Tụ điện là một trong những linh kiện thụ động giống như điện trở. Tụ điện thường được sử dụng để lưu trữ điện tích. Trong tụ điện, điện tích được lưu trữ dưới dạng “điện trường”. Tụ điện đóng một vai trò quan trọng trong nhiều mạch điện và điện tử. Hãy tham khảo với hocwiki
Thông thường, một tụ điện có hai bản kim loại song song không được nối với nhau. Hai bản trong tụ điện được ngăn cách bởi môi trường không dẫn điện (môi trường cách điện) môi trường này thường được gọi là Điện môi .
Có nhiều loại tụ điện khác nhau và hình dạng khác nhau, từ tụ điện rất nhỏ được sử dụng trong mạch cộng hưởng đến tụ điện lớn để ổn định đường dây HVDC. Nhưng tất cả các tụ điện đều thực hiện công việc giống nhau đó là lưu trữ điện tích.
Hình dạng của tụ điện là hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn, hình trụ hoặc hình cầu. Không giống như một điện trở, một tụ điện lý tưởng không tiêu tán năng lượng, vì các loại tụ điện khác nhau có sẵn các ký hiệu khác nhau để đại diện cho chúng được hiển thị bên dưới.
Tại sao tụ điện lại quan trọng?
Tụ điện có nhiều đặc tính như
- Chúng có thể lưu trữ năng lượng và nó có thể tiêu tán năng lượng này vào mạch khi cần thiết.
- Chúng có thể chặn DC và cho phép dòng AC chạy qua nó, và điều này có thể ghép nối một phần của mạch với phần kia.
- Mạch có tụ điện phụ thuộc vào tần số, vì vậy có thể được sử dụng để khuếch đại một số tần số nhất định.
- Vì các tụ điện khi được áp dụng với đầu vào AC, dòng điện dẫn điện áp và do đó trong các ứng dụng điện, nó làm tăng công suất tải trả và làm cho nó kinh tế hơn.
- Nó cho phép các tần số cao và vì vậy nó có thể được sử dụng như một bộ lọc để lọc các tần số thấp hoặc để thu thập các tần số cao.
- Vì điện kháng và tần số của tụ điện có quan hệ nghịch với nhau, nên điều này có thể được sử dụng để tăng hoặc giảm trở kháng của mạch ở tần số nhất định và có thể được sử dụng làm bộ lọc.
Tương tự như vậy, tụ điện thể hiện nhiều đặc tính, khi được sử dụng trong mạch AC hoặc DC và do đó chúng đóng vai trò quan trọng trong các mạch điện và điện tử.
Cấu tạo của một tụ điện
Như đã nói trước đây, có nhiều loại tụ điện khác nhau. Những loại khác nhau sẽ có kiểu xây dựng khác nhau. Một tụ điện bản song song là tụ điện đơn giản nhất. Hãy để mình hiểu cấu tạo của tụ điện này.
Nó bao gồm hai tấm kim loại cách nhau một khoảng. Không gian giữa hai bản này được lấp đầy bằng một vật liệu điện môi. Hai dây dẫn của tụ điện được lấy từ hai bản tụ điện này.
Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bản và diện tích các bản tụ. Giá trị điện dung có thể được thay đổi bằng cách thay đổi các thông số nào trong số này.
Một tụ điện thay đổi được có thể được cấu tạo bằng cách làm cho một trong những tấm này cố định và tấm khác chuyển động.
Điện môi của một tụ điện
Chất điện môi đóng vai trò như một vật liệu cách điện giữa các bản tụ. Chất điện môi có thể là các vật liệu không dẫn điện nào như gốm, giấy sáp, mica, nhựa hoặc một số dạng gel lỏng.
Chất điện môi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định giá trị của điện dung. Khi chất điện môi được đưa vào giữa các bản của tụ điện, giá trị của nó tăng lên.
Các vật liệu điện môi khác nhau sẽ có hằng số điện môi khác nhau, tuy nhiên giá trị này> 1.
Bảng dưới đây cung cấp giá trị của hằng số điện môi cho mỗi vật liệu điện môi
Điện môi có thể có hai loại
- Các chất điện môi phân cực: Các chất điện môi này sẽ có chuyển động điện môi vĩnh viễn
- Chất điện môi không phân cực: Chúng sẽ có mômen điện môi tạm thời. Bằng cách đặt chúng trong một điện trường, chúng có thể được cảm ứng với các mômen lưỡng cực.
Giấy phép phức tạp
Tích của độ cho phép tương đối (εr) của vật liệu điện môi và độ cho phép của không gian tự do (εo) được gọi là “Độ cho phép phức” hoặc “Độ cho phép thực tế” của chất điện môi. Biểu thức cho phép phức được cho như sau,
ε = ε0 * εr
Giá trị của phép phức sẽ luôn bằng độ cho phép tương đối, bởi vì năng suất cho phép của không gian tự do bằng ‘một’. Giá trị của hằng số điện môi hoặc độ phức tạp thay đổi từ vật liệu điện môi này sang vật liệu điện môi khác.
Một số giá trị tiêu chuẩn của độ cho phép phức (ε) đối với các vật liệu điện môi phổ biến là Không khí = 1.0005, Chân không tinh khiết = 1.0000, Mica = 5 đến 7, Giấy = 2,5 đến 3,5, Gỗ = 3 đến 8, Thủy tinh = 3 đến 10 và Bột oxit kim loại = 6 đến 20 và v.v.
tụ điện có thể được phân loại theo tính chất và đặc điểm của vật liệu cách điện hoặc chất điện môi của chúng, chúng được đưa ra dưới đây:
- Tụ điện có độ ổn định cao và tổn hao thấp – Tụ điện bằng Mica, gốm Low-K và Polystyrene là những ví dụ cho loại này.
- Tụ điện có độ ổn định trung bình & tổn thất trung bình – Tụ giấy, màng nhựa và tụ gốm High-K là những ví dụ cho loại này.
- Tụ điện phân cực – Ví dụ cho loại tụ điện này là Electrolytic, Tantali.
Nguyên lý làm việc
Như đã nói ở trên, tụ điện bao gồm hai dây dẫn được ngăn cách bởi một chất điện môi, khi có các hiệu điện thế nào giữa hai dây dẫn thì sẽ phát sinh ra hiệu điện thế làm cho tụ điện tích điện và phóng điện.
Hãy để mình hiểu điều này một cách thực tế. Khi tụ điện được nối với pin (nguồn một chiều), dòng điện bắt đầu chạy qua mạch.
Vì vậy, điện tích âm được tích lũy trên một bản và điện tích dương được tích lũy trên tấm kia. Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi điện áp tụ đạt điện áp cung cấp.
Khi điện áp sạc bằng với điện áp cung cấp, tụ điện ngừng sạc mặc dù đã kết nối với pin. Khi pin được lấy ra, hai tấm sẽ được tích điện tích cực và điện tích âm. Do đó điện tích được lưu trữ trong tụ điện.
Nhưng khi điện áp cung cấp từ nguồn xoay chiều, nó sẽ sạc và phóng điện liên tục, tốc độ sạc và phóng điện phụ thuộc vào tần số của nguồn.
Thí dụ
Làm việc có thể được hiểu bằng cách sử dụng ví dụ đơn giản ở đây. Đoạn mạch dưới đây hiển thị hai công tắc A và B. Khi công tắc 1 đóng, dòng điện bắt đầu chạy từ pin đến tụ điện. Khi điện áp của tụ điện đạt đến điện áp cung cấp, nó sẽ ngừng sạc thêm.
Bây giờ kết nối công tắc đến vị trí B. Bây giờ bạn có thể quan sát thấy đèn LED bắt đầu phát sáng và điều này từ từ tắt dần khi tụ điện đang phóng điện.
Điện dung của tụ điện được cho bởi
C = KεA / d
hoặc
C = A / 4πd
hoặc
C = εo * εr (A / d)
Ở đâu,
C – Điện dung của tụ điện
A – Diện tích giữa các tấm
D – Khoảng cách giữa hai tấm
εo – Cho phép không gian trống
εr – Khả năng cho phép tương đối.
K- Hằng số điện môi
Điện dung của tụ điện
Điện dung là thuộc tính của tụ điện xác định lượng điện tích lớn nhất được lưu trữ trong nó. Nó tồn tại trong tự nhiên ở khắp mọi nơi.
Điện dung có thể thay đổi tùy thuộc vào hình dạng của tụ điện. Điện dung có thể được tính toán bằng cách sử dụng hình dạng của dây dẫn và đặc tính vật liệu điện môi. Hãy cho mình thấy điện dung của một tụ điện bản song song.
Điện dung được định nghĩa là tỷ số giữa điện tích (Q) trên một trong hai bản và hiệu điện thế (V) giữa chúng,
C = Q / V,
Do đó, dòng điện có thể thu được là
I (t) = C [d (v) / d (t)]
Điều này có thể được biểu thị Farads (F) được đặt theo tên nhà vật lý người Anh Michael Faraday.
Từ định nghĩa trên, mình có thể nhận thấy rằng điện dung tỷ lệ thuận với điện tích (Q) và tỷ lệ nghịch với hiệu điện thế (V).
Điện dung của tụ điện có thể được tăng lên bằng cách tăng số lượng bản tụ, giúp duy trì cùng kích thước của tụ điện. Ở đây, diện tích của các tấm được tăng lên.
Đơn vị tiêu chuẩn của điện dung
Nói chung Farads là một giá trị cao, do đó, điện dung được biểu thị bằng các đơn vị phụ của thời gian thực tụ điện như micro farads (uF), nano farads (nF) và pico farads (PF).
Hầu hết các ứng dụng điện và điện tử được bao phủ bởi các tiền tố đơn vị tiêu chuẩn (SI) sau đây để dễ dàng tính toán,
- 1 mF (milli farad) = 10−3 F = 1000 μF = 1000000 nF
- 1 μF (microfarad) = 10−6 F = 1000 nF = 1000000 pF
- 1 nF (nano farad) = 10−9 F = 1000 pF
- 1 pF (picofarad) = 10−12 F
Để chuyển đổi µF sang nF hoặc pF hoặc sang một loạt các đơn vị khác và ngược lại, mình cần sử dụng Bộ chuyển đổi đơn vị điện dung.
Đánh giá điện áp của một tụ điện
Đây không phải là điện áp mà tụ điện tích điện mà là điện áp tối đa cho đến khi tụ điện có thể hoạt động an toàn. Điện áp này được gọi là điện áp làm việc (WV) hoặc điện áp làm việc một chiều (DC-WV). Hình dưới đây cho thấy định mức điện áp của tụ điện.
Nếu đặt tụ điện với hiệu điện thế lớn hơn hiệu điện thế này, tụ điện có thể bị hư do tạo ra hồ quang giữa các bản do đánh thủng chất điện môi.
Trong khi thiết kế mạch điện có tụ điện, cần chú ý sao cho điện áp định mức của tụ điện lớn hơn điện áp sử dụng trong mạch. Ví dụ, nếu điện áp hoạt động của mạch là 12V thì cần chọn tụ điện có điện áp từ 12V trở lên.
Điện áp làm việc này của tụ điện phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu điện môi được sử dụng giữa các bản tụ điện, độ dày chất điện môi và cũng vào loại mạch được sử dụng.
