quocbao gửi vào
- 136417 lượt xem
Bài viết được biên soạn nhắm tới đối tượng người nghiên cứu Arduino cũng như người dùng phổ thông. Tác giả sẽ cập nhật nội dung bài viết nếu cảm thấy những nội dung này là cần thiết với đối tượng người dùng trên, bởi tác giả cũng thuộc đối tượng này.
Sơ lược về tụ điện
Tụ điện là một trong những linh kiện điện tử thụ động rất phổ biến.
Linh kiện điện tử thụ động là những linh kiện không cần nguồn cấp năng lượng để duy trì khả năng hoạt động của chính nó. Có 4 loại linh kiện thụ động là:
Bên trong tụ điện là 2 bề mặt dẫn điện (2 bản tụ) được đặt cách điện với nhau, môi trường giữa 2 bản tụ này được gọi là điện môi (môi trường không dẫn điện). Điện môi có thể là: không khí, giấy, mica, dầu nhờn, nhựa, cao su, gốm, thuỷ tinh...
Đặc tính
Tụ điện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng năng lượng điện trường bằng cách lưu trữ các electron (điện tích âm). Khi điện áp đặt vào 2 bản tụ là điện áp xoay chiều hay có sự biến đổi điều hòa, sự tích luỹ điện tích này bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều cũng như các mạch giao động. Nhờ đặc tính này, tụ điện được ứng dụng trong các mạch dao động, truyền phát sóng vô tuyến,...
Như đã nói ở trên, tụ điện có khả năng tích trữ điện tích âm do đó nó cũng có thể phóng ra các điện tích này để tạo thành dòng điện. Vì vậy, ta có thể xem tụ điện như một nguồn điện. Năng lượng trong tụ điện là năng lượng điện trường, lực điện trường đóng vai trò là lực lạ như trong nguồn điện thông thường.
Bảng so sánh sau giữa tụ điện, nguồn điện thông thường và siêu tụ điện (lai giữa tụ điện và nguồn điện) sẽ cho bạn nắm rõ hơn sự khác biệt giữa chúng. Các thông số được lấy giá trị trung bình để dễ hình dung, trên thực thế có thể khác đôi chút.
| Thông số | Đơn vị tính | Tụ điện | Siêu tụ điện | Pin / Ắc quy |
| Thời gian nạp năng lượng | giây | 10-6 - 10-3 | 1 - 30 | trên 2000 |
|
Thời gian xả năng lượng |
giây | 10-6 - 10-3 | 1 - 30 | trên 600 |
| Năng suất lưu trữ | Wh/kg | dưới 0.1 | 1-10 | 20-100 |
| Công suất | W/kg | trên 10.000 | 1000 - 2000 | 50 - 200 |
| Chu kỳ nạp/xả | lần | trên 500.000 | trên 100.000 | 250 - 2000 |
| Năng lượng hao hụt khi nạp/xả | % | 0% | 5% - 10% | 25% - 30% |
Có thể thấy, tuy khả năng tích trữ năng lượng của tụ điện là không nhiều, nhưng thời gian nạp/xả của nó lại cực nhanh nên nó thường được dụng (mắc song song với nguồn điện) trong các mạch nguồn có công suất tiêu thụ tăng giảm liên tục. Vì sao ? Vì khi công suất tiêu thụ tăng đột biến, nguồn điện không cấp đủ năng lượng, tụ điện sẽ đóng vai trò như một nguồn điện - xả năng lượng để bù thêm cho nguồn phần bị hao hụt. Sau quá trình này, tụ lại được nạp lại. Như bạn đã thấy trong bảng so sánh, tất cả các quá trình này đều chỉ diễn ra trong vòng từ 10-6 đến 10-3 giây.
Ví dụ như mạch nguồn dùng cho các loại động cơ. Khi khởi động, động cơ cần một dòng điện rất lớn đến mức nguồn điện không thể cung cấp kịp, khi đó, người ta thường dùng tụ điện để hỗ trợ như mình giải thích ở trên.
Các thông số kĩ thuật
Điện dung
Đặc trưng cho khả năng lưu trữ năng lượng của tụ điện. Đơn vị điện dung của tụ điện là Fara (F). 1 Fara được định nghĩa là điện dung của một tụ điện có thể được nạp đầy bởi dòng điện có hiệu điện thế 1V, cường độ dòng điện 1A trong thời gian 1 giây.
Quy đổi về mặt trữ lượng: 1 F = 1 A x 1 V x 1 giây = 1A x 1V x 1/3600 giờ = 0.278 mWh.
Một viên pin của các dòng smartphone hiện nay có dung lượng khoảng 5-10 Wh, của máy tính bảng là khoảng 15 - 30 Wh còn của laptop là khoảng 40-100 Wh.
Trên thực tế những tụ điện có điện dung hàng Fara thường đã được xếp vào loại siêu tụ điện. Đa phần các tụ điện chỉ có điện dung nằm trong hàng từ picofara (pF), nanofara (nF) đến micrôfara (µF), minifara (mF) thì hơi hiếm.
Chú ý:
1 F = 103 mF = 106 µF = 109 nF = 1012 pF
Điện áp đánh thủng (điện áp làm việc)
Là điện áp làm việc tối đa của tụ điện. Khi điện áp vượt quá ngưỡng giới hạn này, lực điện trường trong tụ điện sẽ đủ mạnh để làm các electron từ một bản tụ bức ra, bay xuyên qua lớp điện môi đến bản tụ còn lại. Quá trình này làm chất điện môi giữa 2 bản tụ trở thành chất dẫn điện, và người ta gọi quá trình đó là đánh thủng điện môi hay tụ điện bị đánh thủng.
Trên thực tế, điện áp đánh thủng của tụ nên có trị số lớn hơn điện áp mà nó phải chịu lúc làm việc, tốt nhất là gấp 1.5 lần trở lên để đảm bảo an toàn.
Các giá trị phổ biến của điện áp đánh thủng: 5V, 10V, 12V, 16V, 24V, 25V, 35V, 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V, 180V, 250V, 280V, 300V, 400V,...
Có một sự thật là mặc dù cùng một mức điện dung nhưng điện áp đánh thủng lại tỉ lệ thuận với kích thước của tụ.
Phân loại
Trên đây là 3 loại tụ điện cơ bản mà một người nghiên cứu Arduino nên biết phân loại theo tính chất vật lí - hóa học. Ngoài ra người ta còn phân loại tụ điện theo cấu tạo, đặc tính lớp điện môi, điện áp làm việc, tần số làm việc, ...
Tụ phân cực
Là các loại tụ có phân biệt rõ 2 cực âm - dương quy định chiều dòng điện vào/ra tụ. Cản thận nhé vì nếu nối sai cực, bạn có thể làm nổ tụ. Tụ phân cực thường được gọi là tụ hóa hay tụ tantalium (tantan) - nguyên lí hoạt động dựa trên các phản ứng hóa học.
Tụ hóa thường có điện dung lớn cỡ hàng µF trở lên, làm việc trong các mạch có tần số thấp hay cường độ dòng điện lớn, thông số kĩ thuật được ghi trực tiếp lên thân tụ. Ta có thể tìm thấy loại tụ này trong các mạch lọc nguồn, mạch chỉnh lưu, ...
Cách xác định cực tính của tụ hóa:
- Với tụ mới mua về, chân tụ nào ngắn hơn là chân cực âm.
- Với tụ đã qua sử dụng, chân cực âm thường được đánh dấu bằng một dải màu sáng trên thân tụ, trên đó có in những dấu gạch ngang (kí hiệu cực âm).
Tụ không phân cực
Nghe tên thế này thì khỏi cần giải thích rồi, bạn mắc tụ thế nào cũng được, chỉ cần chú ý đến điện áp đánh thủng của tụ là được. Loại tụ này thường là tụ giấy, gốm, mica,... và có điện dung khả nhỏ, từ vài micrôfara đến picofara.
Tụ không phân cực thường dùng trong các mạch tần số cao (mạch cao tần), lọc nhiễu,... hoặc mạch có cường độ dòng điện nhỏ. Các thông số ghi trên tụ thường là ghi tắt theo một quy ước định sẵn. Mỗi hãng sản xuất lại có những quy ước khác nhau nên đôi khi người sử dụng cũng khá lúng túng nếu gặp một số tụ lạ lạ.
Cách đọc thông số của tụ không phân cực: (quy ước phổ biến)
Một tụ có ghi: 333K - 100V - điện dung của tụ là C = 33 x 103 pF = 33 nF, điện áp đánh thủng là Umax - 100V. Chữ "K" biểu thị sai số của tụ (+/- 10%).
Một tụ có ghi: .022 K - 100V - điện dung của tụ là C = 0.022 µF = 22 nF (sai số +/- 10%), điện áp đánh thủng Umax = 100V
Một tụ có ghi: 104 - điện dung của tụ là C = 10 x 104 pF = 100 nF, chữ "j" (có lúc là "J") chỉ sai số điện dung là +/- 5%
Một tụ có ghi: 2A104j - điện dung của tụ là C = 10 x 104 pF = 100 nF, sai số điện dung +/- 5%, chữ "A" chỉ điện áp Umax = 100V
Bạn có thể xem chi tiết tại http://wiki.xtronics.com/index.php/Capacitor_Codes.
Tụ biến dung (tụ xoay)
Là loại tụ điện mà điện dung của nó có thể thay đổi được bằng các tác động vật lí từ người sử dụng. Loại tụ này thường được sử dụng trong kĩ thuật truyền phát sóng vô tuyến để thay đổi tần số cộng hưởng của mạch. Nếu bạn đã từng sử dụng một cái radio để nghe đài thì bạn sẽ thấy có một cái nút vặn để dò kênh, cái nút này chính là bộ phận điều chỉnh điện dung của tụ trong mạch thu sóng radio.
Trong khuôn khổ nền tảng Arduino, loại tụ này hầu như không đóng vai trò gì nên mình sẽ không giới thiệu chi tiết.
Kí hiệu trong mạch
Tụ điện được kí hiệu là C (C1,C2,C3,..). C là viết tắt của chữ Capacitor trong tiếng anh, ám chỉ tụ điện.
Như trong hình là loại tụ có phân cực với bản to là cực dương và bản nhỏ là cực âm. Đôi với tụ không phân cực, 2 bản này được vẽ giống nhau. Đôi khi người ta cũng vẽ tụ có phân cực như tụ không phân cực, nhưng có thêm 2 dấu "+" và "-" ở 2 bản để biểu thị cực tính.
Ứng dụng của tụ điện
Trên đây là những ứng dụng cơ bản của tụ điện. Đối với người nghiên cứu Arduino, không cần phải biết quá nhiều và sâu như người nghiên cứu điện tử thuần túy.
Đối với mạch điện xoay chiều
- Đóng vai trò tương tự như vật dẫn điện với dung kháng (điện trở) nhất định. Tần số dòng điện càng lớn thì trở kháng của tụ càng nhỏ, cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch càng lớn và ngược lại. Với dòng một chiều, tụ điện có trở kháng +oo. Đặc tính này được ứng dụng trong các mạch truyền tín hiệu.
- Lọc dòng điện xoay chiều sau khi chỉnh lưu để đưa dòng điện từ xoay chiều sang một chiều.
... và một số ứng dụng khác.
Đối với mạch điện một chiều
- Hỗ trợ nguồn điện trong các mạch có công suất tiêu thụ tăng giảm đột ngột (mạch loa, động cơ,...) khi nguồn không cấp đủ năng lượng trong thời gian ngắn.
- Lọc nhiễu tín hiệu (xung PWM).
- Khử các tia lửa điện trong động cơ điện một chiều.
... và một số ứng dụng khác.
