Tụ điện là gì? Ký hiệu, phân loại và cách tính tụ điện
1. Tụ điện là gì?
2. Ký hiệu tụ điện trên các sơ đồ mạch
3. Các loại tụ điện
4. Nguyên lý hoạt động của Tụ điện
5. Cách đọc giá trị của tụ điện
6. Công thức tính điện dung
7. Ứng dụng của tụ điện
1. Tụ điện là gì?
Tụ điện ( tiếng anh là capacitor) là một thiết bị phổ biến trong các mạch điện, được cấu tạo với 2 bản cực song song, có khả năng cách điện 1 chiệu nhưng có thể cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nhờ vào nguyên lý phóng và nạp.
Tụ điện là một linh kiện điện tử được đặc trưng bởi khả năng lưu trữ điện tích.
Tụ điện ( C ) có đơn vị tính là F ( Fara ), thông thường giá trị của tụ điện rất nhỏ nên sẽ tính theo các đơn vị như: micro fara (μF), nano Fara (nF) hay picro Fara (pF).
1F = 10^6 μF = 10^9 nF = 10^12 pF
Tính năng lớn nhất của tụ điện chính là dùng để bù điện áp cho các nguồn bị sụt áp hoặc là phần đồ thị của điện áp không cân bằng.
2. Ký hiệu tụ điện trên các sơ đồ mạch
3. Các loại tụ điện
Có một số loại tụ điện cho các ứng dụng và chức năng khác nhau. Có 4 dạng tụ điện chính:
• Tụ hóa (Tụ phân cực):
Giá trị âm dương có thể xem ở phần chân hoặc độ dài của chúng (chân dài là dương, còn chân ngắn là âm).
Tụ hóa có hai dạng là:
- Tụ hóa có chân tại hai đầu trụ tròn của tụ
- Tụ hóa có hai chân nối ra cùng một đầu trụ tròn
Trên thân tụ thường sẽ được ghi kèm giá trị điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được. Nếu mức điện áp lớn hơn so với giá trị điện áp trên tụ thì tụ khả năng cao sẽ bị phồng hoặc nổ. Trị số của tụ hóa được ghi trực tiếp trên thân, ví dụ 10µF, 100µF,…
Tụ hóa thường được sử dụng như thiết bị lọc trong các nguồn cung cấp năng lượng để giảm nhiễu điện áp. Ngoài ra, tụ hóa cũng được sử dụng để làm mịn tín hiệu đầu vào và đầu ra, sử dụng như một bộ lọc thông thấp nếu tín hiệu là tín hiệu một chiều.
• Tụ không phân cực (Tụ giấy, tụ gốm, tụ mica):
Đây là loại tụ điện không quy định cực tính âm hay dương, là loại tụ nhỏ, có hình dẹt và thông thường có điện dung nhỏ từ 0,47µF trở xuống..
Tụ điện không phân cực có thể được thay thế bởi tụ điện phân cực và có thể thoải mái lắp tụ mà không cần quan tâm đến cực của tụ điện.
Loại tụ điện này được sử dụng trong mạch tần số làm việc cao, làm mạch lọc nhiễu và trong các thiết bị dân dụng như tụ máy bơm, tụ motor, tụ bù pha lưới điện,…
• Tụ xoay (Tụ điện biến đổi):
Đây là loại tụ điện có thể xoay để biến đổi giá trị điện dung. Tụ này thông thường sẽ được lắp đặt trong radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi thực hiện việc dò đài.
Tụ xoay có giá trị rất nhỏ, chỉ từ 100pF đến 500pF.
Có một số loại tụ điện cho các ứng dụng và chức năng khác nhau. Có 4 dạng tụ điện chính:
• Tụ hóa (Tụ phân cực):
Giá trị âm dương có thể xem ở phần chân hoặc độ dài của chúng (chân dài là dương, còn chân ngắn là âm).
Tụ hóa có hai dạng là:
- Tụ hóa có chân tại hai đầu trụ tròn của tụ
- Tụ hóa có hai chân nối ra cùng một đầu trụ tròn
Trên thân tụ thường sẽ được ghi kèm giá trị điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được. Nếu mức điện áp lớn hơn so với giá trị điện áp trên tụ thì tụ khả năng cao sẽ bị phồng hoặc nổ. Trị số của tụ hóa được ghi trực tiếp trên thân, ví dụ 10µF, 100µF,…
Tụ hóa thường được sử dụng như thiết bị lọc trong các nguồn cung cấp năng lượng để giảm nhiễu điện áp. Ngoài ra, tụ hóa cũng được sử dụng để làm mịn tín hiệu đầu vào và đầu ra, sử dụng như một bộ lọc thông thấp nếu tín hiệu là tín hiệu một chiều.
• Tụ không phân cực (Tụ giấy, tụ gốm, tụ mica):
Đây là loại tụ điện không quy định cực tính âm hay dương, là loại tụ nhỏ, có hình dẹt và thông thường có điện dung nhỏ từ 0,47µF trở xuống..
Tụ điện không phân cực có thể được thay thế bởi tụ điện phân cực và có thể thoải mái lắp tụ mà không cần quan tâm đến cực của tụ điện.
Loại tụ điện này được sử dụng trong mạch tần số làm việc cao, làm mạch lọc nhiễu và trong các thiết bị dân dụng như tụ máy bơm, tụ motor, tụ bù pha lưới điện,…
• Tụ xoay (Tụ điện biến đổi):
Đây là loại tụ điện có thể xoay để biến đổi giá trị điện dung. Tụ này thông thường sẽ được lắp đặt trong radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi thực hiện việc dò đài.
Tụ xoay có giá trị rất nhỏ, chỉ từ 100pF đến 500pF.
• Tụ Lithium-ion:
Tụ Lithium-ion là dòng tụ thường thấy trong các dòng pin Li-ion dùng cho các máy cầm tay. Tụ cung cấp năng lượng cao giúp tích điện 1 chiều.
Tụ Lithium-ion là dòng tụ thường thấy trong các dòng pin Li-ion dùng cho các máy cầm tay. Tụ cung cấp năng lượng cao giúp tích điện 1 chiều.
4. Nguyên lý hoạt động của Tụ điện
• Điện 1 chiều – DC
Ban đầu, Tụ điện sẽ ở trạng thái phóng điện nghĩa là sẽ không có điện tích trên các bản cực của nó. Khi điện áp một chiều được đặt trên các cực của nó, dòng điện sẽ chạy và sạc nó. Lưu lượng ban đầu của dòng Sạc này qua Tụ sẽ rất cao. Điều này dẫn đến điện tích Dương tích tụ trên một tấm và Điện tích âm trên một tấm khác. Khi điện tích trên các tấm Tụ điện tăng lên, dòng điện sạc giảm dần do tích tụ điện tích trên các tấm của nó và nó chống lại dòng điện. Ngoài ra, điện tích tích tụ trên các bản sẽ tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa các bản.
Dòng điện sạc tiếp tục sạc Tụ điện cho đến khi điện áp phát triển bằng với điện áp đặt trên nó. Tại thời điểm này, dòng sạc ngừng chạy do điện áp được tạo ra trên Tụ điện. Trong trường hợp này, Tụ điện được sạc đầy với điện tích Dương ở một bản và điện tích Âm tương đương tồn tại ở một bản khác. Điện áp phát triển trên Tụ điện thường được ký hiệu là Vc. Tụ điện sẽ giữ điện áp Vc này cho đến khi tồn tại điện áp trên nó. Khi điện áp được cung cấp dừng lại, dòng xả từ Tụ điện bắt đầu chảy. Tại thời điểm này, điện áp Vc bắt đầu giảm và điện tích tích lũy trên các tấm của nó giảm.
Dòng xả chậm lại sau một thời điểm tại thời điểm này, tốc độ giảm điện áp cũng chậm lại. Sau một thời gian, Điện áp Vc của tụ điện sẽ bằng không và điện tích tích lũy trên các bản của nó sẽ bằng không. Trạng thái này được cho là trạng thái xả của Tụ điện. Bây giờ bạn có thể thấy lý do tại sao chúng tôi so sánh Tụ điện với pin.
• Điện xoay chiều – AC
Tụ điện hoạt động khác đi khi được cung cấp điện áp xoay chiều. Khi áp dụng điện áp DC, Tụ điện chỉ sạc theo một hướng. Tuy nhiên, khi điện áp AC được áp dụng, Tụ điện sẽ sạc và xả luân phiên tùy thuộc vào tần số của nó. Và do đó, với điện áp xoay chiều, tụ điện sẽ tiếp tục cho phép dòng điện chạy qua nó vô thời hạn không giống như điện áp DC khi Tụ điện chặn dòng điện sau một khoảng thời gian. Điều thú vị ở đây là dòng nạp và dòng xả qua Tụ khi chịu điện áp xoay chiều phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp đặt trên các bản cực của nó. Dòng điện chạy trong Tụ điện khi được đặt xoay chiều có xu hướng dẫn điện áp đi 90°. Hãy nhìn vào biểu đồ dưới đây.
• Điện 1 chiều – DC
Ban đầu, Tụ điện sẽ ở trạng thái phóng điện nghĩa là sẽ không có điện tích trên các bản cực của nó. Khi điện áp một chiều được đặt trên các cực của nó, dòng điện sẽ chạy và sạc nó. Lưu lượng ban đầu của dòng Sạc này qua Tụ sẽ rất cao. Điều này dẫn đến điện tích Dương tích tụ trên một tấm và Điện tích âm trên một tấm khác. Khi điện tích trên các tấm Tụ điện tăng lên, dòng điện sạc giảm dần do tích tụ điện tích trên các tấm của nó và nó chống lại dòng điện. Ngoài ra, điện tích tích tụ trên các bản sẽ tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa các bản.
Dòng điện sạc tiếp tục sạc Tụ điện cho đến khi điện áp phát triển bằng với điện áp đặt trên nó. Tại thời điểm này, dòng sạc ngừng chạy do điện áp được tạo ra trên Tụ điện. Trong trường hợp này, Tụ điện được sạc đầy với điện tích Dương ở một bản và điện tích Âm tương đương tồn tại ở một bản khác. Điện áp phát triển trên Tụ điện thường được ký hiệu là Vc. Tụ điện sẽ giữ điện áp Vc này cho đến khi tồn tại điện áp trên nó. Khi điện áp được cung cấp dừng lại, dòng xả từ Tụ điện bắt đầu chảy. Tại thời điểm này, điện áp Vc bắt đầu giảm và điện tích tích lũy trên các tấm của nó giảm.
Dòng xả chậm lại sau một thời điểm tại thời điểm này, tốc độ giảm điện áp cũng chậm lại. Sau một thời gian, Điện áp Vc của tụ điện sẽ bằng không và điện tích tích lũy trên các bản của nó sẽ bằng không. Trạng thái này được cho là trạng thái xả của Tụ điện. Bây giờ bạn có thể thấy lý do tại sao chúng tôi so sánh Tụ điện với pin.
• Điện xoay chiều – AC
Tụ điện hoạt động khác đi khi được cung cấp điện áp xoay chiều. Khi áp dụng điện áp DC, Tụ điện chỉ sạc theo một hướng. Tuy nhiên, khi điện áp AC được áp dụng, Tụ điện sẽ sạc và xả luân phiên tùy thuộc vào tần số của nó. Và do đó, với điện áp xoay chiều, tụ điện sẽ tiếp tục cho phép dòng điện chạy qua nó vô thời hạn không giống như điện áp DC khi Tụ điện chặn dòng điện sau một khoảng thời gian. Điều thú vị ở đây là dòng nạp và dòng xả qua Tụ khi chịu điện áp xoay chiều phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp đặt trên các bản cực của nó. Dòng điện chạy trong Tụ điện khi được đặt xoay chiều có xu hướng dẫn điện áp đi 90°. Hãy nhìn vào biểu đồ dưới đây.
Xem xét điện áp xoay chiều được đặt trên một Tụ điện, điện áp ban đầu sẽ ở mức tối thiểu và tại thời điểm này, dòng sạc tức thời sẽ ở mức tối đa như bạn có thể thấy trong biểu đồ trên. Khi điện áp đạt đến giá trị cực đại, dòng sạc sẽ bằng không.
Sau khi đạt đến giá trị cực đại, điện áp sẽ bắt đầu giảm và dòng xả cũng bắt đầu chảy từ Tụ điện. Khi điện áp xoay chiều đạt đến điện áp Zero, hoàn thành nửa chu kỳ dương của tín hiệu, dòng xả sẽ ở mức tối đa. Khi tín hiệu bắt đầu với chu kỳ âm, dòng phóng điện bắt đầu giảm dần và đạt đến 0 khi điện áp đạt cực đại trong nửa chu kỳ âm. Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng Dòng điện dẫn trước Điện áp 90′ hoặc Điện áp trễ Dòng điện 90° trong mạch điện xoay chiều. Điều này thường được mô tả là Điện áp và Dòng điện lệch pha.
Sau khi đạt đến giá trị cực đại, điện áp sẽ bắt đầu giảm và dòng xả cũng bắt đầu chảy từ Tụ điện. Khi điện áp xoay chiều đạt đến điện áp Zero, hoàn thành nửa chu kỳ dương của tín hiệu, dòng xả sẽ ở mức tối đa. Khi tín hiệu bắt đầu với chu kỳ âm, dòng phóng điện bắt đầu giảm dần và đạt đến 0 khi điện áp đạt cực đại trong nửa chu kỳ âm. Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng Dòng điện dẫn trước Điện áp 90′ hoặc Điện áp trễ Dòng điện 90° trong mạch điện xoay chiều. Điều này thường được mô tả là Điện áp và Dòng điện lệch pha.
5. Cách đọc giá trị của tụ điện
>>> Với tụ hóa; Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên thân tụ
>>> Với tụ giấy, tụ gốm: Tụ giấy và tụ gốm có trị số ghi bằng ký hiệu
Cách đọc trị số tụ : Lấy hai chữ số đầu nhân với 10 (Mũ số thứ 3 )
Ví dụ tụ gốm bên phải hình ảnh trên ghi 474K nghĩa là
Giá trị = 47 x 104 = 470000p ( Lấy đơn vị là picô Fara)
= 470 n Fara = 0,47 µF
Chữ K hoặc J ở cuối là chỉ sai số 5% hay 10% của tụ điện.
6. Công thức tính điện dung
Điện dung của tụ điện:
C=Q/U
Trong đó:
C: Điện dung của tụ đo bằng đơn vị fara (F).
U: Hiệu điện thế (V)
Q: Điện tích (C)
>>> Với tụ hóa; Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên thân tụ
>>> Với tụ giấy, tụ gốm: Tụ giấy và tụ gốm có trị số ghi bằng ký hiệu
Cách đọc trị số tụ : Lấy hai chữ số đầu nhân với 10 (Mũ số thứ 3 )
Ví dụ tụ gốm bên phải hình ảnh trên ghi 474K nghĩa là
Giá trị = 47 x 104 = 470000p ( Lấy đơn vị là picô Fara)
= 470 n Fara = 0,47 µF
Chữ K hoặc J ở cuối là chỉ sai số 5% hay 10% của tụ điện.
6. Công thức tính điện dung
Điện dung của tụ điện:
C=Q/U
Trong đó:
C: Điện dung của tụ đo bằng đơn vị fara (F).
U: Hiệu điện thế (V)
Q: Điện tích (C)
• Tụ điện ghép nối tiếp
Q = Q1 = Q2 = ... = Qn
UAB = U1 + U2 + ... + Un
1/C = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn
Q = Q1 = Q2 = ... = Qn
UAB = U1 + U2 + ... + Un
1/C = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn
• Tụ điện ghép song song
Q + Q1 + Q2 + ... + Qn
UAB = U1 = U2 = ... = Un
C = C1 + C2 + ... + Cn
Q + Q1 + Q2 + ... + Qn
UAB = U1 = U2 = ... = Un
C = C1 + C2 + ... + Cn
• Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng:
Trong đó:
+ S: Diện tích đối diện giữa 2 bản (m2)
+ d: Khoảng cách hai bản tụ (m)
+ ε: Hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản tụ
+ S: Diện tích đối diện giữa 2 bản (m2)
+ d: Khoảng cách hai bản tụ (m)
+ ε: Hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản tụ
7. Ứng dụng của tụ điện
Làm nguồn cấp tức thời cho các linh kiện
Khả năng lưu trữ dòng điện được ứng dụng nhiều nhất, với tốc độ nạp/xả nhanh giúp cung cấp điện cho các khối 1 cách tức thời. Trong các mạch nhúng tụ điện thường được sử dụng để cung cấp đủ điện áp cho từng khối ( tụ decoupling - hoạt động như một loại bình chứa năng lượng)
Làm nguồn cấp tức thời cho các linh kiện
Khả năng lưu trữ dòng điện được ứng dụng nhiều nhất, với tốc độ nạp/xả nhanh giúp cung cấp điện cho các khối 1 cách tức thời. Trong các mạch nhúng tụ điện thường được sử dụng để cung cấp đủ điện áp cho từng khối ( tụ decoupling - hoạt động như một loại bình chứa năng lượng)
Lọc nguồn, ổn áp
Tụ điện là linh kiện không thể thiếu trong các mạch nguồn, đặc biệt trong các bộ amply phát nhạc, luôn phải sử dụng rất nhiều tụ hóa có điện dung lớn để cung cấp cho khối công suất.
Tụ điện là linh kiện không thể thiếu trong các mạch nguồn, đặc biệt trong các bộ amply phát nhạc, luôn phải sử dụng rất nhiều tụ hóa có điện dung lớn để cung cấp cho khối công suất.
Đặc tính nạp xả sẽ bù lại phần năng lượng tiêu hao khi mạch hoạt động, hoặc sử dụng trong các mạch chỉnh lưu AC – DC dùng diode cầu
Tụ điện có đặc tính ngăn cản dòng điện 1 chiều đi qua và cho dòng xoay chiều đi qua. Tần số càng cao thì dung kháng càng nhỏ. Vì vậy chúng thường được sử dụng trong các mạch nguồn, có tác dụng lọc điện áp cao tần hay các xung kim.
Tụ điện có đặc tính ngăn cản dòng điện 1 chiều đi qua và cho dòng xoay chiều đi qua. Tần số càng cao thì dung kháng càng nhỏ. Vì vậy chúng thường được sử dụng trong các mạch nguồn, có tác dụng lọc điện áp cao tần hay các xung kim.
Nối tầng khuếch đại
Đặc tính ngăn điện áp 1 chiều còn có ứng dụng trong việc nối tầng khuếch đại trong các mạch Amply. Chỉ cho tính hiệu xoay chiều (âm thanh) đi qua, cản lại hết các tác nhân 1 chiều (sẽ làm cho loa bị ù, rè).
Đặc tính ngăn điện áp 1 chiều còn có ứng dụng trong việc nối tầng khuếch đại trong các mạch Amply. Chỉ cho tính hiệu xoay chiều (âm thanh) đi qua, cản lại hết các tác nhân 1 chiều (sẽ làm cho loa bị ù, rè).
