Tụ Điện Là Gì? Cấu Tạo, Nguyên Lý & Công Dụng Của Tụ Điện

Tụ điện là một linh kiện, thiết bị có vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực điện – điện tử. Chúng có mặt trong hầu hết các mạch điện từ đon giản đến phức tạp. Ngoài ra tụ điện còn được dùng trong nhiều tủ điện công nghiệp để bù công suất phản kháng.

Trong chuyên đề này, hãy cùng Nam Phương Việt làm rõ: Tụ điện là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và công dụng của tụ điện như thế nào?

Tụ điện là gì?

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện – điện tử, tụ điện là một thiết bị thụ động hai cực có khả năng lưu trữ năng lượng trong điện trường của chính nó.

Cụ thể là bên trong tụ điện sẽ có ít nhất 2 tấm kim loại được ngăn cách với nhau bằng 1 chất điện môi (chất không dẫn điện). Khi chúng ta cấp điện cho tụ, thì 2 tấm kim loại sẽ tích điện dưới dạng các điện tích (+) và (-), đồng thời giữa 2 tấm kim loại sẽ sinh ra một trường điện.

Có thể có nhiều bạn nhầm lẫn giữa tự điện và pin, vì nhìn qua cấu tạo của chúng khá tương tự nhau. Nhưng chúng hoạt động hoàn toàn khác nhau:

• Tụ điện: Là một linh kiện điện tử lưu trữ năng lượng tĩnh điện trong trường điện. Tụ điện có thể phóng thích điện tích lưu trữ nhanh với công suất cao hơn pin, nhưng không thể lưu trữ năng lượng nhiều như pin.
• Pin: Là một thiết bị điện tử chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện dưới dạng các phản ứng oxy hóa khử giữa các chất điện cực.

Độ lớn của một tụ điện hay khả năng lưu trữ điện tích của một tụ điện được đại diện bằng đại lượng gọi là điện dung, ký hiệu C, đơn vị Farad (F). Thông thường người ta sẽ sử dụng các tụ có dung lượng µF (10 -6 F).

Dung lượng của một tụ điện phẳng có thể được xác định theo công thức:

C = ε_r * ε₀ * A * (n – 1) / d

Trong đó:

• C là dung lượng tụ điện, đơn vị F
• ε_r là hằng số điện môi tương đối, đơn vị (C² /(Nm²))
• ε₀ là hằng số điện môi của không gian hoặc chân không, giá trị 8,854187817 * 10^-12 C² / (Nm²))
• A là diện tích tấm điện cực, đơn vị m²
• n là số lớp điện cực
• d là độ dày của lớp điện môi, khoảng cách giữa các tấm, đơn vị m

BẢNG HÀNG SỐ ĐIỆN MÔI TƯƠNG ĐỐI CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tụ điện

Như Nam Phương Việt đã nói ở trên, cấu tạo tụ điện gồm có các bản cực và lớp điện môi cách điện. Cụ thể:

• Các bản cực: Là các tấm kim loại có khả năng dẫn điện như nhôm, Polyme, cacbon (graphene, CNT và carbon hoạt tính) và oxit kim loại.
• Điện môi: 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.

Bạn đọc có thể xem hình ảnh minh họa bên dưới để hiểu rõ hơn.

Nguyên lý hoạt động của tụ điện:

Khi đặt một điện áp vào hai bản cực của tụ điện, các electron sẽ dịch chuyển từ bản cực âm sang bản cực dương qua nguồn điện. Điều này tạo ra sự tích tụ điện tích dương trên một bản và điện tích âm trên bản còn lại. Sự tích tụ điện tích trên hai bản cực tạo ra một điện trường giữa chúng. Điện trường này có tác dụng hút các điện tích trái dấu về phía mình và đẩy các điện tích cùng dấu ra xa.

Tụ điện có một đặc tính quan trọng gọi là dung kháng (capacitive reactance). Dung kháng phụ thuộc vào tần số của dòng điện và dung lượng của tụ điện. Dung kháng càng lớn thì tụ điện càng cản trở dòng điện có tần số cao đi qua.

Công dụng của tụ điện là gì?

Tụ điện, với khả năng tích trữ điện tích và năng lượng điện, đóng vai trò quan trọng trong rất nhiều mạch điện tử. Dưới đây là một số công dụng chính của tụ điện:

• Lưu trữ năng lượng: Ví dụ, chúng được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số để thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính lớn không bị mất trong trường hợp mất điện tạm thời.
• Lọc nhiễu: Tụ điện hoạt động như bộ lọc chế độ vi sai và có thể được sử dụng để loại bỏ EMI. Ví dụ: Trong mạch nguồn điện, tụ điện giúp lọc các thành phần sóng xoay chiều không mong muốn, giúp điện áp ra ổn định hơn.
• Tạo dao động và điều chỉnh tần số: Tụ điện kết hợp với cuộn cảm (inductor) để tạo thành mạch dao động, dùng trong các thiết bị phát sóng radio và bộ lọc tín hiệu.
• Lọc tín hiệu AC/DC: Ví dụ: Trong mạch khuếch đại âm thanh, tụ điện được sử dụng để ngăn chặn thành phần DC không mong muốn làm ảnh hưởng đến tín hiệu AC.
• Bảo vệ mạch điện: Ví dụ: Trong mạch điện xe hơi, tụ điện được sử dụng để bảo vệ hệ thống khỏi các xung điện áp khi bật/tắt động cơ.
• Làm trễ thời gian: Ví dụ: Trong mạch timer, tụ điện xác định thời gian trễ trước khi kích hoạt một sự kiện.
• Tăng hiệu suất trong các mạch điện: Tụ điện cung cấp năng lượng tức thời, giúp làm giảm độ nhấp nhô của điện áp, duy trì điện áp ổn định, đặc biệt trong các mạch nguồn. Ví dụ: Trong mạch lọc của biến tần, tụ điện giúp làm bằng phẳng các gợn sóng điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu và cung cấp điện áp ổn định hơn cho mạch nghịch lưu.
• Cung cấp mô-men xoắn cao hơn trong quá trình khởi động động cơ điện.
• Bù công suất phản kháng, tăng hệ số cos φ trong các tủ điện công nghiệp.

Như vậy có thể thấy, tụ điện là một linh kiện điện tử đa năng, có vai trò quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo các mạch điện tử hiện đại.

=> Có thể bạn quan tâm: Tụ bù điện 3 pha là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tụ bù 3 pha

Các loại tụ điện trên thị trường hiện nay

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại tụ điện khác nhau, tùy thuộc vào chất liệu điện môi, cấu trúc và ứng dụng. Mỗi loại đều có các đặc tính và ứng dụng riêng biệt. Dưới đây là các loại tụ điện phổ biến:

Tụ điện tĩnh điện (tụ điện không phân cực)

Tụ điện tĩnh thường được tạo thành từ hai điện cực kim loại (các tấm song song) được ngăn cách bởi một lớp điện môi. Ví dụ: tụ gốm, tụ màng mỏng, tụ giấy.

Tụ điện gốm

Tụ điện gốm sử dụng vật liệu gốm làm chất điện môi. hiện nay trên thị trường có 2 loại tụ gốm chính là tụ gốm nhiều lớp (MLCC) và đĩa gốm (bạn đọc xem hình ảnh bên dưới để hiểu rõ hơn).

Điện dung của tụ điện gốm thường rất nhỏ, trong khoảng từ 1nF đến 1μF và điện áp định mức tối đa thấp so với tụ điện phân và không phân cực.

Có 2 loại điện môi sử dụng trọng tụ điện gốm:

• Loại 1: Sử dụng vật liệu điện môi paraelectric như TiO₂ và perovskite titanates cùng với các chất phụ gia Zn, Mg hoặc Ta. Những tụ điện này cung cấp sự thay đổi tối thiểu hoặc độ lệch điện dung với nhiệt độ và điện áp ổn định. Do độ điện môi tương đối thấp của vật liệu điện môi thuận điện (6–200), giá trị điện dung của chúng nằm trong khoảng picofarad đến microfarad thấp. Chúng thích hợp nhất trong các bộ dao động, bộ lọc, v.v. vì tổn thất thấp.
• Loại 2: Loại này được làm bằng vật liệu sắt điện như bari titanat cùng với các chất phụ gia như nhôm silicat, magie silicat và oxit nhôm. Đặc trưng là có độ điện môi cao (200–14.000), nhưng chúng có độ chính xác và độ ổn định của điện dung và điện áp thấp hơn do hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ từ trung bình đến cao. Những loại tụ điện này được sử dụng trong các ứng dụng có tần số từ thấp đến rất cao đến 100 MHz và lý tưởng cho các ứng dụng tách và ghép trong đó giá trị chính xác của điện dung là không quan trọng.

Tụ điện màng

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại tụ điện màng:

• Tụ điện màng mỏng hoặc tụ điện polyme: là tụ điện điện không phân cực (như gốm) với hai tấm lá nhôm, hoạt động như các điện cực được ngăn cách bởi các màng nhựa cách điện hoặc giấy làm chất điện môi. Các tụ điện màng mỏng thường có kích thước vật lý khá lớn, cho phép chúng hoạt động tốt ở các xung dòng điện cao.
• Tụ điện màng mỏng kim loại: Được làm từ màng nhựa nhưng được phủ trực tiếp 1 lớp nhôm hoặc kẽm bằng quy trình lắng đọng chân không. Đặc điểm của loại tụ này là chúng có đặc tính tự phục hồi, ngăn ngừa sự cố điện môi hoặc đoản mạch. Nhược điểm của nó là điện trở cách điện, độ ổn định điện dung, khả năng dẫn dòng điện cao cho các ứng dụng xung và hệ số tiêu tán thấp hơn tụ điện màng.
• Tụ điện màng công suất: Tương tự như tụ điện màng về mặt cấu trúc, nhưng có mức công suất cao đến rất cao. Do đó, chúng chủ yếu được ứng dụng trong các hệ thống điện và lắp đặt điện. Với chức năng sửa đổi điện áp, dòng điện hoặc tần số trong các ứng dụng điện và để hiệu chỉnh hệ số công suất. Điện áp định mức của tụ màng công suất ở khoảng 75V đến 100KV.

Trong 3 loại trên, thì phổ biến hơn cả vẫn là các loại tụ điện dựa trên Polyme, với các loại vật liệu điện môi khác nhau như: polypropylene , polyester, polyethylene naphthalate, polyphenylene sulfide, polytetrafluoroethylene , polystyrene và polycarbonate. Với giá trị điện dung thường dao động từ 5pF đến 100μF với định mức điện áp DC từ 50 đến 2000 V, tùy thuộc vào cường độ đánh thủng của polyme.

Tụ điện cấu trúc Nano

Các thiết bị có cấu trúc nano ngày càng trở nên phổ biến do diện tích bề mặt lớn để xây dựng các cấu trúc kim loại-chất cách điện-kim loại (MIM) nhiều lớp.

Ví dụ: oxit kẽm pha tạp nhôm (AZO–Al₂O₃ –AZO).

Tụ điện nano được chế tạo bằng 2 phương pháp:

• Phương pháp lắng đọng nguyên tử (ALD)
• Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)

Các phương pháp này giúp tạo ra các cấu trúc có kích thước nanomet với lệ khung hình cao, khó hình thành bằng các phương pháp thông thường.

Tụ điện phân (tụ điện phân cực)

Tụ điện phân là tụ điện phân cực sử dụng chất điện phân để đạt được điện dung cao hơn so với các loại tụ điện khác. Với chất điện phân là các loại chất lỏng có nồng độ ion cao.

Tụ điện phân thường có điện dung dao động từ khoảng 0,1μF đến phạm vi farad thấp và điện áp hoạt động là vài trăm vôn DC.

Vì là tụ điện phân cực nên khi lắp đặt vào mạch điện cần lưu ý cực dương và cực âm của tụ. Vì nếu lắp ngược, lớp oxit sẽ hòa tan trong chất điện phân và thiết bị có thể bị đoản mạch. Trong trường hợp nghiêm trọng, chất điện phân có thể nóng lên và phát nổ.

Tụ điện phân bao gồm có 3 loại là:

• Tụ điện phân nhôm: Được tìm thấy trong nhiều ứng dụng như nguồn điện và bo mạch chủ máy tính. Chúng được chế tạo với các giá trị điện dung từ 0,1μF đến 2,7F điện áp định mức từ 4 đến 630V.
• Tụ điện phân Tantalum: Tụ điện tantalum có kim loại tantalum làm cực dương được phủ một lớp điện môi tantalum pentoxit (Ta₂O₅ ) rất mỏng (ε_r = 27), được bao quanh bởi chất điện phân dẫn điện (lỏng hoặc rắn) làm cực âm. Ưu điểm của loại tụ này là có đặc tính tần số và độ ổn định vượt trội so với các tụ điện phân khác. Tuy nhiên giá của chúng rất đắt và sử dụng thời gian dài thường dễ bị hỏng do hiện tượng kết tinh trường.
• Tụ điện phân niobium: Tương tự như tụ điện tantalum về cấu tạo nhưng sử dụng niobi pentoxit (ε_r = 41) làm chất điện môi và niobi monoxide làm cực dương. Tụ điện NbO (OxiCap) là giải pháp thay thế an toàn nhất hiện có trong số các công nghệ tụ điện khác nhau, với giá trị chi phí so với hiệu suất tốt. Chúng có ưu điểm là chi phí thấp hơn và khả năng cung cấp niobi tốt hơn so với tantalum.

Tụ điện phân thường có mật độ năng lượng cao hơn 10 lần so với tụ điện tĩnh điện và tần số sử dụng lên đến 10 hoặc 20 kHz.

Tụ điện hóa (siêu tụ điện)

Tụ điện hóa là sự kết hợp của khả năng lưu trữ năng lượng cao của pin thông thường với khả năng cung cấp điện năng cao của tụ điện thông thường. Bao gồm hai điện cực, một bộ tách, một chất điện phân, hai bộ thu dòng điện và một vỏ bọc chứa các thiết bị này.

Tụ điện hóa thường có cấu trúc các cực dạng xốp, do đó diện tích bề mặt của chúng lớn (khoảng 1000–2000 m²cm⁻³) và mật độ năng lượng cao.

Một ứng dụng thường thấy của tụ điện hóa là trong xe điện hoặc xe điện hybrid, chúng có nhiệm vụ cung cấp công suất cực đại trong quá trình tăng tốc hoặc leo dốc và được sạc lại bằng phanh tái tạo.

Các loại chất điện phân dùng trong tụ điện hóa thường bao gồm:

• Chất điện phân dạng nước là dung dịch gốc nước chứa muối như CaCl₂, KCl, KOH, H₂SO₄ và Na₂SO₄.
• Chất điện phân hữu cơ được điều chế bằng cách hòa tan các muối h ữu cơ như Et₄NBF₄, (C₂H₅)₄PBF₄ và tetraethylammonium tetrafluoroborate trong các dung môi hữu cơ như acetonitril (ACN) và propylen cacbonat.
• Chất điện phân ion (IL) là muối nóng chảy có điểm nóng chảy ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn. Chúng bao gồm các tổ hợp anion và cation phức tạp và không đối xứng: imidazolium và pyrrolidinium với các cation như 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium,…

Hiện nay, trên thị trường có 3 loại tụ điện hóa dựa trên loại vật liệu chế tạo các điện cực của chúng, bao gồm:

Tụ điện dùng điện cực carbon

Tụ điện dùng Carbon làm vật liệu điện cực bao gồm có các loại:

Than hoạt tính (AC):

• Than hoạt tính thu được bằng cách cacbon hóa (xử lý nhiệt trong không khí trơ) các tiền chất hữu cơ như vỏ dừa và nhiên liệu hóa thạch. Ưu điểm của AC là diện tích bề mặt lớn, chi phí thấp và sản xuất quy mô lớn. 
• Điện dung trong siêu tụ điện sử dụng AC đã đạt 200–350 Fg⁻¹ ở 0,9 V trong chất điện phân dạng nước (dựa trên nước) và 130–220 Fg⁻¹ ở 2,7 V trong chất điện phân hữu cơ

Cacbon có nguồn gốc từ cacbua (CDC):

• Được hình thành bằng cách chiết xuất kim loại không phải cacbon ở nhiệt độ cao từ các tiền chất cacbua. Thông qua các phương pháp như lắng đọng chân không và clo hóa ở nhiệt độ cao.
• Ưu điểm của CDC bao gồm việc điều chỉnh chính xác mạng lưới xốp do sự phân bố đa dạng của các nguyên tử cacbon trong cấu trúc cacbua.
• Nhược điểm của CDC sử dụng chất lỏng độc hại như hydro florua để hòa tan các khuôn mẫu và tốn kém do nhiệt độ chế tạo cao (∼1200°C) và chi phí cao của các khuôn mẫu.

Ống nano carbon (CDT):

• CNT có đặc tính là độ xốp có thể kiểm soát được do cấu trúc ống độc đáo của chúng, cho phép vận chuyển ion và electron nhanh. Điện cực cacbon được phân cực tốt, tuy nhiên độ dẫn điện của nó phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt, kết cấu vi mô và lai hóa. Chúng ổn định về mặt hóa học và hoạt động tốt ở nhiều nhiệt độ khác nhau.
• Một nhược điểm của siêu tụ điện dựa trên CNT là điện trở tiếp xúc lớn giữa vật liệu hoạt động và bộ thu dòng điện. Và để loại bỏ điều này, các nhà khoa học đã phát triển 2 phương pháp là kỹ thuật từng lớp (LbL) và kỹ thuật lắng đọng điện di.

Tấm graphene:

• Ưu điểm của siêu tụ điện dựa trên Graphene là có tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao, khoảng cách khuếch tán ngắn do độ mỏng của nó (vài angstrom), tính linh hoạt về cấu trúc, độ ổn định nhiệt và hóa học, hệ thống lỗ rỗng mở và khả năng tương thích với chất điện phân có cửa sổ điện hóa rộng.
• Nhược điểm: Khó khăn trong tổng hợp graphene chất lượng cao trên quy mô lớn; graphene cho thấy sự kết tụ và xếp chồng lại nghiêm trọng, làm giảm diện tích bề mặt và do đó làm giảm mật độ năng lượng.

Tụ điện dùng điện cực oxit kim loại

Bằng việc sử dụng oxit kim loại chuyển tiếp trong một hoặc cả hai điện cực, thông qua phản ứng oxy hóa khử faradic thuận nghịch xảy ra tại hoặc gần bề mặt của vật liệu tiếp xúc với chất điện phân. Các nhà khoa học đã tạo ra các tụ điện giả điện dung.

Các oxit kim loại thường dùng bao gồm: RuO₂, MnO₂, V₂O₅ và Fe₂O₃.

Sự khác biệt giữa pin và vật liệu giả điện dung:

• Pin: Toàn bộ vật liệu điện cực hoặc một phần của nó tham gia vào phản ứng faradic. Cơ chế hoạt động liên quan đến sự truyền khốigiữa chất điện phân và điện cực.
• Vật liệu giả điện dung: Phản ứng chỉ xảy ra trong khoảng cách ngắn (10nm) từ bề mặt của vật liệu điện cực. Cơ chế giả điện dung không liên quan đến sự truyền khối giữa chất điện phân và điện cực.

Vì lý do đó, hành vi sạc và xả của vật liệu giả điện dung xảy ra theo thứ tự giây và phút. Và điện dung giả dẫn đến mật độ năng lượng và công suất cao trong cùng một vật liệu.

Tụ điện dùng điện cực gốc polyme

Polyme là vật liệu giả điện dung tuyệt vời vì độ dẫn điện cao (lên đến 104 Scm^-1 đối với polyacetylene pha tạp), độ hoạt động điện cao, chi phí thấp và bản chất không độc hại.

Quá trình oxy hóa và khử xảy ra trên các liên kết đôi liên hợp π (kết nối các orbital p với các electron không cục bộ trong các phân tử có liên kết đơn và liên kết bội xen kẽ do các quỹ đạo electron chồng chéo giữa các nguyên tử lân cận). Giúp polyme lưu trữ và giải phóng điện tích hiệu quả.

Điện cực polymer thường được phân loại thành ba loại:

• Hai màng polyme dẫn điện pha tạp p giống hệt nhau được sử dụng cho cả hai điện cực, ví dụ, PANi và PANi. Điện áp hoạt động nhỏ hơn 1V và có thể sử dụng với chất điện phân gốc nước (vì điện áp đánh thủng của nước là ∼1,3 V) và chất điện phân không chứa nước (∼4 V).
• Hai loại polyme dẫn điện pha tạp p khác nhau được sử dụng làm điện cực, ví dụ, PPy là cực dương và PT là cực âm. Điện áp hoạt động nhỏ hơn 1.5V và có thể sử dụng với chất điện phân gốc nước (vì điện áp đánh thủng của nước là ∼1,3 V) và chất điện phân không chứa nước (∼4 V).
• Polyme dẫn điện pha tạp p và n được sử dụng làm vật liệu hoạt động trên điện cực dương và điện cực âm. Ví dụ về các vật liệu này là màng poly-3-(4-fluorophonyl)-thiophene pha tạp p và n. Điện áp hoạt động cho các điện cực này theo một số báo cáo khoa học là cao tới 3,1 V đối với chất điện phân gốc không chứa nước.

Nhược điểm chính của siêu tụ điện dựa trên polyme là vật liệu điện cực bị phồng lên và co lại khi tuần hoàn. Có thể gây ra hư hỏng cấu trúc, có thể làm giảm hiệu suất điện hóa.

 Ứng dụng của tụ điện trong đời sống

Tụ điện là một linh kiện điện tử không thể thiếu trong các mạch điện, với khả năng tích trữ điện năng và tạo ra các trường điện. Nhờ những đặc tính này, tụ điện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Trong các mạch điện tử:

• Tụ điện có khả năng chặn các tín hiệu tần số cao, giúp loại bỏ nhiễu và đảm bảo sự ổn định của mạch. Ví dụ tụ bypass
• Lưu trữ và cung cấp năng lượng tạm thời cho các mạch điện, đặc biệt là trong các mạch xung.
• Tạo độ trễ trong các mạch điều khiển và tạo sóng.
• Tụ điện được sử dụng để ghép nối các tầng khuếch đại, giúp truyền tín hiệu một cách hiệu quả.
• Kết hợp với các linh kiện khác như cuộn cảm,… tạo ra các mạch dao động, tạo ra các tín hiệu xoay chiều có tần số nhất định.

Trong các thiết bị điện tử tiêu dùng:

• Điện thoại di động: Tụ điện được sử dụng trong các mạch nguồn, mạch lọc, mạch điều chỉnh âm lượng, và nhiều mạch khác.
• Máy tính: Tụ điện được sử dụng trong các mạch nguồn, mạch bộ nhớ, mạch đồng hồ, và các mạch giao tiếp.
• Thiết bị âm thanh: Tụ điện được sử dụng trong các mạch lọc, mạch phân tần, và mạch khuếch đại.
• Tivi: Tụ điện được sử dụng trong các mạch nguồn, mạch điều khiển, và mạch hình ảnh.
• Biến tần: Tụ điện được dùng trong mạch lọc biến tần, giúp làm phẳng điện áp DC sau mạch chỉnh lưu.

Trong công nghiệp:

• Tụ điện được sử dụng trong các tủ bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số cosφ của hệ thống điện.

Chúng ta vừa cùng nhau tìm hiểu về tụ điện là gì? Cấu tạo, nguyên lý cũng như là các loại tụ điện trên thị trường. Hy vọng những thông tin này sẽ hữu ích cho bạn. Nếu có bất cứ thắc mắc nào, vui lòng comment bên dưới để được Nam Phương Việt tư vấn và giải đáp nhé.