Tổng hợp kiến thức về tụ điện – Điện tử căn bản

Tụ điện là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó ra sao? Đây là chắc hẳn là những câu hỏi mà bất cứ học viên theo học điện tử căn bản nào đều phải biết câu trả lời. 

Nếu bạn chưa chắc chắn câu trả lời cho những câu hỏi trên hay bạn muốn tìm hiểu thêm các kiến thức khác liên quan đến tụ điện thì hãy tham khảo ngay bài viết dưới đây.

1. Tụ điện là gì?

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động có cấu tạo từ hai bản cực nằm song song. Trong đó, môi trường bên trong của hai bản cực được gọi là điện môi. 

Ký hiệu của tụ điện là C (Viết tắt của chữ cái Tiếng Anh “Capacitor”). Đơn vị đo của tụ điện là điện dung (Farad – Fara – F). Trong thực tế giá trị 1F là rất lớn nên chúng ta thường chỉ bắt gặp các giá trị nhỏ hơn như Micro Fara (1µF = 10^-6 F), Nano Fara (1nF = 10^-9 F), PicoFara (1pF = 10^-12 F).

Tụ điện được biết đến nhiều nhất là khả năng lưu trữ năng lượng điện, lưu trữ điện tích hiệu quả mà không làm tiêu hao năng lượng điện. Ngoài ra, nó còn có thể đóng vai trò làm một điện trở đa năng, lọc điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều bằng phẳng bằng cách loại bỏ pha âm và nhiều công dụng hữu ích khác.

2. Điện dung của tụ điện

Công thức tính điện dung của tụ điện như sau:

C = ε_r ε_0* S/d

Trong đó:

C là điện dung, đơn vị là Fara (F).

ε_r là hằng số điện môi (Hay còn có tên gọi khác là điện thẩm tương đối (so với chân không) của lớp cách điện).

ε₀ là hằng số điện thẩm (0 ≈ 1÷(9*10⁹*4*π) ≈ 8.854187817*10^-12)

S là diện tích bản cực của tụ điện.

d là chiều dày của lớp cách điện.

Theo thời gian, điện dung của tụ điện sẽ giảm dần do sự lão hóa của các vật liệu. Từ đó khiến hoạt động của mạch điện tử bị sai lệch.

3. Cấu tạo của tụ điện

Cấu tạo của tụ điện rất đơn giản. Nó bao gồm chất điện môi cách điện nằm bên trong hai bản cực bằng kim loại. Tùy thuộc loại điện môi mà tên tụ được đặt tương ứng như: Tụ giấy, tụ gốm, tụ hóa… 

Ngoài ra, để hiểu rõ hơn về cấu tạo của tụ điện, chúng ta hãy cùng tham khảo hình ảnh dưới đây.

Khi nhìn vào một con tụ, chúng ta có thể thấy được mức điện áp cực đại được ghi ở đây. Điều đó có nghĩa là nếu con tụ phải nhận mức điện áp lớn hơn trị số này thì nó sẽ bị nổ.

4. Phân loại tụ điện

Có nhiều cách khác nhau để phân loại tụ điện. Trong bài viết này, Học viện iT.vn sẽ chia sẻ tới các bạn hai cách phân loại thông dụng nhất.

4.1 Phân loại theo tính chất lý hóa và ứng dụng

– Tụ điện phân cực: Đây là loại tụ điện có hai đầu âm (-) và dương (+) khác biệt nên chúng ta không thể mắc ngược tụ trong mạng điện DC nếu muốn nó hoạt động. Tụ điện phân cực thường là tụ hóa học và tụ tantalum.

– Tụ điện không phân cực: Trái ngược với tụ điện phân cực, tụ điện không phân cực không quy định cực tính nên ta có thể nối “thoải mái” tụ vào cả mạng AC lẫn DC.

– Tụ điện hạ (Thấp) áp và cao áp: Dựa vào mức điện áp làm việc mà ta có phân biệt “tương đối” này.

– Tụ lọc (Nguồn) và tụ liên lạc (Liên tầng): Một cách phân biệt “tương đối” khác là dựa vào mục tiêu sử dụng: Lọc và liên lạc.

– Tụ điện tĩnh và tụ điện động (Điều chỉnh được): Đa số tụ điện có một trị số điện dung nhất định nhưng cũng có các loại tụ điện cần điều chỉnh trị số cho phù hợp yêu cầu của mạch điện. Ví dụ như tụ điện trong mạch cộng hưởng hay dao động chẳng hạn.

4.2 Phân loại theo cấu tạo và dạng thức

– Tụ gốm (Tụ đất): Chúng được đặt với tên gọi như thế là do chúng cấu tạo bằng ceramic và bên ngoài được bọc keo hay nhuộm màu. Gốm điện môi thường dùng là COG, X7R, Z5U…

– Tụ gốm đa lớp: Là loại tụ gốm có nhiều lớp bản cực cách điện bằng gốm. Tụ này đáp ứng cao tần và điện áp cao hơn loại tụ gốm “thường” khoảng 4 – 5 lần.

– Tụ giấy: Là tụ điện có bản cực là các lá nhôm hoặc thiếc cách nhau bằng lớp giấy tẩm dầu cách điện làm dung môi.

– Tụ mica màng mỏng: Tụ có cấu tạo với các lớp điện môi là mica nhân tạo hay nhựa có cầu tạo màng mỏng (Thin film) như Mylar, Polycarbonate, Polyester, Polystyrene (Ổn định nhiệt 150 ppm/C).

– Tụ bạc – mica: Là loại tụ điện mica có bản cực bằng bạc và khá nặng. Điện dung từ vài pF đến vài nF, độ ồn nhiệt rất bé. Tụ này thường được sử dụng cho cao tần.

– Tụ hóa học: Là loại tụ giấy có dung môi hóa học đặc hiệu, từ đó tạo điện dung cao và thậm chí là rất cao cho tụ điện. Trường hợp bên ngoài tụ có vỏ nhôm bọc nhựa thì còn gọi là tụ nhôm.

– Tụ siêu hóa (Super Chemical Capacitance): Tụ này dùng dung môi đất hiếm, nặng hơn tụ nhôm hóa học và có trị số cực lớn (Có thể đến hàng Farad). Ngoài ra, tụ siêu hóa có thể dùng như một nguồn pin cấp cho vi xử lý hay các mạch đồng hồ (Clock) yêu cầu cấp điện liên tục.

– Tụ hóa sinh: Hay còn được gọi là “Siêu tụ điện”, nó có thể thay thế cho pin trong việc lưu trữ điện năng trong các thiết bị điện tử di động. Tụ hóa sinh sử dụng alginate có trong tảo biển nâu làm nền dung môi nên lượng điện tích trữ siêu lớn, chỉ giảm 15% sau mỗi chu kỳ 10.000 lần sạc.

– Tụ tantalum: Tụ tantalum có bản cực nhôm và dùng gel tantal làm dung môi. Tụ này có trị số rất lớn với thể tích nhỏ.

– Tụ vi chỉnh và tụ xoay: Bao gồm loại gốm, loại mica và loại kim loại.

5. Nguyên lý hoạt động của tụ điện

Để biết nguyên lý hoạt động của tụ điện, chúng ta hãy cùng tham khảo hình ảnh dưới đây.

Hiểu một cách đơn giản thì nguyên lý phóng nạp của tụ điện là khả năng tích trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng điện trường. 

Trong đó, nó có thể lưu trữ các electron và phóng nó ra để tạo dòng điện. Ta có thể hình dung tụ điện như một ắc quy “mini” vậy. Nhưng giữa tụ điện và ắc quy cũng có một điểm khác biệt rất lớn đó là tụ điện không có khả năng sinh ra các điện tích electron như ắc quy.

Nguyên lý phóng nạp được đề cập ở trên chính là tính chất đặc trưng và cũng là nguyên lý cơ bản của tất cả các hoạt động trong tụ điện. Nhờ tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều.

Một nguyên lý xả nạp tụ khá phổ biến đó là khi ta cắm nạp hoặc xả tụ dẫn đến điện áp của hai bản mạch thay đổi biến thiên theo thời gian sẽ rất dễ gây ra hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt. 

6. Cách đọc giá trị tụ điện

Tụ điện có kích thước nhỏ nên không gian sẽ bị hạn chế khi in thông tin lên đó. Hơn thế nữa, tụ điện lại có rất nhiều mã khác nhau nên chúng cũng có những cách đọc giá trị tụ điện tương ứng. Chính vì vậy, trong bài viết này Học viện iT.vn sẽ chia sẻ tới các bạn những cách đọc giá trị tụ điện phổ biến nhất.

6.1 Đối với tụ điện lớn

Đối với các tụ điện lớn, ta có những cách đọc như sau:

6.1.1 Đơn vị đo lường

Như đã đề cập ở trên, đơn vị đo lường cơ bản của điện dung là Fara (F). Thế nhưng giá trị này thường rất lớn so với các mạch thông thường nên chúng ta gần như chỉ sử dụng các đơn vị:

1 µF, uF (Microfarad) = 10^-6 farad.

1 mF (Millifarad) = 10^-3 farad.

1 nF (Nanofarad) = 10^-9 farad.

1 pF, mmF hoặc uuF (Picofarad) = 10^-12 farad.

6.2.2 Cách đọc giá trị tụ điện lớn

Hầu hết các loại tụ điện lớn đều ghi giá trị tụ điện trên bề mặt của tụ điện. Trong đó, cách đọc giá trị đó như sau:

– Chỉ đọc các giá trị số và bỏ qua các chữ cái viết hoa.

– Nếu bạn thấy chữ cái “fd” thì đó chính là viết tắt của đơn vị farad. Cho nên nếu bạn gặp “mfd” thì cũng có nghĩa là “mf”.

– Cẩn thận với các ký hiệu một chữ cái như “475m”, thường thấy trên các tụ điện nhỏ.

Lưu ý: Một số tụ có thể ghi điện dung sai hoặc ghi khoảng giá trị dự kiến của điện dung. Cho nên bạn cần lưu ý giá trị này nếu muốn xác định chính xác giá trị điện dung của tụ điện.

6.2.3 Giá trị điện áp có thể sử dụng

Nếu trên tụ điện vẫn còn đủ không gian trống thì nhà sản xuất sẽ ghi thêm một số thông tin về mức điện áp tối đa có thể sử dụng bằng một giá trị và số vài ký tự theo sau như V, VDC, VDCW, hoặc WV.

Trong đó:

1 kV = 1000 vôn.

2E = 250 vôn.

Đối với trường hợp bạn không thấy bất cứ thông số thêm nào thì hãy sử dụng tụ với mạch điện áp thấp.

Còn đối với trường hợp mạch xoay chiều thì tốt nhất bạn hãy sử dụng tụ có chữ VAC.

Chú ý: KHÔNG NÊN sử dụng tụ một chiều nếu bạn không có đủ kiến thức chuyên môn về chuyển đổi điện áp cũng như cách sử dụng tụ một chiều an toàn khi ứng dụng cho xoay chiều. 

6.2.4 Phân biệt cực trên tụ

Đối với các tụ phân cực thì bạn sẽ tìm thấy dấu (+) và dấu (-) ở gần chân tụ tương ứng cho một đầu là cực dương và đầu còn lại là cực âm. Nếu bạn không thấy các dấu này thì chúng ta có thể phân biệt thông qua một vạch màu hoặc một hình vòng hiển thị cực biểu thị cực âm (Đối với tụ điện phân cực nhôm – Tụ hóa nhôm) hay biểu thị cực dương (Đối với tụ điện phân cực tantalum – Tụ hóa tantalum).

6.2 Đối với tụ điện nhỏ

Hầu hết các tụ điện hiện nay đều sử dụng mã tiêu chuẩn EIA khi tụ điện quá nhỏ và không có đủ không gian để ghi đầy đủ giá trị điện dung. Cách xác định mã của tụ điện như sau:

Bước 1: Đơn vị đo lường

Thông thường, các loại tụ điện nhỏ (Tụ điện làm từ gốm, phim hoặc tantalum) sử dụng đơn vị picoFarad (pF). Còn với các tụ điện lớn hơn (Tụ điện sử dụng điện phân nhôm hình trụ hoặc loại hai lớp) thì sử dụng đơn vị microfarad (uF hoặc µF).

Bước 2: Kiểm tra 2 ký tự đầu tiên

Nếu đoạn giá trị bắt đầu bằng hai chữ số và theo sau là một chữ cái thì có nghĩa là hai chữ số đó chính là mã đầy đủ của điện dung.

Nếu một trong hai ký tự đầu tiên là chữ cái thì chuyển xuống Bước 4.

Nếu ba ký từ đầu tiên đều là số thì chuyển tiếp sang Bước 3.

Lưu ý: Nếu sau đoạn mã chỉ có một chữ cái thì thường đó là mã dung sai chứ không phải là để chỉ đơn vị đo lường. 

Bước 3: Dùng chữ số thứ ba làm số lũy thừa của 10

Đối với trường hợp mã điện dụng có ba chữ số, ta sử dụng chữ số thứ ba để tính như sau:

– Nếu chữ số thứ ba nằm trong khoảng từ 0 đến 6 thì ta lấy 2 chữ số đầu và thêm vào đằng sau số lượng chữ số 0 đúng bằng chữ số thứ ba. Ví dụ như mã 452 thì ta có 4500.

– Nếu chữ số thứ ba là 8 thì ta nhân 2 chữ số đầu với 0,01. Ví dụ như mã 278 thì ta có 27 x 0,01 = 0,27.

– Nếu chữ số thứ ba là 9 thì ta nhân 2 chữ số đầu với 0,1. Ví dụ như mã 309 thì ta có 30 x 0,1 = 3.

Bước 4: Đọc mã chứa chữ cái

Trong trường hợp một trong hai ký tự đầu có chứa chữ cái thì ta chia ra thành ba khả năng sau:

– Mã chứa chữ cái “R”: Thay thế chữ cái “R” bằng dấu thập phân. Ví dụ như 4R1 thì ta có 4,1pF.

– Mã chứa chữ cái p, n hoặc u: Những chữ cái này chỉ đơn vị đo lường. Ta thay chúng bằng dấu thập phân. Ví dụ như 5u3 thì ta có 5,3uF.

– Trường hợp còn lại là trường hợp hai mã. Ví dụ như 1A253 thì ta có 1A là điện áp còn 253 là mã điện dung.

Bước 5: Đọc mã dung sai trên tụ gốm

Giá trị dung sai thường là chữ cái sau ba chữ số trong mã điện dung. Nếu bạn muốn biết chính xác giá trị điện dung sai thì hãy tham khảo mã quy đổi sau:

– B = ± 0,1 pF.

– C = ± 0,25 pF.

– D = ± 0,5 pF (Cho các tụ điện dưới 10 pF, hoặc ± 0,5% cho các tụ điện trên 10 pF).

– F = ± 1 pF hoặc ± 1%.

– G = ± 2 pF hoặc ± 2%.

– J = ± 5%.

– K = ± 10%.

– M = ± 20%.

– Z = + 80%/-20% (Áp dụng khi bạn không thấy bất kỳ giá trị dung sai nào được ghi trên tụ).

Bước 6: Đọc mã dạng chữ cái – số – chữ cái

Các loại tụ điện được ghi theo dạng chữ cái – số – chữ cái thì ta có thể đọc như sau:

– Ký tự đầu tiên là nhiệt độ tối thiểu:  Z = 10ºC, Y = -30ºC, X = -55ºC.

– Ký tự thứ hai là nhiệt độ tối đa: 2 = 45ºC, 4 = 65ºC, 5 = 85ºC, 6 = 105ºC, 7 = 125ºC.

– Ký tự thứ ba là sự thay đổi của điện dung trong khoảng nhiệt độ cung cấp ở trên: Khoảng này dao động từ chính xác nhất là A = ± 1.0% đến độ chính xác thấp nhất là V = +22.0% / – 82%. Đặc biệt, R là một trong những ký hiệu phổ biến nhất với R= ± 15%.

Ngoài ra, bạn cũng có thể tra cứu mức điện áp chính xác trong biểu đồ điện áp EIA. 

Xem thêm:

Hướng dẫn kiểm tra và thay tụ điện

Các tình huống thường gặp về tụ điện

Tìm hiểu chi tiết về tụ điện

Trên đây là chia sẻ của HOCVIENiT.vn về các kiến thức liên quan đến tụ điện. Nếu có bất cứ thắc mắc nào về các kiến thức liên quan đến máy tính thì bạn có thể để lại bình luận bên dưới bài viết này. Và đừng quên đón đọc các bài viết mới nhất của HOCVIENiT.vn nhé.

Mọi chi tiết xin vui lòng liên hệ:
CÔNG TY CỔ PHẦN HỌC VIỆN IT
MST: 0108733789
Tổng đài hỗ trợ: 024 3566 8686 – Hotline: 0981 223 001
Facebook: www.fb.com/hocvienit
Đăng ký kênh Youtube để theo dõi các bài học của Huấn luyện viên tốt nhất: http://bit.ly/Youtube_HOCVIENiT
Hệ thống cơ sở đào tạo: https://hocvienit.vn/lien-he/
Học viện IT.vn – Truyền nghề thực tế cùng bạn đến thành công!