dương. Các bạn chỉ cần quan sát kỹ là có thể nhận biết được các cực của tụ. Các tụ điện phân cực loại nhỏ này được sản xuất để dành riêng cho việc hàn dán SMD

Tụ không phân cực

Tụ không phân cực là loại tụ điện không được phân chia cực âm dương. Chúng ta không thể xác định được cực dương và cực âm của nó khi lắp đặt. Loại tụ điện này được chế tạo để sử dụng cho những mạch điện có tần số cao hay các mạch lọc nhiễu. Với những tụ điện không phân cực cỡ lớn thường được sử dụng cho mô tơ, tụ quạt… 

Siêu tụ điện 

Siêu tụ điện chính là những tụ điện phân cực sở hữu mật độ năng lượng cao và được dùng cho tích điện một chiều. Điển nổi bật của loại tụ điện này đó là nó có thể thay thế được các pin lưu dữ liệu cung cấp nguồn năng lượng cho các máy điện tử. Sở dĩ nó có khả năng này là nhờ vào việc nó sở hữu khả năng lưu trữ điện trong khoảng thời gian dài lên tới vài tháng. 

Siêu tụ điện được sử dụng phổ biến cho các phương tiện giao thông. Người ta sử dụng chúng để khai thác năng lượng hãm phanh và để cung cấp năng lượng đột xuất cho ô tô điện, tàu điện… 

Tụ điện có trị số biến đổi 

Tụ điện có trị số biến đổi hay còn được gọi với tên gọi khác là tụ điện xoay (tên gọi này được đặt dựa trên cấu tạo của nó). Loại tụ điện này sở hữu khả năng thay đổi chỉ số điện dung. Tụ điện xoay thường được ứng dụng cho Radio để làm thay đổi tần số cộng hưởng nhằm giúp người sử dụng có thể dò tìm được các kênh.

Công dụng của tụ điện

Tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động và đặc điểm của từng loại tụ điện mà tụ điện có những công dụng khác nhau. Tuy nhiên có 4 công dụng chính của tụ điện đó là:

• Tụ điện có khả năng lưu trữ điện tích, năng lượng điện một cách hiệu quả. Đây là tác dụng được nhiều người biết đến nhất. Nhờ sở hữu công dụng này mà tụ điện được ví như một bình ắc quy thu nhỏ. Đặc biệt là trong quá trình lưu trữ điện tụ điện sẽ không bị tiêu hao năng lượng. 
• Công dụng tiếp theo của tụ điện đó là nó cho phép điện áp xoay chiều có thể đi qua. Điều này giúp cho nó có thể dẫn điện giống như một điện trở đa năng. Đặc biệt là khi tần số của điện xoay chiều càng lớn (điện dung của tụ càng lớn) thì dung kháng sẽ càng nhỏ. Điều này hỗ trợ đắc lực cho việc điện áp lưu thông qua tụ điện. 
• Tụ điện có nguyên lý hoạt động đặc biệt đó là nạp xả thông minh. Nó chặn lại điện áp 1 chiều và cho phép điện áp xoay chiều có thể lưu thông. Điều này giúp cho tụ điện có khả  năng truyền tín hiệu giữa các tầng khuếch đại có sự chênh lệch về điện thế?
• Công dụng nổi bật thứ 4 của tụ điện là có thể lọc điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều bằng việc loại bỏ đi pha âm. 

Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Hiện nay tụ điện được ứng dụng rất nhiều trong các trang thiết bị điện điện tử của công nghiệp và thực tế đời sống. Đây là một linh kiện điện tử không thể thay thế được. Trong mỗi mạch điện, tụ điện sẽ có một công dụng nhất định như lọc nhiễu, truyền dẫn tín hiệu, tạo dao động, lọc nguồn… Cụ thể những ứng dụng của tụ điện như sau: 

Ứng dụng trong mạch lọc nguồn

Trong các mạch lọc nguồn, tụ điện hóa được dùng để lọc điện áp một chiều sau khi đã thực hiện chỉnh lưu được bằng phẳng để cung cấp cho tải tiêu thụ. Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy nếu không sử dụng tụ điện thì áp DC sau điốt sẽ là điện áp nhấp nhô. Dưới tác dụng của tụ điện, điện áo sẽ được lọc để trở nên tương đối phẳng. Khi sử dụng tụ điện càng lớn thì điện áp DC sẽ càng phẳng.

Ứng dụng trong đời sống

• Tụ điện được sử dụng một cách phổ biến trong kỹ thuật điện và điện tử.
• Ứng dụng trong hệ thống âm thanh của xe ô tô. Cụ thể là tụ điện sẽ lưu trữ năng lượng cho bộ khuếch đại
• Tụ điện được ứng dụng để xây dựng các bộ nhớ kỹ thuật số động cho những chiếc máy tính nhị phân sử dụng những ống điện tử
• Tụ điện được sử dụng cho các chế tạo đặc biệt liên quan đến quân sự. Lúc này tụ điện được dùng cho: Máy phát điện, radar, làm thí nghiệm vật lý, vũ khí hạt nhân,…
• Ngoài ra thì tụ điện còn được ứng dụng trong khởi động động cơ, xử lý tín hiệu, mạch điều chỉnh, …

Cách đo tụ điện chuẩn

Để có thể biết được tụ điện có còn sống hay không chúng ta cần phải thực hiện đo lường các những chỉ số của tụ điện. Trong phần này của bài viết chúng tôi sẽ hướng dẫn các bạn những các để đo tụ điện đơn giản và nhanh chóng nhất.

Cách xả điện có trong tụ điện

Dù chúng ta sử dụng bất cứ dụng cụ đo lường nào để do tụ điện thì bước đầu tiên chúng ta cần phải tiến hành đó là xả điện có trong tụ điện. Do đó, trước khi đi vào hướng dẫn các bạn cách đo tụ điện chúng tôi sẽ hướng dẫn các bạn cách xả điện ở tụ đúng cách. 

Cách xả điện đơn giản và tiện lợi nhất nhất đó chính là dùng bóng đèn tròn 120V. Các bạn thực hiện chạm hai chân của tụ điện vào đui của bóng đèn để xả điện. Khi làm như vậy điện có bên trong tụ điện sẽ bị tiêu hao hết. 

Lưu ý:

• Trong quá trình thực hiện xả điện các bạn tuyệt đối không được để cho hai chân của tụ điện chạm vào nhau.
• Đồng thời không được chạm tay trần vào đầu của tụ điện khi điện có trong tụ chưa được xả hết điện.

Đo tụ điện bằng đồng hồ kim vạn năng:

Sử dụng đồng hồ kim vạn năng để đo tụ điện là cách đo vô cùng phổ biến. Cách này được rất nhiều thợ sửa chữa điện lựa chọn sử dụng. Chi tiết các bước do tụ điện bằng đồng hồ vạn năng như sau:

Bước 1: Thực hiện xả hết điện có bên trong tụ điện như cách ở phía trên chúng tôi đã hướng dẫn. 

Bước 2: Thực hiện điều chỉnh đồng hồ kim vạn năng về chế độ Ohm.

Bước 3: Tiến hành để hai que đo của đồng hồ chạm vào hai cực của tụ điện.

Bước 4: Cuối cùng các bạn đọc kết quả hiển thị trên đồng hồ.

• Nếu như các bạn thầy kim của đồng hồ chỉ về mức thấp nhất có nghĩa là tụ đã bị ngắt mạch.
• Nếu quan sát thấy kim đồng hồ có sự dịch chuyển từ thấp đến cao dần và cuối cùng nó dừng lại ở vô hạn thì có nghĩa là tụ điện  vẫn đang ở trạng thái tốt. 
• Nếu như kim đồng hồ không có bất kỳ sự dịch chuyển thì tụ điện của bạn đang bị hở.

Đo tụ điện bằng đồng hồ số vạn năng:

Cách đo tụ điện thứ 2 mà chúng tôi muốn chia sẻ với các bạn đó là sử dụng đồng hồ vạn năng để đo. Chúng ta sẽ sử dụng đồng hồ vạn năng với chế độ điện dung để đo tụ điện. Cụ thể cách thực hiện như sau:

Bước 1: Các bạn thực hiện điêu chình đồng hồ số vạn năng trở về chế độ điện dung.

Bước 2: Thực hiện xả tụ điện như cách phía trên chúng tôi đã chia sẻ.

Bước 3: Tiến hành tháo tụ điện khỏi mạch điện và bắt đầu quá trình đo đặc

Bước 4: Sử dụng đồng hồ đã được điều chỉnh về chế độ diện dung để đo là để 2 que của đồng hồ chạm vào 2 đầu cực của tụ điện cần đo.

• Nếu như chỉ số hiển thị trên đồng hồ sau khi đo gần với giá trị thực của tụ thì chứng tỏ tụ điện vẫn còn hoạt động tốt.
• Trong trường hợp đồng hồ số vạn năng không hiển thị số hoặc hiển thị kết quả thấp hơn nhiều so với giá trị thực của tụ thì đã đến lúc các bạn cần thay tụ mới cho mạch điện. 

Trên đây là toàn bộ những thông tin về tụ điện mà chuthapdoquangninh.org.vn đã tổng hợp lại để chia sẻ với các bạn. Hy vọng qua những thông tin chúng tôi chia sẻ các bạn đã biết được tụ điện là gì có cấu tạo nguyên lý hoạt động như thế nào cũng như những thông tin liên quan đến linh kiện điện tử này.

Xem thêm:

• Cảm biến quang là gì? Phân loại và tác dụng của cảm biến quang
• Nguồn xung là gì? sơ đồ nguyên lý mạch nguồn xung
• Cảm biến hồng ngoại là gì? Nguyên lý của cảm biến hồng ngoại
• Cuộn cảm là gì? Cấu tạo và ứng dụng của cuộn cảm
• Cơ năng là gì? Công thức và định luận bảo toàn cơ năng