Giới thiệu về tụ điện: Tụ điện là một thành phần có khả năng hoặc “khả năng thu nhận” lưu trữ năng lượng dưới dạng điện tích tạo ra hiệu số điện thế (Sự khác nhau về điện thế giữa 2 điểm làm phát sinh ra donhg điện) ( Điện áp tĩnh ) trên các bản của nó, giống như một pin sạc nhỏ.

Có rất nhiều loại tụ điện khác nhau từ các loại tụ điện rất nhỏ được sử dụng trong mạch cộng hưởng đến các tụ điện hiệu chỉnh hệ số công suất lớn, nhưng tất cả chúng đều làm giống nhau, chúng tích trữ điện tích.

Ở dạng cơ bản, tụ điện bao gồm hai hoặc nhiều tấm dẫn điện (kim loại) song song không được nối hoặc chạm vào nhau, nhưng được ngăn cách điện bằng không khí hoặc bằng một số dạng vật liệu cách điện tốt như giấy sáp, mica, gốm, nhựa hoặc một số dạng gel lỏng được sử dụng trong tụ điện. Lớp cách điện giữa các bản tụ điện thường được gọi là điện môi .

Do lớp cách điện này, dòng điện một chiều không thể chạy qua tụ điện nó chỉ cho phép một điện áp trên các tấm dưới dạng điện tích. Bạn có thắc mắc gì về Giới thiệu về tụ điện không : comment nha !!!

Các tấm kim loại dẫn điện của tụ điện có thể là hình vuông, hình tròn hoặc hình chữ nhật, hoặc chúng có thể có hình trụ hoặc hình cầu với hình dạng, kích thước và cấu tạo chung của tụ điện bản song song tùy thuộc vào ứng dụng và định mức điện áp của nó.

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

Có hai loại điện tích, điện tích dương ở dạng Proton và điện tích âm ở dạng Electron. Khi đặt điện áp một chiều qua tụ điện, điện tích dương (+ ve) nhanh chóng tích tụ trên một bản trong khi điện tích âm (-ve) tương ứng và ngược chiều tích tụ trên bản kia. Đối với mỗi hạt điện tích + ve di chuyển đến một bản của tụ, thì một điện tích cùng dấu sẽ di chuyển từ tấm -ve.

Sau đó, các tấm vẫn mang điện tích trung hòa và sự chênh lệch điện thế do điện tích này được thiết lập giữa hai tấm. Khi tụ điện đạt đến trạng thái ổn định, dòng điện không thể chạy qua bản thân của tụ điện và xung quanh mạch do đặc tính cách điện của chất điện môi dùng để ngăn cách các bản tụ.

Dòng chảy của các electron vào các tấm bản của tụ được gọi là tụ sạc dòng 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 “sạc đầy” các electron.

Cường độ hoặc tốc độ của dòng điện nạp này ở giá trị lớn nhất khi các tấm bản tụ được phóng điện hoàn toàn (điều kiện ban đầu) và từ từ giảm giá trị về 0 khi các tấm tích điện đến một hiệu điện thế trên các bản tụ điện bằng điện áp nguồn.

Mức độ chênh lệch điện thế trên tụ điện phụ thuộc vào lượng điện tích được tích tụ vào các bản cực bởi công việc được thực hiện bởi điện áp nguồn và cũng bởi điện dung của tụ điện và điều này được minh họa bên dưới.

Tụ điện có bản song song là dạng tụ điện đơn giản nhất. Nó có thể được xây dựng bằng cách sử dụng hai tấm kim loại hoặc lá kim loại ở khoảng cách song song với nhau, với giá trị điện dung của nó tính bằng Farads, được cố định bởi diện tích bề mặt của các tấm dẫn điện và khoảng cách phân cách giữa chúng. Việc thay đổi bất kỳ hai giá trị nào trong số này sẽ làm thay đổi giá trị của điện dung của nó và điều này tạo thành cơ sở hoạt động của các tụ điện biến thiên.

Ngoài ra, bởi vì các tụ điện lưu trữ năng lượng của các electron dưới dạng điện tích trên các bản cực, các bản càng lớn và/hoặc sự phân tách của chúng càng nhỏ thì điện tích của tụ điện sẽ càng lớn đối với bất kỳ hiệu điện thế nhất định nào trên các bản của nó. Nói cách khác, các tấm lớn hơn, khoảng cách nhỏ hơn, điện dung nhiều hơn.

Bằng cách đặt một hiệu điện thế vào một tụ điện và đo điện tích trên các bản, tỉ số giữa điện tích Q và hiệu điện thế V sẽ cho giá trị điện dung của tụ điện và do đó được cho là: C = Q / V , phương trình này cũng có thể được tái hiện. – Sắp xếp để đưa ra công thức quen thuộc về điện lượng trên các bản là: Q = C x V

Mặc dù chúng ta đã nói rằng điện tích được lưu trữ trên các bản của tụ điện, nhưng chính xác hơn là nói rằng năng lượng trong điện tích được lưu trữ trong “trường tĩnh điện” giữa hai bản tụ điện. Khi dòng điện chạy vào tụ điện, nó sẽ tích điện, do đó, trường tĩnh điện trở nên mạnh hơn nhiều vì nó tích trữ nhiều năng lượng hơn giữa các bản tụ điện.

Tương tự như vậy, khi dòng điện chạy ra khỏi tụ điện, phóng điện nó, hiệu điện thế giữa hai bản giảm và trường tĩnh điện giảm khi năng lượng di chuyển ra khỏi các bản tụ.

Tính chất của tụ điện để lưu trữ điện tích trên các bản của nó dưới dạng trường tĩnh điện được gọi là điện dung của tụ điện. Không chỉ vậy, điện dung còn là thuộc tính của tụ điện chống lại sự thay đổi điện áp trên nó.

Điện dung của tụ điện – Giới thiệu về tụ điện

Điện dung là đặc tính điện của tụ điện và là thước đo khả năng tích điện của tụ điện lên hai bản của nó với đơn vị điện dung là Farad (viết tắt là F ) được đặt theo tên nhà vật lý người Anh Michael Faraday.

Điện dung được định nghĩa là một tụ điện có điện dung Một Farad khi một điện tích Một Coulomb được lưu trên các tấm bằng hiệu điện thế Một vôn . Lưu ý rằng điện dung, C luôn có giá trị dương và không có đơn vị âm. Tuy nhiên, Farad là một đơn vị đo lường rất lớn để sử dụng riêng vì vậy các bội số con của Farad thường được sử dụng như micro-farads, nano-farads và pico-farads chẳng hạn.

Đơn vị tiêu chuẩn của điện dung

• 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

Sau đó, sử dụng thông tin ở trên, chúng ta có thể xây dựng một bảng đơn giản để giúp chúng ta chuyển đổi giữa pico-Farad (pF), thành nano-Farad (nF), thành micro-Farad (μF) và Farads (F) như được hiển thị.

Điện dung của tụ điện bản song song

Điện dung của tụ điện bản song song tỷ lệ với diện tích, A tính bằng mét ² của bản nhỏ nhất trong hai bản và tỷ lệ nghịch với khoảng cách hoặc độ phân cách, d (tức là độ dày điện môi) tính bằng mét giữa hai bản dẫn điện này.

Phương trình tổng quát cho điện dung của tụ điện bản song song được cho là: C =  ε (A / d) trong đó ε đại diện cho điện trở tuyệt đối của vật liệu điện môi đang được sử dụng. Năng suất cho phép của chân không, ε _o còn được gọi là “khả năng cho phép của không gian tự do” có giá trị là hằng số 8,84 x 10 ^-12 Farads trên mét.

Để làm cho phép toán dễ dàng hơn một chút, hằng số điện môi này của không gian tự do, ε _o , có thể được viết là: 1 / (4π x 9 × 10 ⁹ ) , cũng có thể có đơn vị là picofarads (pF) trên mét là hằng số cho: 8,84 cho giá trị của không gian trống. Lưu ý rằng giá trị điện dung kết quả sẽ ở picofarads chứ không phải farads.

Nói chung, các bản dẫn điện của tụ điện được ngăn cách bởi một số loại vật liệu cách điện hoặc gel chứ không phải là chân không hoàn hảo. Khi tính toán điện dung của tụ điện, chúng ta có thể coi khả năng cho phép của không khí, và đặc biệt là của không khí khô, có cùng giá trị với chân không vì chúng ở rất gần nhau.

Ví dụ về điện dung số 1

Một tụ điện được cấu tạo từ hai tấm kim loại dẫn điện có kích thước 30cm x 50cm đặt cách nhau 6mm và sử dụng không khí khô làm chất điện môi duy nhất của nó. Tính điện dung của tụ điện.

Khi đó giá trị của tụ điện gồm hai bản cách nhau bằng không khí được tính là 221pF hoặc 0,221nF

Điện môi của tụ điện – Giới thiệu về tụ điện

Cũng như kích thước tổng thể của các tấm dẫn điện và khoảng cách hoặc khoảng cách của chúng cách xa nhau, một yếu tố khác ảnh hưởng đến điện dung tổng thể của thiết bị là loại vật liệu điện môi đang được sử dụng. Nói cách khác, “Độ cho phép” ( ε ) của chất điện môi.

Các bản dẫn điện của tụ điện nói chung được làm bằng lá kim loại hoặc màng kim loại cho phép dòng electron và điện tích, nhưng vật liệu điện môi được sử dụng luôn là chất cách điện. Các vật liệu cách điện khác nhau được sử dụng làm chất điện môi trong tụ điện khác nhau về khả năng chặn hoặc truyền điện tích của chúng.

Vật liệu điện môi này có thể được làm từ một số vật liệu cách điện hoặc kết hợp các vật liệu này với các loại phổ biến nhất được sử dụng là: không khí, giấy, polyester, polypropylene, Mylar, gốm, thủy tinh, dầu, hoặc nhiều loại vật liệu khác.

Hệ số mà vật liệu điện môi, hoặc chất cách điện, làm tăng điện dung của tụ điện so với không khí được gọi là Hằng số điện môi , k và vật liệu điện môi có hằng số điện môi cao là chất cách điện tốt hơn vật liệu điện môi có hằng số điện môi thấp hơn . Hằng số điện môi là một đại lượng không thứ nguyên vì nó liên quan đến không gian tự do.

Hằng số điện môi thực tế hoặc “hằng số điện môi phức” của vật liệu điện môi giữa các tấm khi đó là tích số cho phép của không gian tự do ( ε _o ) và điện trở cho phép tương đối ( ε _r ) của vật liệu đang được sử dụng làm chất điện môi và được cho là:

Hằng số điện môi phức – Giới thiệu về tụ điện

Nói cách khác, nếu chúng ta lấy độ cho phép của không gian tự do, ε _o làm mức cơ bản của chúng ta và đặt nó bằng một, khi chân không của không gian tự do được thay thế bằng một số loại vật liệu cách điện khác, khả năng cho phép của chất điện môi của nó được quy về chất điện môi cơ bản của không gian tự do tạo ra một hệ số nhân được gọi là “độ cho phép tương đối”, ε _r . Vì vậy giá trị của độ cho phép phức, ε sẽ luôn bằng với hằng số điện môi lần một.

Các đơn vị điển hình của hằng số điện môi, ε hoặc hằng số điện môi đối với các vật liệu phổ biến là: Chân không = 1,0000, Không khí = 1.0006, Giấy = 2,5 đến 3,5, Thủy tinh = 3 đến 10, Mica = 5 đến 7, Gỗ = 3 đến 8 và Oxit kim loại Công suất = 6 đến 20, v.v. Sau đó, điều này cho chúng ta phương trình cuối cùng cho điện dung của tụ điện là:

Một phương pháp được sử dụng để tăng điện dung tổng thể của tụ điện trong khi vẫn giữ kích thước nhỏ của nó là “xen kẽ” nhiều tấm với nhau trong một thân tụ điện. Thay vì chỉ một tập hợp các tấm song song, một tụ điện có thể có nhiều bản riêng lẻ được nối với nhau do đó làm tăng diện tích bề mặt A của các bản tụ .

Đối với một tụ bản song song tiêu chuẩn như trình bày ở trên, các tụ điện có hai tấm, dán nhãn A và B . Do đó, khi số bản tụ điện là hai, chúng ta có thể nói rằng n = 2 , trong đó “n” đại diện cho số bản.

Sau đó, phương trình của chúng tôi ở trên cho một tụ điện bản song song thực sự phải là:

Tuy nhiên, tụ điện có thể có hai bản song song nhưng chỉ có một mặt của mỗi bản tiếp xúc với chất điện môi ở giữa vì mặt kia của mỗi bản tạo nên mặt ngoài của tụ điện. Nếu chúng ta lấy hai nửa của tấm và nối chúng lại với nhau, chúng ta chỉ có “một” toàn bộ tấm tiếp xúc với chất điện môi.

Đối với một tụ điện bản song song, n – 1 = 2 – 1 bằng 1 với C = (ε _o * ε _r x 1 x A) / d hoàn toàn giống như nói: C = (ε _o * ε _r * A) / d là phương trình chuẩn ở trên.

Bây giờ, giả sử chúng ta có một tụ điện được tạo thành từ 9 bản xen kẽ, khi đó n = 9 như hình vẽ .

Tụ điện nhiều tấm

Bây giờ chúng ta có năm tấm kết nối với một dây dẫn ( A ) và bốn tấm với dây dẫn kia ( B ). Khi đó CẢ HAI mặt của bốn tấm nối với dây dẫn B tiếp xúc với chất điện môi, trong khi chỉ một mặt của mỗi tấm ngoài cùng nối với A tiếp xúc với chất điện môi. Sau đó, như trên, diện tích bề mặt hữu ích của mỗi bộ tấm chỉ là 8 và do đó điện dung của nó được cho là:

Tụ điện hiện đại có thể được phân loại theo các đặc điểm và tính chất của chất điện môi cách điện của chúng:

• Suy hao thấp, độ ổn định cao như Mica, gốm Low-K, Polystyrene.
• Suy hao trung bình, độ ổn định trung bình như giấy, phim nhựa, gốm cao-K.
• Tụ điện phân cực như Electrolytic’s, Tantali.

Đánh giá điện áp của tụ điện – Giới thiệu về tụ điện

Tất cả các tụ điện đều có hiệu điện thế cực đại và khi chọn tụ điện phải xem xét điện áp đặt trên tụ điện. Lượng điện áp tối đa có thể đặt vào tụ điện mà không làm hỏng vật liệu điện môi của nó thường được đưa ra trong bảng dữ liệu là: WV , (điện áp làm việc) hoặc WV DC , (điện áp làm việc một chiều).

Nếu điện áp đặt trên tụ điện trở nên quá lớn, chất điện môi sẽ bị phá vỡ (được gọi là đánh thủng điện) và phóng điện hồ quang sẽ xảy ra giữa các bản tụ điện dẫn đến đoản mạch. Điện áp làm việc của tụ điện phụ thuộc vào loại vật liệu điện môi đang được sử dụng và độ dày của nó.

Điện áp làm việc một chiều của tụ điện chỉ là điện áp một chiều tối đa chứ KHÔNG phải điện áp xoay chiều lớn nhất vì tụ điện có định mức điện áp một chiều là 100 vôn DC không thể chịu được điện áp xoay chiều 100 vôn một cách an toàn. Vì điện áp xoay chiều có giá trị RMS là 100 vôn sẽ có giá trị đỉnh trên 141 vôn! ( √ 2  x 100 ).

Sau đó, một tụ điện được yêu cầu hoạt động ở 100 vôn xoay chiều phải có điện áp làm việc ít nhất là 200 vôn. Trong thực tế, tụ điện phải được chọn sao cho điện áp làm việc của nó là DC hoặc AC phải lớn hơn ít nhất 50 phần trăm so với điện áp hiệu dụng cao nhất được đặt vào 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 do dòng điện rò rỉ không mong muốn chạy qua vật liệu điện môi.

Nói chung, người ta cho rằng điện trở của chất điện môi là cực cao và một chất cách điện tốt chặn dòng điện một chiều chạy qua tụ điện (như trong tụ điện hoàn hảo) từ bản này sang bản kia.

Tuy nhiên, nếu vật liệu điện môi bị hỏng do điện áp quá cao hoặc nhiệt độ quá cao, dòng điện rò qua chất điện môi sẽ trở nên cực kỳ cao dẫn đến sự mất điện tích nhanh chóng trên các tấm và tụ điện quá nóng cuối cùng dẫn đến hỏng tụ điện sớm. Sau đó, tuyệt đối không được sử dụng tụ điện trong mạch có điện áp cao hơn mức định mức của tụ điện nếu không tụ điện có thể bị nóng và phát nổ.

Giới thiệu tóm tắt về tụ điện

Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn này rằng công việc của tụ điện là lưu trữ điện tích trên các tấm của nó. Lượng điện tích mà tụ điện có thể lưu trữ trên các bản của nó được gọi là giá trị điện dung và phụ thuộc vào ba yếu tố chính.

• Diện tích bề mặt  – diện tích bề mặt, A của hai bản dẫn điện tạo nên tụ điện, diện tích càng lớn thì điện dung càng lớn.
• Khoảng cách  – khoảng cách, d giữa hai bản tụ, khoảng cách càng nhỏ thì điện dung càng lớn.
• Vật liệu điện môi  – loại vật liệu ngăn cách hai tấm được gọi là “chất điện môi”, điện trở của chất điện môi càng cao thì điện dung càng lớn.

Chúng ta cũng đã thấy rằng một tụ điện bao gồm các tấm kim loại không chạm vào nhau nhưng được ngăn cách bởi một vật liệu gọi là chất điện môi. Chất điện môi của tụ điện có thể là không khí, hoặc thậm chí là chân không nhưng nói chung là vật liệu cách điện không dẫn điện, chẳng hạn như giấy sáp, thủy tinh, mica các loại nhựa khác nhau, v.v. Chất điện môi cung cấp những ưu điểm sau:

• Hằng số điện môi là tính chất của vật liệu điện môi và thay đổi từ vật liệu này sang vật liệu khác làm tăng điện dung một hệ số k .
• Chất điện môi cung cấp hỗ trợ cơ học giữa hai tấm cho phép các tấm gần nhau hơn mà không chạm vào nhau.
• Tính cảm của chất điện môi làm tăng điện dung.
• Chất điện môi làm tăng điện áp hoạt động tối đa so với không khí.

Tụ điện có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng và mạch điện khác nhau như chặn dòng điện một chiều trong khi truyền tín hiệu âm thanh, xung hoặc dòng điện xoay chiều hoặc các dạng sóng thay đổi theo thời gian khác. Khả năng chặn dòng điện một chiều này cho phép các tụ điện được sử dụng để làm phẳng điện áp đầu ra của nguồn điện, để loại bỏ các xung đột không mong muốn khỏi các tín hiệu có xu hướng gây hư hỏng hoặc kích hoạt sai chất bán dẫn hoặc linh kiện kỹ thuật số.

Tụ điện cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh đáp ứng tần số của mạch âm thanh hoặc để ghép nối các tầng khuếch đại riêng biệt với nhau phải được bảo vệ khỏi sự truyền dòng điện một chiều Bạn cũng có thể tìm hiểu về tụ điện – Các câu hỏi của sinh viên

Tại DC, tụ điện có trở kháng vô hạn (mạch hở), ở tần số rất cao, tụ điện có trở kháng bằng không (ngắn mạch). Tất cả các tụ điện đều có định mức điện áp làm việc tối đa là WV DC, vì vậy hãy chọn tụ điện có định mức cao hơn điện áp nguồn ít nhất 50%.

Có rất nhiều kiểu và loại tụ điện khác nhau, mỗi loại có một ưu điểm, nhược điểm và đặc điểm riêng. Để bao gồm tất cả các loại sẽ làm cho phần hướng dẫn này rất lớn vì vậy trong hướng dẫn tiếp theo về Giới thiệu về Tụ điện, tôi sẽ giới hạn chúng ở các loại được sử dụng phổ biến nhất.