Tụ điện

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động, gồm hai bề mặt dẫn điện được phân cách bởi một lớp cách điện. Khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai bề mặt, điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu sẽ xuất hiện trên các bề mặt.

Sự tích tụ điện tích trên hai bề mặt của tụ điện cho phép nó lưu trữ năng lượng điện trường. Trong mạch điện xoay chiều, khi điện thế giữa hai bề mặt thay đổi, điện tích tích tụ có độ trễ so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch xoay chiều.

Về khả năng lưu trữ năng lượng, tụ điện tương tự như ắc quy, tuy nhiên cách hoạt động của chúng khác biệt. Cả hai đều có chức năng lưu trữ năng lượng điện, nhưng ắc quy sử dụng phản ứng hóa học để tạo ra và chuyển electron giữa hai cực. Trong khi đó, tụ điện chỉ lưu trữ electron mà không tạo ra chúng, và có khả năng nạp và xả rất nhanh, điều này mang lại lợi thế so với ắc quy.

Lịch sử

Vào tháng 10 năm 1745, nhà vật lý học Ewald Georg von Kleist ở Pomerania, Đức, đã phát hiện ra khả năng lưu trữ điện tích bằng cách kết nối một máy phát tĩnh điện cao áp với một đoạn dây qua một bình thủy tinh chứa nước. Tay của Von Kleist và nước đóng vai trò là chất dẫn điện, trong khi bình thủy tinh giữ vai trò cách điện (dù các chi tiết lúc đó chưa được xác minh đầy đủ). Khi chạm tay vào dây dẫn, ông đã chứng kiến một tia lửa điện lớn và cảm thấy cơn đau mạnh mẽ, hơn cả khi chạm vào máy phát tĩnh điện. Một năm sau, nhà vật lý người Hà Lan Pieter van Musschenbroek ở đại học Leiden đã phát minh ra một bình tích điện tương tự, được gọi là bình Leyden.

Sau đó, Daniel Gralath là người đầu tiên kết nối nhiều bình tích điện theo cách song song để tạo thành một bộ 'pin' nhằm tăng khả năng lưu trữ. Benjamin Franklin đã nghiên cứu bình Leyden và kết luận rằng điện tích được lưu trữ trên bề mặt bình thủy tinh, chứ không phải trong nước như trước đó được giả định. Từ đó, thuật ngữ 'battery' (hay còn gọi là 'pin' trong tiếng Việt) đã được chấp nhận. Sau đó, nước được thay thế bằng dung dịch hóa điện, và các bề mặt bên trong và bên ngoài của bình Leyden được phủ bằng lá kim loại, để lại một khoảng trống ở miệng bình nhằm ngăn tia lửa điện giữa các lá kim loại. Bình Leyden là loại bình tích điện đầu tiên với điện dung khoảng 1,11 nF (nano Farad).

Thông số cơ bản của tụ điện

Thông số cơ bản của tụ điện bao gồm điện dung danh định, điện áp và nhiệt độ làm việc tối đa.

Ngoài các tham số chi tiết cần thiết cho việc thiết kế và bảo trì thiết bị chính xác, còn có các thông số như hệ số thay đổi điện dung theo nhiệt độ, độ ổn định điện dung theo thời gian, độ rò rỉ điện, dải tần số hoạt động, tổn hao điện môi, tiếng ồn,... và thường được nêu rõ trong Catalog của linh kiện.

Điện dung

Mọi vật liệu đều có khả năng tích điện, và khả năng này được đặc trưng bởi điện dung $C$, được xác định thông qua điện lượng theo công thức:

$C=\frac{Q}{U}$

Trong đó:

• C: điện dung, đơn vị đo là farad;
• Q: điện lượng, đo bằng coulomb, thể hiện độ lớn của điện tích tích tụ trên vật thể;
• U: điện áp, đo bằng vôn, biểu thị điện áp trên vật thể khi có điện tích.

Điện dung của tụ điện

Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích các bản cực, chất liệu cách điện và khoảng cách giữa hai bản cực, được tính bằng công thức:

$C=$ ε_rε₀.$\frac{S}{d}$

Trong đó:

• C: điện dung, đơn vị đo là farad [F];
• ε_r: Hằng số điện môi, còn gọi là điện thẩm tương đối so với chân không của lớp cách điện;
• ε₀: Hằng số điện thẩm (ε₀ ≈ 1 ÷ (9*10⁹π) ≈ 8.854187817 × 10^-12);
• d: Độ dày của lớp cách điện;
• S: Diện tích bề mặt bản cực của tụ điện.

Đơn vị của điện dung là Farad [F]. Vì Farad là đơn vị rất lớn, nên thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như micro Farad (1 µF = 10^-6 F), nano Farad (1 nF = 10^-9 F), pico Farad (1 pF = 10^-12 F).

Do sự lão hóa của vật liệu, nhiều loại tụ điện có thể giảm điện dung theo thời gian, đặc biệt là tụ hóa. Hiện tượng này thường dẫn đến sự suy giảm hiệu suất của mạch điện tử, gọi là tụ điện 'già cỗi'.

Điện áp hoạt động tối đa

Tụ điện có thông số điện áp hoạt động tối đa, được ghi rõ trên bề mặt của tụ nếu kích thước đủ lớn. Đây là mức điện áp tối đa mà tụ có thể chịu đựng trong điều kiện làm việc bình thường. Mặc dù điện áp tức thời có thể vượt qua một chút so với giá trị này, nhưng nếu vượt quá 200% giá trị định mức, lớp cách điện có thể bị phá hủy, dẫn đến hiện tượng chập tụ.

Trước đây, với chi phí sản xuất cao, tụ điện có nhiều mức điện áp khác nhau như 5V, 10V, 12V, 16V, 24V, 25V, 35V, 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V, 180V, 250V, 280V, 300V, 400V...

Ngày nay, các dây chuyền sản xuất lớn thường cung cấp ít mức điện áp hơn, bao gồm:

• Tụ hóa: 16V, 25V, 35V, 63V, 100V, 150V, 250V, 400V.
• Tụ khác: 63V, 250V, 630V, 1KV.
• Các tụ đặc biệt có điện áp cao hơn, như 1,5 kV, 4 kV, và tùy thuộc vào nhà sản xuất.

Khi thiết kế hoặc sửa chữa mạch, cần chọn tụ có điện áp hoạt động lớn hơn ít nhất 30% so với điện áp của mạch. Ví dụ, trong mạch lọc nguồn 12V, nên chọn tụ hóa với điện áp làm việc 16V thay vì tụ có điện áp đúng 12V.

Nhiệt độ hoạt động

Nhiệt độ hoạt động của tụ điện là nhiệt độ của khu vực nơi tụ điện được đặt khi mạch đang hoạt động. Tụ điện cần được chọn sao cho nhiệt độ làm việc tối đa cao hơn nhiệt độ này.

Thông thường, nhiệt độ hoạt động của tụ điện là tổng của nhiệt độ sinh ra từ việc tiêu tán điện năng trong mạch và nhiệt từ môi trường nếu nhiệt độ môi trường cao hơn nhiệt độ của tụ.

Các tụ có mức rò điện cao thường dẫn đến việc tiêu tán năng lượng thành nhiệt, làm cho nhiệt độ bên trong tụ cao hơn môi trường xung quanh. Hiện tượng này thường liên quan đến việc tụ bị nổ. Tụ hóa thường có rò điện ohmic, trong khi các tụ tần số cao thường gặp dòng điện xoáy.

Các loại tụ điện

Có rất nhiều loại khác nhau.

Tụ điện phân cực

Hầu hết các tụ hóa đều là tụ điện phân cực, có nghĩa là chúng có cực dương và cực âm xác định. Khi lắp đặt, cần phải kết nối đúng cực âm và cực dương.

• Đối với các tụ có kích thước lớn, cực âm thường được đánh dấu bằng dấu - trên một vạch màu sáng dọc theo thân tụ. Nếu tụ chưa cắt chân, chân dài hơn sẽ là cực dương.
• Các tụ nhỏ hơn hoặc tụ dành cho hàn dán SMD thường có dấu + ở cực dương để dễ nhận diện.

Trị số của tụ phân cực thường nằm trong khoảng từ 0,47μF đến 4.700μF, được sử dụng chủ yếu trong các mạch tần số thấp để lọc nguồn.

Tụ điện không phân cực

Tụ điện không phân cực không có sự phân biệt giữa cực dương và cực âm, như tụ giấy, tụ gốm, tụ mica,... Các tụ có điện dung dưới 1 μF thường được dùng trong các mạch tần số cao hoặc để lọc nhiễu. Trong khi đó, các tụ lớn hơn từ vài μF đến cỡ Fara được ứng dụng trong điện dân dụng như tụ cho quạt, mô tơ, hoặc tụ bù pha cho lưới điện.

Một số tụ hóa cũng được chế tạo dưới dạng không phân cực.

Tụ điện có khả năng điều chỉnh trị số

Tụ điện có khả năng điều chỉnh trị số, còn được gọi là tụ xoay do cấu tạo của nó, cho phép thay đổi giá trị điện dung. Loại tụ này thường được áp dụng trong kỹ thuật Radio để điều chỉnh tần số cộng hưởng khi dò đài hoặc kênh tần số.

Siêu tụ điện

Đây là các tụ với mật độ năng lượng rất cao (supercapacitor), như Tụ điện Li-ion (tụ LIC), tụ phân cực dùng để lưu trữ điện năng một chiều. Chúng có khả năng lưu trữ điện năng trong vài tháng và thường được dùng thay thế pin lưu dữ liệu trong các thiết bị điện tử.

Khả năng phóng nạp nhanh và tích trữ năng lượng lớn của tụ hứa hẹn ứng dụng trong lĩnh vực giao thông, chẳng hạn như thu hồi năng lượng từ hệ thống phanh, cung cấp năng lượng đột ngột cho ô tô điện, tàu điện, và tàu hoả nhanh.

Các loại tụ điện

• Tụ điện tích hợp
  • Tụ MIS: Tụ được sản xuất bằng công nghệ bán dẫn, bao gồm 3 lớp kim loại - điện môi - chất bán dẫn (metal-isolator-semiconductor), trong đó điện môi là polyme.
  • Tụ điện trench
• Tụ điện cố định
  • Tụ gốm (Ceramic): Tụ với điện môi làm từ gốm.
  • Tụ màng (film): Tụ với điện môi là màng nhựa plastic (plastic film).
  • Tụ mica: Tụ với điện môi làm từ mica (một loại khoáng chất tự nhiên, có thể bóc thành lớp mỏng. Khác với mica thường được gọi là tấm polyme). Tụ này có độ ổn định cao, tổn hao thấp, thường dùng trong mạch tần số cao.
  • Tụ hóa: Còn gọi là tụ điện điện phân (electrolytic capacitor), sử dụng chất điện phân để tạo lớp điện môi mỏng và đạt được điện dung cao.
    • Tụ hóa nhôm: Anode (+) làm từ nhôm.
    • Tụ hóa tantali: Anode (+) làm từ tantali.
    • Tụ hóa niobi: Anode (+) làm từ niobi.
    • Tụ polyme, tụ OS-CON: Sử dụng điện phân là polyme dẫn điện.
  • Siêu tụ điện (Supercapacitor, Electric double-layer capacitor - EDLS)
    • Siêu tụ điện Nanoionic: Chế tạo với công nghệ lớp kép nano để đạt mật độ điện dung cực cao.
    • Siêu tụ điện Li-ion (LIC): Chế tạo với công nghệ lớp kép lai để đạt mật độ điện dung siêu cao.
  • Tụ điện chân không: Điện môi là chân không.
• Tụ điện điều chỉnh: Tụ có thể thay đổi giá trị điện dung.
  • Tụ tuning: Tụ với khả năng thay đổi dải rộng, thường dùng trong mạch điều chỉnh tần số.
  • Tụ trim: Tụ với khả năng điều chỉnh dải hẹp, dùng để tinh chỉnh.
  • Tụ chân không điều chỉnh (đã lỗi thời).
• Tụ điện ứng dụng đặc biệt:
  • Tụ filter: Tụ lọc nhiễu, với một cực nối đất và một cực có dạng trụ với hai đầu nối.
  • Tụ motor: Tụ dùng để khởi động và tạo từ trường xoay cho động cơ.
  • Tụ photoflash: Tụ dùng cho đèn flash, cần khả năng phóng điện nhanh.
• Dãy tụ điện (network, array): Các tụ đã được kết nối sẵn thành mảng.
• Varicap: Diode bán dẫn hoạt động theo cơ chế thay đổi điện dung.

• Linh kiện điện tử

Liên kết ngoài

• Sách về điện tử trên Wikibooks
• Bài viết 'The First Condenser – A Beer Glass' từ SparkMuseum
• Hướng dẫn cách hoạt động của tụ điện – Howstuffworks
• Giới thiệu về tụ điện – CapSite
• Hướng dẫn về tụ điện
• Nhà sản xuất tụ điện với ESR thấp