Tụ điện

Tụ điện
Các loại tụ điện phổ biến
Loại	Thụ động
Phát minh	Ewald Georg von Kleist
Ký hiệu điện
C

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động, là một hệ hai vật dẫn và ngăn cách nhau bởi một lớp cách điện. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.^[1]

Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.

Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc quy. Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện. Ắc quy có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron - nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh. Đây là một ưu thế của nó so với ắc quy.

Lịch sử

Bốn bình tích điện Leyden ở Bảo tàng Boerhaave, Leiden, Hà Lan

Vào tháng 10 năm 1745, nhà vật lý học Ewald Georg von Kleist ở Pomerania, nước Đức, phát hiện ra điện tích có thể được lưu trữ bằng cách nối máy phát tĩnh điện cao áp với một đoạn dây qua một bình thủy tinh chứa nước.^[2] Tay của Von Kleist và nước đóng vai trò là chất dẫn điện, và bình thủy tinh là chất cách điện (mặc dù các chi tiết ở thời điểm đó được xác nhận là miêu tả chưa đúng). Von Kleist phát hiện thấy khi chạm tay vào dây dẫn thì phát ra một tia lửa điện lớn và sau đó ông cảm thấy rất đau, đau hơn cả khi chạm tay vào máy phát tĩnh điện. Sau đó một năm, nhà vật lý người Hà Lan Pieter van Musschenbroek làm việc tại đại học Leiden, phát minh ra một bình tích điện tương tự, được đặt tên là bình Leyden.^[3]

Sau đó Daniel Gralath là người đầu tiên kết hợp nhiều bình tích điện song song với nhau thành một quả "pin" để tăng dung lượng lưu trữ. Benjamin Franklin điều tra chiếc bình Leyden và đi đến kết luận rằng điện tích đã được lưu trữ trên chiếc bình thủy tinh, không phải ở trong nước như những người khác đã giả định. Từ đó, thuật ngữ "battery" hay Tiếng Việt gọi là "pin" được thông qua.^[4] Sau đó, nước được thay bằng các dung dịch hóa điện, bên trong và bên ngoài bình Layden được phủ bằng lá kim loại. Để lại một khoảng trống ở miệng để tránh tia lửa điện giữa các lá. Bình layden là bình tích điện đầu tiên có điện dung khoảng 1,11 nF (nano Farad).

Các tham số chính của tụ điện

Các tham số chính của tụ điện có điện dung danh định, điện áp và nhiệt độ làm việc cao nhất.

Ngoài ra là các tham số tinh tế, dành cho người thiết kế hay sửa chữa thiết bị chính xác cao: Hệ số biến đổi điện dung theo nhiệt độ, độ trôi điện dung theo thời gian, độ rò điện, dải tần số làm việc, tổn hao điện môi, tiếng ồn,... và thường được nêu trong Catalog của linh kiện.

Điện dung

Vật thể nói chung đều có khả năng tích điện, và khả năng này đặc trưng bởi điện dung ${\displaystyle C}$, xác định tổng quát qua điện lượng theo biểu thức:

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

Trong đó:

• C: điện dung, có đơn vị là farad;
• Q: điện lượng, có đơn vị là coulomb, là độ lớn điện tích được tích tụ ở vật thể;
• U: điện áp, có đơn vị là vôn, là điện áp ở vật thể khi tích điện.

Điện dung của tụ điện

Trong tụ điện thì điện dung phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức:

${\displaystyle C=}$ ε_rε₀.${\displaystyle {\frac {S}{d}}}$

Trong đó:

• C: điện dung, có đơn vị là farad [F];
• ε_r: Là hằng số điện môi hay còn gọi là điện thẩm tương đối (so với chân không) của lớp cách điện;
• ε₀: Là hằng số điện thẩm (ε₀ ≈1÷(9*10⁹*4*π)≈8.854187817*10⁻¹²);
• d: là chiều dày của lớp cách điện;
• S: là diện tích bản cực của tụ điện.

Đơn vị của đại lượng điện dung là Fara [F]. Trong thực tế đơn vị Fara là trị số rất lớn, do đó thường dùng các đơn vị đo nhỏ hơn như micro Fara (1µF=10⁻⁶F), nano Fara (1nF=10⁻⁹F), picoFara (1pF=10⁻¹²F).

Tụ điện phân cực, tụ hóa

Thông thường do sự lão hóa vật liệu mà nhiều loại tụ có điện dung giảm theo thời gian. Các tụ hóa có mức độ giảm lớn nhất, và thường gọi là "già cỗi". Nó dẫn đến sai lệch hoạt động của mạch điện tử.

Dãy tụ 150 KV bù pha trong truyền tải điện

Điện áp làm việc

Tụ điện được đặc trưng bởi thông số điện áp làm việc cao nhất và được ghi rõ trên tụ nếu có kích thước đủ lớn. Đó là giá trị điện áp thường trực rơi trên tụ điện mà nó chịu đựng được. Giá trị điện áp tức thời có thể cao hơn điện áp này một chút, nhưng nếu quá cao, ví dụ bằng 200% định mức, thì lớp điện môi có thể bị đánh thủng, gây chập tụ.

Trước đây giá thành sản xuất tụ điện cao, nên tụ có khá nhiều mức điện áp làm việc: 5V, 10V, 12V, 16V, 24V, 25V, 35V, 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V, 180V, 250V, 280V, 300V, 400V...

Ngày nay các dây chuyền lớn sản xuất và cho ra ít cấp điện áp hơn thế:

• Tụ hoá: 16V, 25V, 35V, 63V, 100V, 150V, 250V, 400V.
• Tụ khác: 63V, 250V, 630V, 1KV.
• Các tụ đặc chủng có mức điện áp cao hơn, như 1,5 kV, 4 kV,... và tuỳ vào hãng sản xuất.

Khi thiết kế hoặc sửa chữa mạch, phải chọn tụ có điện áp làm việc cao hơn điện áp mạch cỡ 30% trở lên. Ví dụ trong mạch lọc nguồn 12V thì chọn tụ hóa 16V, chứ không dùng tụ có điện áp làm việc đúng 12V.

Nhiệt độ làm việc

Nhiệt độ làm việc của tụ điện thường được hiểu là nhiệt độ ở vùng đặt tụ điện khi mạch điện hoạt động. Tụ điện phải được chọn với nhiệt độ làm việc cao nhất cao hơn nhiệt độ này.

Thông thường nhiệt độ được thiết lập do tiêu tán điện năng biến thành nhiệt của mạch, cộng với nhiệt do môi trường ngoài truyền vào nếu nhiệt độ môi trường cao hơn.

Song với các tụ có mức rò điện cao, thì xảy ra sự tiêu tán điện năng biến thành nhiệt trong tụ điện, làm cho nhiệt độ trong tụ điện cao hơn xung quanh. Các hư hỏng nổ tụ thường liên quan đến hiện tượng này. Các tụ hóa thường có rò điện ohmic, còn các tụ tần cao thì có dòng điện xoáy.

Các loại tụ điện

Có rất nhiều loại.^[1]

Tụ điện phân cực

Hầu hết tụ hóa là tụ điện phân cực, tức là nó có cực xác định. Khi đấu nối phải đúng cực âm - dương.

• Thường trên tụ có kích thước đủ lớn thì cực âm phân biệt bằng dấu - trên vạch màu sáng dọc theo thân tụ, khi tụ mới chưa cắt chân thì chân dài hơn sẽ là cực dương.
• Các tụ cỡ nhỏ, tụ dành cho hàn dán SMD thì đánh dấu + ở cực dương để đảm bảo tính rõ ràng.

Trị số của tụ phân cực vào khoảng 0,47μF - 4.700μF, thường dùng trong các mạch tần số làm việc thấp, dùng lọc nguồn.

Tụ không phân cực

Tụ điện không phân cực

Tụ điện không phân cực thì không xác định cực dương âm, như tụ giấy, tụ gốm, tụ mica,... Các tụ có trị số điện dung nhỏ hơn 1 μF thường được sử dụng trong các mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu. Các tụ cỡ lớn, từ một vài μF đến cỡ Fara thì dùng trong điện dân dụng (tụ quạt, mô tơ,...) hay dàn tụ bù pha cho lưới điện.

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

Tụ điện có trị số biến đổi

Tụ điện có trị số biến đổi, hay còn gọi tụ xoay (cách gọi theo cấu tạo), là tụ có thể thay đổi giá trị điện dung. Tụ này thường được sử dụng trong kỹ thuật Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài (kênh tần số).

Tụ Li ion LIC 200F cho mạch in

Siêu tụ điện

Bài chi tiết: Siêu tụ điện

Đó là các tụ có mật độ năng lượng cực cao (supercapacitor) như Tụ điện Li ion (tụ LIC), là tụ phân cực và dùng cho tích điện một chiều. Chúng có thể trữ điện năng cho vài tháng, cấp nguồn thay các pin lưu dữ liệu trong các máy điện tử.

Khả năng phóng nạp nhanh và chứa nhiều năng lượng hứa hẹn ứng dụng tụ này trong giao thông để khai thác lại năng lượng hãm phanh (thắng), cung cấp năng lượng đỉnh đột xuất cho ô tô điện, tàu điện, tàu hoả nhanh,...^[5]

Các kiểu tụ điện

• Tụ điện tích hợp
  • Tụ điện MIS: tụ điện được chế tạo theo công nghệ bán dẫn, 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 điện gốm (Ceramic): tụ có điện môi chế tạo theo công nghệ gốm.^[6]
  • Tụ điện màng (film): tụ có điện môi là màng plastic (plastic film).
  • Tụ điện mica: tụ có điện môi là mica (một loại khoáng vật có trong tự nhiên, bóc được thành lá mỏng. Nó khác với tấm polyme quen gọi là mica). Tụ này ổn định cao, tổn hao thấp và thường dùng trong mạch cộng hưởng tần cao.
  • Tụ hóa: hay tụ điện điện phân (electrolytic capacitor), dùng chất điện phân phù hợp với kim loại dùng làm anode để tạo ra cathode, nhằm đạt được lớp điện môi mỏng và điện dung cao.^[7]
    • Tụ hóa nhôm: có anode (+) làm bằng nhôm.
    • Tụ hóa tantali: có anode (+) làm bằng tantali.
    • Tụ hóa niobi: có anode (+) làm bằng niobi.
    • Tụ polyme, tụ OS-CON: dùng điện phân là polyme dẫn điện.
  • Siêu tụ điện (Supercapacitor, Electric double-layer capacitor - EDLS)
    • Siêu tụ điện Nanoionic: chế tạo theo công nghệ lớp kép nano để đạt mật độ điện dung cực cao.
    • Siêu tụ điện Li ion (LIC): chế tạo theo công nghệ lớp kép lai để đạt mật độ điện dung siêu cao.
  • Tụ điện vacuum: điện môi chân không.
• Tụ điện biến đổi: tụ thay đổi được điện dung.
  • Tụ điện tuning: tụ thay đổi dải rộng dùng trong mạch điều hưởng
  • Tụ điện trim: tụ thay đổi dải hẹp để vi chỉnh
  • Tụ điện vacuum biến đổi (đã lỗi thời).
• Tụ điện ứng dụng đặc biệt:
  • Tụ điện filter: tụ lọc nhiễu, có một cực là vỏ nối mát, cực còn lại có dạng trụ 2 đầu nối.
  • Tụ điện motor: tụ dùng để khởi động và tạo từ trường xoay cho motor.
  • Tụ điện photoflash: tụ dùng cho đèn flash như đèn flash máy ảnh, cần đến phóng điện nhanh.
• Dãy tụ điện (network, array): các tụ được nối sẵn thành mảng.
• Varicap: Điốt bán dẫn làm việc ở chế độ biến dung.

Tham khảo

1. ^ Types of Capacitor. Electronics Tutorials, 2014. Truy cập 01 Apr 2015.
2. “Williams, Henry Smith. "A History of Science Volume II, Part VI: The Leyden Jar Discovered". Truy cập 2013-03-17”.
3. “Keithley, Joseph F. (1999). The Story of Electrical and Magnetic Measurements: From 500 BC to the 1940s. John Wiley & Sons. p. 23. ISBN 9780780311930. Truy cập 2013-03-17”.
4. “Isaacson, Walter (2003). Benjamin Franklin: An American Life. Simon and Schuster. p. 136. ISBN 9780743260848. Truy cập 2013-03-17”.
5. Dagmar Oertel. TAB, Energiespeicher – Stand und Perspektiven. Elektrochemische Kondensatoren, p. 86
6. Ceramic Capacitors. Electronics Tutorials, 2014. Truy cập 01/06/2015.
7. Electrolytic Capacitors. Electronics Tutorials, 2014. Truy cập 01/06/2015.

Xem thêm

• Linh kiện điện tử

Liên kết ngoài

• Sách học điện tử trên Wikibooks
• The First Condenser – A Beer Glass – SparkMuseum
• How Capacitors Work – Howstuffworks
• Introduction to Capacitors – CapSite
• Capacitor Tutorial
• Low ESR Capacitor Manufacturers