Tụ điện là một phần quan trọng của hầu hết các mạch điện tử. Nhưng chúng thực sự hoạt động như thế nào, và điều gì khiến chúng có thể hoạt động như vậy? Chúng là các linh kiện thụ động có khả năng lưu trữ năng lượng điện dưới dạng điện áp giữa hai bản dẫn được tích điện, được ngăn cách bởi một lớp điện môi cách điện.. Chất điện môi cách điện hạn chế dòng điện một chiều và cho phép dòng điện xoay chiều tạo ra dòng điện dịch chuyển qua hai bản cực do sự cực hóa trong điều kiện có áp dụng điện áp. Những linh kiện này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, từ mạch lọc analog đến nguồn cấp điện và các mạch số tốc độ cao..

Định nghĩa

Tụ điện được biết đến là một loại linh kiện điện tử thụ động. Đây là một hệ hai vật dẫn được ngăn cách nhau bởi lớp cách điện. Khi có sự chênh lệch về điện thế thì các mặt sẽ xuất hiện điện tích. Cùng với đó là điện lượng nhưng trái dấu tại hai bề mặt.

Sự tích tụ điện tích trên hai bề mặt của tụ điện cho phép nó lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường. Trong mạch điện xoay chiều, sự tích lũy điện tích bị trễ pha so với điện áp khi có chênh lệch điện thế, từ đó tạo ra trở kháng đặc trưng của tụ điện.

Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc quy nhưng cách hoạt động hoàn toàn khác nhau. Cụ thể, nếu ắc quy có 2 cực bên trong xảy ra phản ứng hóa học giúp tạo electron ở cực này và chuyển sang cực còn lại.

Trong khi đó, tụ điện lại đơn giản hơn bởi nó không thể tạo ra electron mà chỉ có thể lưu trữ. Bên cạnh đó việc nạp và xả nhanh chính là ưu thế vượt trội của tụ điện so với ắc quy.

Cấu tạo

Cấu tạo của tụ điện tương đối đơn giản nhưng rất tinh vi về mặt vật lý. Mặc dù có nhiều loại tụ điện khác nhau, nhưng cơ bản, mọi tụ điện đều bao gồm ba thành phần chính: hai bản cực và chất điện môi.

Các bản cực:

Hai bản cực của tụ điện là hai bề mặt dẫn điện, giúp lưu trữ điện tích.

Là các tấm kim loại có khả năng dẫn điện như nhôm, Polyme, cacbon (graphene, CNT và carbon hoạt tính) và oxit kim loại.

Một bản cực sẽ tích điện dương và bản còn lại tích điện âm khi có hiệu điện thế (voltage) đặt vào.

Hai bản cực này không tiếp xúc với nhau, mà chúng được ngăn cách bởi lớp chất điện môi (dielectric).

Điện môi:

Chất điện môi là lớp vật liệu cách điện nằm giữa hai bản cực. Nhiệm vụ của chất điện môi là ngăn cản sự dẫn điện giữa hai bản cực, đồng thời tạo ra một điện trường mạnh mẽ khi điện tích được tích tụ. Điện môi có ảnh hưởng trực tiếp đến điện dung của tụ điện và điện áp chịu đựng.

Các vật liệu thường được sử dụng làm chất điện môi bao gồm thủy tinh, gốm, màng nhựa, giấy, mica, không khí và lớp oxit,… Có tác dụng tăng cường điện trường và lưu trữ điện tích.

Lớp điện môi và điện dung:

Lớp điện môi không chỉ ngăn cản sự tiếp xúc giữa hai bản cực mà còn có ảnh hưởng quan trọng đến giá trị điện dung của tụ điện. Điện dung (C) của tụ điện tỷ lệ thuận với diện tích của các bản cực và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng.

Chất điện môi có hằng số điện môi càng cao, thì điện dung càng lớn. Tụ điện với điện môi tốt sẽ có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn.

Các loại tụ điện

Tụ Tantalum

Tụ Tantalum là những tụ điện được làm từ tantalum pentoxide.

Tụ Tantalum, giống như tụ nhôm, đều là tụ hóa, có nghĩa là bị phân cực. Ưu điểm chính của loại tụ này (đặc biệt khi so với tụ nhôm) là nhỏ hơn, nhẹ hơn và ổn định hơn. Tụ tantalum có tốc độ rò rỉ thấp và độ tự cảm thấp giữa các chân. Tuy nhiên nhược điểm của loại tụ này là có khả năng lưu trữ điện dung tối đa và điện áp làm việc tối đa thấp. Tụ Tantalum dễ bị hư khi gặp dòng điện cao. Do đó tụ điện tantalum được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống tín hiệu tương tự không có nhiễu dòng cao.

Tụ gốm

Tụ gốm là tụ điện được cấu tạo từ các vật liệu như titanium acid barium làm chất điện môi. Cùng với tụ hóa, đây là loại tụ điện được sử dụng phổ biến.

Tụ điện gốm có giá trị điện dung cao so với kích thước của nó. Loại tụ này được chế tạo trong phạm vi từ 1pF đến vài microfarad, nhưng không có giá trị điện dung cao như tụ hóa. Tụ gốm được sản xuất với một khoảng rộng giá trị điện áp làm việc và dung sai. Một ưu điểm chính của tụ gốm là bên trong không được chế tạo thành cuộn dây, vì vậy nó có độ tự cảm thấp và do đó rất phù hợp cho các ứng dụng tần số cao. Loại tụ này được sử dụng rộng rãi trên thị trường cho nhiều mục đích, bao gồm cả việc khử ghép.

Tụ điện gốm NPO là một tụ điện siêu bền hoặc bù nhiệt độ. Nó là một trong những tụ điện có độ ổn định cao nhất. Nó không bị lão hóa theo thời gian, do đó rất phù hợp cho các ứng dụng điều chỉnh các mạch và các bộ lọc.

Tụ nhôm

Đây là loại tụ cực kỳ phổ biến được thiết kế với 2 dải nhôm cuộn lại cùng một dải giấy thấm ở giữa. Dải này được ngâm trong dung dịch điện phân và sau đó đóng khuôn để tạo thành hình dạng như một khối hình trụ.

Từ 0,1µF đến 500.000µF sẽ là giá trị điện dung của tụ nhôm, do đó mà đây là loại tụ điện lưu trữ sở hữu điện dung lớn nhất. Đồng thời linh kiện này hoạt động trong khoảng điện áp 10 – 100V.

Mặc dù vậy với tốc độ rò rỉ cao nên tụ nhôm không được sử dụng cho các ứng dụng ghép với tần số AC cao. Không chỉ vậy, với phạm vi dung sai khá rộng khoảng trên dưới 20%. Do yêu cầu độ chính xác cao, các mạch như mạch định thời hoặc mạch lọc thường không sử dụng linh kiện này trong quá trình lắp đặt.

Tụ điện Polyester

Đây là loại tụ được tạo nên từ các tấm kim loại có màng Polyester giữa chính hoặc trên chất cách điện đặt trên một màng kim loại. Giá trị của tụ Polyester trong khoảng từ 1-15µF và sử dụng điện áp hoạt động trong khoảng từ 50 – 1500V.

Tụ điện Polyester có các loại dung sai trong phạm vi 5, 10, 20% với hệ số nhiệt độ cao, do đó thường được lựa chọn cho các ứng dụng ghép hoặc lưu trữ. Lý do là bởi có điện trở cách ly cao.

Trên mỗi đơn vị thể tích của tụ điện Polyester điện dung cao hơn so với các loại tụ khác. Điều này khiến khi có cùng kích thước các tụ khác thì sẽ tích trữ cao hơn. Hơn thế, trên thị trường tụ này có giá thành khá rẻ nên được rất nhiều người lựa chọn dùng trong hệ thống điện gia dụng.

Tụ Điện Điện Phân (Electrolytic Capacitors)

Tụ điện điện phân là loại tụ điện được sử dụng rộng rãi trong các mạch nguồn do khả năng lưu trữ năng lượng lớn trong một kích thước nhỏ gọn. Chúng bao gồm một chất điện giải lỏng và một lớp oxit kim loại hoạt động như chất điện môi. Điều này cho phép tụ điện điện phân đạt được giá trị điện dung cao, dao động từ vài microfarad đến vài nghìn microfarad, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc lưu trữ năng lượng, lọc và làm mịn điện áp, và thường được tìm thấy trong các hệ thống âm thanh.

Tụ điện điện phân là loại tụ phân cực, nghĩa là chúng phải được lắp đặt đúng chiều để tránh hư hỏng hoặc sự cố.. Mặc dù chúng cung cấp điện dung đáng kể, nhưng chúng nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ và có tuổi thọ ngắn hơn so với các loại tụ điện khác. Mức điện áp của tụ điện điện phân dao động từ 10V đến 500V, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, làm cho chúng linh hoạt cho nhiều thiết kế mạch khác nhau.

Tụ Điện Phim (Film Capacitors)

Tụ điện phim được đánh giá cao nhờ độ bền và tuổi thọ hoạt động lâu dài, sử dụng một lớp phim nhựa mỏng làm chất điện môi. Lớp phim nhựa này được kim loại hóa, giúp tăng cường độ dẫn điện và làm cho các tụ điện này trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ ổn định, chẳng hạn như trong các hệ thống âm thanh, bộ điều khiển động cơ và nguồn điện áp cao. Chúng nổi tiếng với khả năng duy trì hiệu suất nhất quán trong một dải nhiệt độ và điều kiện môi trường rộng.

Tụ điện phim có điện trở tương đương thấp (ESR), điều này giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng, tăng cường hiệu suất với mức điện áp từ 50V đến 2000V. Các tụ điện này có khả năng xử lý tải điện đáng kể, làm cho chúng trở nên đa năng cao, và tính không phân cực của chúng giúp đơn giản hóa việc lắp đặt, đảm bảo rằng chúng có thể được đặt ở bất kỳ hướng nào trong mạch.