Tụ điện là gì? Cấu tạo và phân loại tụ điện

Tụ điện là gì, đây là một linh kiện điện tử quan trọng trong các mạch điện tử, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng từ mạch điện tử gia dụng đến các hệ thống điện công nghiệp như bộ lưu điện ups, tivi, tủ lạnh, máy giặt, máy tính, ….. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về tụ điện là gì, cấu tạo và phân loại của chúng.

1. Tụ điện là gì?

Tụ điện (capacitor) là một linh kiện điện tử thụ động có khả năng lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường. Chúng được sử dụng để lưu trữ và giải phóng điện năng trong một khoảng thời gian ngắn. Khi tụ điện được nối với một nguồn điện, nó sẽ tích tụ điện tích và tạo ra một điện trường giữa hai bản cực của nó.

Tụ điện có hai cực, được gọi là bản cực dương và bản cực âm. Điện tích được tích lũy trên bề mặt các bản cực này, với điện tích dương tích lũy trên bản cực dương và điện tích âm tích lũy trên bản cực âm.

Tụ điện có nhiều ứng dụng trong mạch và chúng thường được sử dụng để tích trữ năng lượng, lọc nguồn, truyền tín hiệu, và điều chỉnh điện áp….

2. Cấu tạo của tụ điện

Cấu tạo của tụ điện tương đối đơn giản, bao gồm hai bản cực dẫn điện và một lớp cách điện nằm giữa chúng. Cấu trúc cụ thể của tụ điện bao gồm:

• Hai bản cực: Hai bản cực của tụ điện thường được làm từ các vật liệu dẫn điện như nhôm, đồng hoặc các hợp kim dẫn điện khác. Hai bản cực này có kích thước và khoảng cách giữa chúng khác nhau tùy theo loại tụ điện.
• Chất cách điện: Chất cách điện giữa hai bản cực được gọi là chất điện môi. Chất điện môi có thể là không khí, gốm sứ, giấy, mica, dầu, hoặc các loại polymer khác nhau. Chất điện môi đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định dung lượng của tụ điện và khả năng chịu điện áp.
• Vỏ bọc: Phần vỏ bọc ngoài của tụ điện giúp bảo vệ linh kiện bên trong khỏi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và tác động vật lý. Vỏ bọc có thể được làm từ nhựa, kim loại hoặc các vật liệu tổng hợp.

Tụ điện sử dụng lâu ngày có thể giảm dung lượng làm ảnh hưởng tới chức năng của nó, trong một số bộ lưu điện ups thì tụ điện hay bị giảm dung lượng và cần được thay thế và bảo trì bộ lưu điện ups thường xuyên để giảm thiểu rủi ro hư hỏng.

Các thông số kỹ thuật của tụ điện:

• Điện dung (Capacitance): Đây là giá trị quan trọng nhất của tụ điện, đo lường khả năng lưu trữ điện tích của tụ. Đơn vị đo dung lượng là Farad (F), tuy nhiên, các giá trị thông thường của tụ điện trong các mạch điện tử là microfarad (μF), nanofarad (nF), và picofarad (pF).

C = ξ . S / d trong đó:

Trong đó C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F)

ξ : Là hằng số điện môi.

d : là chiều dày của lớp cách điện.

S : là diện tích bản cực của tụ điện.

• Điện áp làm việc (Working Voltage): Đây là mức điện áp tối đa mà tụ điện có thể chịu được trước khi bị hỏng. Nếu vượt quá điện áp này, tụ điện có thể bị phá huỷ và gây nổ.
• Điện môi: Là lớp cách điện có điện trở suất cao
• Độ rò rỉ (Leakage Current): Đây là dòng điện nhỏ chạy qua tụ điện ngay cả khi tụ đã được cách điện. Độ rò rỉ càng thấp, chất lượng tụ điện càng tốt.

3. Phân loại tụ điện

Tụ điện được phân loại dựa trên nhiều yếu tố khác nhau, từ chất liệu cấu tạo đến chức năng và ứng dụng. Dưới đây là một số loại tụ điện phổ biến:

3.1. Phân loại theo chất điện môi

1. Tụ gốm (Ceramic Capacitors): Đây là loại tụ điện phổ biến nhất, tụ này không phân cực nên cắm theo chiều nào cũng được, sử dụng chất điện môi bằng gốm. Tụ gốm có kích thước nhỏ, độ bền cao và dung lượng thấp. Chúng thường được sử dụng trong các mạch tần số cao như mạch khuếch đại và lọc tín hiệu.

   

2. Tụ giấy (Paper Capacitors): Tụ giấy có cấu tạo từ chất điện môi là giấy và thường được ngâm trong dầu để tăng cường tính cách điện. Loại tụ này có dung lượng trung bình và thường được sử dụng trong các mạch có điện áp cao.

   

3. Tụ mica (Mica Capacitors): Tụ mica sử dụng chất điện môi là mica, có độ ổn định cao và ít bị thay đổi dung lượng khi nhiệt độ thay đổi. Chúng thường được sử dụng trong các mạch tần số cao.

   

4. Tụ điện phân (Electrolytic Capacitors): Loại tụ này sử dụng chất điện môi là oxit kim loại và có dung lượng lớn hơn nhiều so với các loại tụ khác. Tụ điện phân được phân cực nên khi gắn phải đúng chiều,  thường được sử dụng trong các mạch nguồn, nơi yêu cầu khả năng lưu trữ năng lượng lớn.

   

5. Tụ film (Film Capacitors): Đây là loại tụ sử dụng các màng mỏng polymer làm chất điện môi. Tụ film có dung lượng từ nhỏ đến lớn và được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau từ mạch lọc cho đến mạch khuếch đại.

   

3.2. Phân loại theo cấu trúc

1. Tụ tròn (Radial Capacitors): Tụ tròn có hai chân ra ở cùng một phía của tụ điện và thường được gắn lên bảng mạch in. Loại này thường được sử dụng trong các mạch điện tử thông thường.
2. Tụ dẹt (Axial Capacitors): Tụ dẹt có hai chân ra ở hai đầu của tụ, giúp dễ dàng lắp đặt trong các mạch điện lớn hơn.

3.3. Phân loại theo ứng dụng

1. Tụ lọc (Filter Capacitors): Loại tụ này được sử dụng để lọc nhiễu trong các mạch điện, đặc biệt là mạch nguồn và mạch âm thanh.
2. Tụ ghép (Coupling Capacitors): Tụ ghép thường được sử dụng để truyền tín hiệu giữa hai phần của mạch mà không cho dòng điện một chiều đi qua.
3. Tụ bù (Power Factor Correction Capacitors): Tụ bù được sử dụng trong các hệ thống điện công nghiệp để cải thiện hệ số công suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.
4. Tụ khởi động (Start Capacitors): Tụ khởi động thường được sử dụng trong các động cơ điện xoay chiều để cung cấp một lượng năng lượng bổ sung khi khởi động động cơ.

3.4. Phân loại theo dung lượng và điện áp

1. Tụ điện có dung lượng nhỏ: Các tụ điện có dung lượng từ vài picofarad đến vài microfarad thường được sử dụng trong các mạch điện tử nhỏ.
2. Tụ điện có dung lượng lớn: Tụ có dung lượng lớn từ vài chục microfarad đến hàng ngàn microfarad thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và mạch điện nguồn.

4. Ứng dụng của tụ điện

Tụ điện có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm:

• Lọc nhiễu: Tụ điện giúp lọc nhiễu tần số cao trong các mạch điện tử, đặc biệt là trong các mạch nguồn và mạch xử lý tín hiệu.
• Lưu trữ năng lượng: Trong các mạch điện, tụ điện có thể lưu trữ một lượng năng lượng lớn điển hình như tụ Bus trong bộ lưu điện và giải phóng nó khi cần thiết. Các hư hỏng thường gặp của bộ lưu điện ups thường liên quan tới tụ điện
• Khởi động động cơ: Trong các động cơ xoay chiều, tụ điện được sử dụng để cung cấp năng lượng bổ sung khi khởi động, giúp động cơ quay mạnh mẽ và ổn định hơn.
• Cải thiện hệ số công suất: Trong các hệ thống điện công nghiệp, tụ điện bù được sử dụng để cải thiện hệ số công suất, giúp giảm tổn thất điện năng và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.

5. Tổng kết

Tụ điện là gì thông qua những chia sẻ trên, có thể hiểu tụ điện là một linh kiện điện tử không thể thiếu trong các mạch điện tử và hệ thống điện công nghiệp. Với khả năng lưu trữ năng lượng và lọc nhiễu, tụ điện đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định của các thiết bị điện tử và hệ thống điện. Việc hiểu rõ cấu tạo, phân loại và ứng dụng của tụ điện sẽ giúp chúng ta áp dụng chúng một cách hiệu quả hơn trong thực tiễn.