Tụ điện Là Gì? Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt động Và điện áp Làm Việc Của Tụ

Tụ điện là gì? (What is capacitor?) là một trong những loại linh kiện thụ động đơn giản có thể lưu trữ được điện tích trên các bản cực của chúng khi được kết nối với nguồn điện. Vậy cấu tạo, nguyên lý hoạt động và một số ứng dụng của tụ điện là gì? Hãy cùng chúng tôi đi tìm hiểu thêm thông tin trong bài viết này. 

Tụ điện là gì? (What is capacitor?)

Tụ điện là một trong những linh kiện điện tử thụ động, có cấu tạo bởi 2 bản cực được đặt song song nhau và được ngăn bởi một lớp điện môi. Tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng dưới dạng điện tích trên các bản cực của nó, một tấm tích lũy điện tích (+), tấm bên kia tích lũy điện tích (-) giống như một pin sạc nhỏ. 

Có rất nhiều loại tụ điện khác nhau, từ những tụ điện công suất nhỏ được sử dụng trong các mạch cộng hưởng, cho đến các tụ điện hiệu chỉnh công suất lớn nhưng tất cả đều có chung một nhiệm vụ là lưu trữ điện tích. 

Điện dung của tụ điện là lượng điện tích được lưu trữ trong điện áp 1V và đơn vị điện dung được đo bằng Farad (F). 

Đơn vị điện dung tiêu chuẩn: 

• Microfarad (μF)    1μF = 1 / 1.000.000 = 0,000001 = 10 -6 F
• Nanofarad (nF)    1nF = 1 / 1.000.000.000 = 0,000000001 = 10-9 F
• Picofarad (pF)    1pF = 1 / 1.000.000.000.000 = 0,000000000001 = 10-12 F

Cấu tạo và các loại tụ phổ biến

Tụ điện thông thường có cấu tạo gồm 2 tấm kim loại được đặt song song nhau và giữa chúng được ngăn cách bởi một lớp điện môi được làm bằng giấy sáp, mica, gốm, nhựa hoặc cũng có thể là một số dạng gel mỏng.

Các lớp điện môi này không dẫn điện và làm tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện. Tùy vào các lớp cách điện của các tụ điện giữa 2 bản cực mà các loại tụ sẽ được phân loại khác nhau. 

Các loại tụ thường được sử dụng đó là: 

• Tụ hóa: Đây là một loại tụ điện có phân cực (+) và (-) và thường được làm với hình dạng là hình trụ. Trên thân sẽ được dán nhãn thông số giá trị điện dung, điện áp làm việc tối đa và ký hiệu phân cực. 
• Tụ giấy, tụ mica và tụ gốm: Là tụ không phân biệt (+) và (-) và thường có hình dẹp. Thông số được dán trên thân của tụ, điện dung của những loại tụ này thường khá nhỏ. 
• Tụ xoay: Đây là một trong những loại tụ điện có thể thay đổi được giá trị điện dung. 
• Tụ Lithium Ion: Tụ này có năng lượng cực cao dùng để tích điện 1 chiều. 

Nguyên lý hoạt động của tụ điện

Khi được sử dụng dòng điện một chiều DC, tụ điện sẽ tích điện đến điện áp cung cấp của nó nhưng chặn dòng điện đi qua nó vì điện môi của tụ điện không dẫn điện và về cơ bản, điện môi là một chất cách điện. Tuy nhiên, khi một tụ điện được kết nối với một dòng điện xoay chiều AC hoặc mạch xoay chiều, dòng chảy của dòng điện dường như truyền thẳng qua tụ điện với rất ít hoặc không có điện trở.

Có hai loại điện tích, điện tích (+) dưới dạng Proton và điện tích (-) dưới dạng Electron. Khi một điện áp DC được đặt trên một tụ điện, điện tích dương (+ Ve) sẽ nhanh chóng tích tụ trên một tấm trong khi một điện tích âm (-Ve) tương ứng và ngược lại tích lũy trên tấm kia. 

Sau đó, các tấm vẫn tích điện trung tính và một sự khác biệt do điện tích được thiết lập giữa hai tấm. Khi tụ điện đạt trạng thái ổn định, dòng điện không thể chạy qua tụ điện và xung quanh mạch do đặc tính cách điện của chất điện môi được sử dụng để tách các bản cực.

Dòng chảy của các electron vào các tấm được gọi là tụ sạc hiện tại mà vẫn tiếp tục chảy cho đến khi điện áp trên cả hai tấm bằng với điện áp đặt Vc . Tại thời điểm này, tụ điện được cho là đã tích điện đầy đủ với các electron.

Tụ điện có khả năng tích trữ năng lượng điện bằng các lưu chữ các Electron trên các bản cực của tụ và nó có thể phòng các điện tích này để tạo thành dòng điện. Đây được biết đến là tính chất phóng nạp của tụ, nhờ tính chất này mà tụ cho phép dòng điện xoay chiều đi qua. 

Đánh giá điện áp làm việc của một tụ điện

Tất cả các tụ điện đều có một điện áp làm việc tối đa và khi bạn thực hiện chọn một tụ điện bạn phải tính toán và đưa ra được điện áp đặt lên tụ. Lượng điện áp tối đã có thể áp dụng cho tụ điện mà không làm hỏng vật liệu điện môi thường được đưa ra trong bảng dữ liệu như: WV , (điện áp làm việc) hoặc như WV DC , (điện áp làm việc DC).

Trong trường hợp, điện áp đặt lên tụ quá lớn chất điện môi lúc này sẽ bị phá hỏng và sự phát điện giữa các bản cực sẽ xảy ra dẫn đến tình trạng ngắn mạch. Điện áp làm việc của một tụ điện thường phụ thuộc vào loại vật liệu điện môi được sử dụng và độ dày của nó. 

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến hoạt động của tụ điện là Rò rỉ điện môi . Rò rỉ điện môi xảy ra trong tụ điện là kết quả của một dòng rò không mong muốn chạy qua vật liệu điện môi.

Thông thường, người ta cho rằng điện trở của điện môi giữa 2 bản cực của tụ điện là cực kỳ cao và là một chất cách điện tốt ngăn chặn dòng điện một chiều qua tụ điện. 

Tuy nhiên, nếu vật liệu điện môi bị hỏng do điện áp quá cao hoặc nhiệt độ lớn, dòng rò qua chất điện môi sẽ rất lớn dẫn đến việc mất điện tích nhanh chóng trên các tấm và quá nhiệt của tụ điện dẫn đến tụ sớm bị hỏng.

Trên đây là một số thông tin tụ điện là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và điện áp làm việc của tụ mà bạn có thể tham khảo. Hy vọng, với những thông tin trên có thể giúp ích cho bạn trong quá trình học tập và làm việc.