Chưa có sản phẩm trong giỏ hàng.
Tụ điện và ứng dụng
Tụ điện (Capacitor) là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng khá rộng rãi trong các mạch điện tử như mạch lọc nuồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu, mạch dao động,…
1. Cấu tạo của tụ điện
Cấu tạo của tụ điện bao gồm hai tấm cực song song, mỗi tấm có một dây dẫn được gắn vào, giữa hai tấm là một lớp cách điện gọi là chất điện môi ( dielectric). Người ta thường dùng giấy, gốm, mica làm chất điện môi. Các bản trong hầu hết các tụ điện được làm từ màng mỏng kim loại hoặc màng nhựa kim loại. Để giảm thiểu kích thước của thành phần, các tấm có thể được cuộn lên để tạo thành một gói hình trụ nhỏ gọn, hoặc nhiều phần phẳng có thể được xen kẽ.
2. Hình dáng thực tế của tụ điện
3. Điện dung của tụ điện
Là đại lượng nói lên khả năng tích điện của tụ điện. Nó phụ thuộc vào diện tích các bản cực, chất điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực. Điện dung của tụ điện ký hiệu là C và được cho bới công thức
C= k S/d
C là điện dung, đơn vị đo là Fara (F). Ngoài ra người ta cũng sử dụng các đơn vị đo như: µF, pF, nF.
k là hằng số điện môi
d là khoảng cách giữa hai bản cực của tụ.
4. Nguyên lý hoạt động của tụ điện
Các electron từ nguồn điện sẽ di chuyển lên bản cực gắn với cực âm của nguồn và sẽ có xu hướng đẩy các electron ra khỏi tấm khác. Điều này có thể được coi như việc tạo ra lỗ trống điện tử trong tấm khác hoặc thu hút các điện tích dương. Khi tụ điện bị ngắt khỏi nguồn điện nguồn, các điện tích trái dấu trên các bản của nó sẽ tồn tại ở trạng thái cân bằng như là kết quả của việc hấp dẫn nhau.
Khi một điện trở được đặt trên các dây dẫn của một tụ điện tích điện, tụ điện sẽ tự phóng điện qua điện trở với tốc độ được giới hạn bởi điện trở. Ngược lại, nếu tụ điện được tích điện thông qua một điện trở, điện trở sẽ giới hạn tốc độ sạc của tụ điện. Như vậy tụ điện co khả năng nạp điện và phóng điện/xả.
Nạp điện : Khi công tắc K1 đóng, dòng điện từ nguồn U đi qua bóng đèn để nạp vào tụ, dòng nạp này làm bóng đèn loé sáng, khi tụ nạp đầy thì dòng nạp giảm bằng 0 vì vậy bóng đèn tắt.
Xả điện: Khi tụ đã nạp đầy, nếu công tắc K1 mở, công tắc K2 đóng thì dòng điện từ cực dương (+) của tụ phóng qua bóng đền về cực âm (-) làm bóng đèn loé sáng, khi tụ phóng hết điện thì bóng đèn tắt. Nếu điện dung tụ càng lớn thì bóng đèn loé sáng càng lâu hay thời gian phóng nạp càng lâu.
Từ đây ta suy ra sau một khoảng thời gian nhỏ tụ điện chặn dòng DC. Tuy nhiên nó lại cho dòng AC đi qua.
Tại sao tụ cho dòng AC đi qua?
Trong hình (a) bên trên, điều tương tự xảy ra giống như trong tụ điện được kết nối một chiều ở giai đoạn ban đầu, tức là cực dương của nguồn hút các điện tử từ bản kết nối của tụ điện và đẩy trở lại đầu cuối thứ hai. Tấm đầu tiên trở nên dương và tấm còn lại là âm do có nhiều điện tử. Quá trình này được gọi là quá trình sạc tụ điện, tức là nó lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường.
Khi cực tính của điện áp đặt vào bị đảo ngược tức là dương trở thành âm và ngược lại như trong hình 2 (b). Bây giờ đầu cuối của nguồn âm bị hút vào các lỗ trống và đẩy các electron trở lại các lỗ theo hướng ngược lại. Quá trình này vẫn diễn ra liên tục và dòng điện chạy do chuyển động liên tục của các electron. Quá trình này được gọi là phóng điện của tụ điện tức là nó khôi phục lại năng lượng đã lưu trữ cho mạch.
5. Ứng dụng của tụ điện
a. Bypass capacitor
Tính chất nạp và xả điện của tụ điện có nhiều ứng dụng quan trọng giống như ắc qui. Hãy thử hình dung khi bạn sử dụng đèn pha oto hoặc xe máy. Khi bạn tăng ga, dòng điện sẽ mạnh lên có thể làm cháy bóng đèn. Nhưng nhờ có ắc qui/tụ điện, dòng điện sẽ nạp vào ắc qui, giúp cho dòng điện giảm áp và bóng không bị cháy. Khi bạn giảm ga, dòng điện cấp cho bóng đèn có thể bị yếu đi làm cho nó sáng yếu hơn, nhung lúc này nhờ khả năng xả điện của ắc qui/tụ điện mà bóng đèn vẫn có thể sáng bình thường và ổn định.
Trong hình bên dưới, một tụ điện có giá trị thấp (thường 0,1μF) được đặt gần chân đầu vào nguồn của một chip kỹ thuật số nhạy cảm để chuyển hướng tần số cao gai hoặc nhiễu tới cực âm hay dây GND. Tụ điện với điện dung nhỏ này có thể được mô tả như là một tụ điện làm triệt tiêu nhiễu điện (decoupling capacitor).
b. Snubber
Trong Hình 12-24, một mạng RC (bên trong một đường đứt nét) được gọi là một snubber khi được sử dụng để bảo vệ công tắc khỏi sự cố phóng điện hồ quang (arcing)—tức là tia lửa điện liên tục có thể nhanh chóng ăn mòn các tiếp điểm của công tắc. Hồ quang điện có thể xảy ra trong công tắc, nút bấm hoặc rơle điều khiển tải cảm ứng, chẳng hạn như động cơ. Vấn đề này có thể trở nên quan trọng cho
dòng điện một chiều cao (10A trở lên) hoặc dòng Ac tương đối cao (100V trở lên).
Khi mở công tắc, từ trường đã được duy trì bởi tải quy nạp sụp đổ, gây ra một sự đột biến của dòng điện. Các tụ điện trong snubber hấp thụ đột biến này, do đó bảo vệ các tiếp điểm chuyển đổi. Khi công tắc được đóng lại, tụ điện tự phóng điện, nhưng điện trở hạn chế sự phóng điện của dòng điện — một lần nữa, bảo vệ công tắc.
c. Ứng dụng trong lọc nguồn
Tụ hoá có tác dụng lọc cho điện áp một chiều sau khi đã chỉnh lưu được bằng phẳng để cung cấp cho tải tiêu thụ, ta thấy nếu không có tụ thì áp DC sau đi ốt là điên áp nhấp nhô, khi có tụ điện áp này được lọc tương đối phẳng, tụ điện càng lớn thì điện áp DC này càng phẳng.
d. Tụ điện trong mạch dao động tạo xung vuông
e. Tụ điện trong mạch khuyêch đại
Khi thiết kế mạch khuếch đại, chúng ta đưa một tín hiệu nhỏ làm đầu vào cho hệ thống. Sau đó, hệ thống sẽ khuếch đại tín hiệu và đưa ra phiên bản phóng đại của tín hiệu đầu vào đó. Trong hìn bên dưới tín hiệu đầu vào là Vin, tín hiệu đầu ra là VC =UCE. giữa hai cực C và E của transistor Q1.
Vì vậy, mạch khuếch đại âm thanh mà bạn thấy ở trên được thiết kế với độ lệch phù hợp (điện áp và dòng điện phù hợp được cung cấp cho bóng bán dẫn). Một chút thay đổi về mức điện áp có thể vô hiệu hóa chức năng của mạch.
Nếu tín hiệu đầu vào chứa điện áp DC, điện áp DC này có thể làm xáo trộn độ lệch của mạch khuếch đại của chúng ta. Để tránh tình trạng như vậy, chúng ta đặt một tụ điện C1 để chặn DC đó. Tụ C2 kết hợp với cuộn dây trong Speaker sẽ tạo ra mạch dao động, giúp phát ra sóng âm thanh.
Hãy nhớ rằngH, các tụ điện luôn hoạt động mở đối với tín hiệu DC. Nó không cho phép bất kỳ DC nào đi qua nó.
Vì vậy, nếu bạn đang thiết kế một mạch mà bạn muốn chặn DC, tụ điện có thể là một lựa chọn tốt cho tình huống của bạn.
6. Một số cách mắc tụ điện
a. Mắc nối tiếp
- Các tụ mắc mắc nối tiếp có điện dung tương đương C được tính bởi công thức : 1 / C = (1 / C1 ) + ( 1 / C2 ) + ( 1 / C3 )
- Trường hợp chỉ có 2 tụ mắc nối tiếp thì C = C1.C2 / ( C1 + C2 )
- Khi mắc nối tiếp thì điện áp chịu đựng của tụ tương đương bằng tổng điện áp của các tụ cộng lại. U = U1 + U2 + U3
- Khi mắc nối tiếp các tụ điện, nếu là các tụ hoá ta cần chú ý chiều của tụ điện, cực âm tụ trước phải nối với cực dương tụ sau.
b. Mắc song song
- Các tụ mắc song song thì có điện dung tương đương bằng tổng điện dung của các tụ cộng lại . C = C1 + C2 + C3.
- Điện áp chịu đựng của tụ điện tương tương bằng điện áp của tụ có điện áp thấp nhất.
- Nếu là tụ hoá thì các tụ phải được đấu cùng chiều âm dương
7. Mạch RC
Mạch nối tiếp RC đơn giản hiển thị ở đây được điều khiển bởi một nguồn điện áp. Vì điện trở và tụ điện được mắc nối tiếp nên chúng phải có cùng cường độ dòng điện i(t). Cho đơn giản ta đặt R=RT.
Để tìm điện áp trên điện trở VR(t), bạn sử dụng định luật Ohm cho thiết bị điện trở: VR(t) = Ri(t).
Dòng điện đi qua tụ được cho bởi công thức:
i(t) = Cv’(t),
ở đó v(t) là điện áp của tụ điện và v’(t) là đạo hàm của nó. Từ đó suy ra
VR(t) = RC v’(t).
Mạt khác VT(t)= VR (t) + v(t). Do đó ta có phương trình vi phân cho v(t):
VT(t)= RC v’(t) + v(t).
Tác giả: H.H. Hưng
Tài liệu tham khảo:
Charles Platt, Encyclopedia of Electronic Components, O’Reilly Media, Inc, 2013.