Tụ điện là gì? Tìm hiểu cấu tạo, phân loại, công dụng và nguyên lý hoạt động

Tụ điện là gì?

Tụ điện là một linh kiện điện tử không thể thiếu trong hầu hết các mạch điện, có chức năng lưu trữ năng lượng điện dưới dạng điện trường. Tuy có cấu tạo đơn giản, nhưng tụ điện lại mang đến những ứng dụng quan trọng trong các hệ thống điện và điện tử, như lọc, ổn định điện áp và điều chỉnh tần số.

Cấu tạo của tụ điện.

Tụ điện cơ bản gồm hai điện cực (hay còn gọi là bản dẫn) được cách ly bởi một chất điện môi. Khi có điện áp được cấp vào hai đầu của thiết bị này, điện tích sẽ được tích tụ trên hai bản dẫn, tạo ra một trường điện trong chất điện môi.

Dung lượng của capacitor là đại lượng đo lường khả năng lưu trữ điện tích của nó khi có điện áp được cấp vào. Dung lượng của linh kiện này phụ thuộc vào diện tích của bản dẫn, khoảng cách giữa hai bản dẫn và loại chất điện môi.

Các loại tụ điện.

Tụ điện gốm

Đây là loại tụ điện sử dụng chất điện môi bằng gốm, thường có hình dạng tròn hoặc dẹt, với điện dung nhỏ, dao động từ vài picofarad (pF) đến vài nanofarad (nF). Tụ điện gốm nổi bật với độ ổn định cao, tổn hao điện năng thấp và khả năng chịu nhiệt tốt. Nhờ những đặc tính này, chúng thường được sử dụng trong các mạch cao tần, mạch dao động và mạch lọc nhiễu.

Tụ điện giấy

Đây là loại tụ điện sử dụng giấy làm chất điện môi, với bản cực thường là các lá nhôm hoặc thiếc. Tụ điện giấy có hình dạng trụ hoặc dạng hộp, sở hữu điện dung tương đối lớn, từ vài nanofarad (nF) đến vài microfarad (µF). Tuy nhiên, loại tụ này có độ bền không cao, tổn hao lớn và khả năng chịu nhiệt kém. Vì vậy, tụ giấy thường được dùng trong các mạch điện áp thấp, mạch lọc nguồn và mạch khuếch đại.

Tụ điện mica

Đây là loại tụ điện sử dụng mica làm chất điện môi, với bản cực là các lá bạc hoặc nhôm. Tụ thường có hình dạng dẹt hoặc trụ, sở hữu điện dung nhỏ trong khoảng từ vài picofarad (pF) đến vài nanofarad (nF). Tụ điện mica nổi bật với độ ổn định cao, tổn hao thấp và khả năng chịu nhiệt tốt. Nhờ những ưu điểm này, chúng thường được ứng dụng trong các mạch cao tần, mạch dao động và mạch lọc nhiễu.

Tụ điện hóa

Đây là loại tụ điện sử dụng dung dịch hóa học làm chất điện môi, với bản cực là các lá nhôm hoặc tantal. Tụ thường có hình dạng trụ, sở hữu điện dung lớn, dao động từ vài microfarad (µF) đến vài millifarad (mF). Tuy nhiên, tụ hóa có độ bền không cao, tổn hao lớn và khả năng chịu nhiệt kém. Vì vậy, loại tụ này thường được sử dụng trong các mạch điện áp thấp, mạch lọc nguồn và mạch bù công suất.

Tụ điện siêu hóa

Đây là loại tụ điện sử dụng các chất bán dẫn làm chất điện môi, với bản cực là các lá sắt hoặc carbon. Tụ thường có hình dạng trụ hoặc dạng hộp, sở hữu điện dung rất lớn, từ vài farad (F) đến vài trăm farad. Tụ điện siêu hóa (hay còn gọi là siêu tụ) có độ bền cao, tổn hao thấp và khả năng chịu nhiệt tốt. Nhờ những đặc tính này, chúng thường được sử dụng trong các mạch điện áp thấp, mạch lưu trữ năng lượng và mạch khởi động động cơ.

Công dụng của tụ điện

• Lọc nhiễu: Tụ điện có thể được mắc song song với nguồn điện để loại bỏ các tín hiệu nhiễu có tần số cao, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu đầu ra và đảm bảo hoạt động ổn định cho mạch điện.
• Cân bằng điện áp: Tụ điện có thể được kết nối song song với tải để cung cấp hoặc hấp thụ điện tích khi điện áp thay đổi, từ đó giúp duy trì điện áp ổn định và đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định cho thiết bị tải.
• Tạo dao động: Tụ điện khi được kết nối nối tiếp với cuộn cảm sẽ tạo thành mạch dao động LC, cho phép tạo ra các tín hiệu dao động với tần số xác định. Loại mạch này thường được sử dụng trong các bộ tạo sóng, mạch radio và thiết bị thu phát tín hiệu.
• Bộ ghép mạch: Tụ điện có thể được mắc nối tiếp với một mạch điện tử để truyền tín hiệu xoay chiều (AC) mà không làm thay đổi điện áp một chiều (DC) của mạch. Cách ghép nối này giúp liên kết các mạch có mức điện áp DC khác nhau mà vẫn đảm bảo tín hiệu AC được truyền qua hiệu quả.
• Bộ lọc: Tụ điện có thể kết hợp với các linh kiện khác như điện trở và cuộn cảm để tạo thành các bộ lọc (filter), có khả năng chọn lọc tín hiệu theo tần số. Nhờ đó, mạch có thể loại bỏ những tín hiệu không mong muốn hoặc tăng cường các tín hiệu cần thiết, tùy theo mục đích thiết kế như lọc thấp, lọc cao, lọc dải thông hoặc lọc dải chắn.

Nguyên lý hoạt động của tụ điện

Nguyên lý hoạt động của tụ điện dựa trên sự chênh lệch điện thế giữa hai bản cực, làm cho các điện tích trái dấu tích tụ trên hai mặt của tụ. Khi có dòng điện xoay chiều đi qua, tụ điện sẽ liên tục thực hiện quá trình nạp và xả điện, từ đó tạo ra dòng điện trong mạch. Trong quá trình nạp, tụ điện hấp thụ một phần năng lượng để tạo ra điện trường giữa hai bản cực; khi xả, nó sẽ giải phóng phần năng lượng đã lưu trữ.

Lượng điện năng mà tụ điện có thể lưu trữ phụ thuộc vào hai yếu tố chính: điện dung và điện thế. Điện dung là đại lượng thể hiện khả năng tích trữ điện năng của tụ, được xác định theo công thức C = Q/V, trong đó C là điện dung, Q là điện tích tích tụ trên mỗi bản cực và V là điện thế giữa hai bản cực. Còn điện thế là đại lượng biểu thị mức độ chênh lệch điện tích giữa hai bản cực, được tính bằng công thức V = W/Q, trong đó W là công của dòng điện dùng để nạp tụ và Q là điện tích tích tụ.