Tụ điện là một trong những linh kiện được sử dụng nhiều nhất trong mạch điện tử. Có thể nói rằng gần như không thể tìm thấy một mạch điện hoạt động mà không sử dụng tụ điện. Bài hướng dẫn này được viết để cung cấp một sự hiểu biết tốt về nguyên lý hoạt động của tụ điện và cách sử dụng chúng trong các mạch điện thực tế. Bài hướng dẫn này tập trung vào ba câu hỏi quan trọng mà một người mới bắt đầu sẽ có về tụ điện.
TỤ ĐIỆN LÀ GÌ:
Tụ điện là một trong những linh kiện thụ động (không thể tự tạo ra năng lượng) trong điện tử. Tụ điện này có khả năng lưu trữ điện tích trong nó và điều này dẫn đến việc tạo ra một điện áp hoặc nói cách khác là năng lượng tiềm năng trên các cực của nó. Nói một cách đơn giản, nó giống như một pin nhưng chỉ có thể lưu trữ điện tích tạm thời. Để làm cho mọi thứ trở nên thú vị, nó phản ứng khác nhau với DC (dòng điện một chiều) so với AC (dòng điện xoay chiều). Chúng ta sẽ giải thích điều này chi tiết hơn trong phần “Nguyên lý hoạt động của tụ điện”. Bây giờ hãy xem tụ điện được cấu tạo như thế nào.
BÊN TRONG MỘT TỤ ĐIỆN:
Cấu tạo của tụ điện khá đơn giản. Nó bao gồm hai tấm dẫn điện như được hiển thị trong sơ đồ trên (Tấm 1 và Tấm 2), trong đó hai tấm này được ngăn cách bởi một khoảng cách nhỏ và có vật liệu cách điện ở giữa chúng, còn được gọi là chất điện môi. Nó giống như một chiếc bánh sandwich, trong đó chúng ta có hai tấm dẫn điện và vật liệu cách điện hoặc chất điện môi kẹp ở giữa chúng.
Mỗi tụ điện có một giá trị điện dung cụ thể. Chúng ta đã biết rằng tụ điện có khả năng lưu trữ điện tích trong các tấm của nó. Điện dung này xác định lượng điện tích tối đa mà nó có thể lưu trữ. Diện tích tấm càng lớn và khoảng cách giữa chúng càng nhỏ thì giá trị điện dung sẽ càng cao. Điện dung này được cho bởi công thức
C = Q / V
FARAD:
Vì vậy, mỗi tụ điện có một giá trị điện dung nhất định trong đó. Đơn vị đo điện dung được đo bằng Farad. Khi chúng ta chỉ định một giá trị điện dung là 1 Farad, điều đó có nghĩa là tụ điện chứa điện tích 1 Coulomb trong các tấm dẫn của nó khi một điện áp được áp dụng trên các cực của nó.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TỤ ĐIỆN:
Bây giờ là lúc để tìm hiểu sâu hơn một chút về nguyên lý hoạt động của tụ điện. Như đã nói ở trên, tụ điện hoạt động khác nhau với AC và DC.
TỤ ĐIỆN VỚI DC:
Hãy xem xét DC trước và xem nó phản ứng với DC như thế nào. Ban đầu, tụ điện sẽ ở trạng thái xả, có nghĩa là không có điện tích trên các tấm của nó. Khi điện áp DC được áp dụng trên các cực của nó, dòng điện chạy và sạc nó. Dòng sạc ban đầu qua tụ điện sẽ rất cao. Điều này dẫn đến việc tích lũy điện tích dương trên một tấm và điện tích âm trên tấm khác. Khi điện tích trên các tấm tụ điện tăng lên, dòng sạc dần dần giảm do sự tích tụ điện tích trên các tấm của nó và nó cản trở dòng điện chảy. Ngoài ra, điện tích tích lũy trên các tấm tạo ra một hiệu điện thế trên các tấm.
Dòng sạc tiếp tục sạc tụ điện cho đến khi điện áp phát triển bằng với điện áp áp dụng trên nó. Tại thời điểm này, dòng sạc ngừng chảy do điện áp phát triển trên tụ điện. Trong trường hợp này, tụ điện được sạc đầy với điện tích dương trên một tấm và điện tích âm tương đương tồn tại trên tấm kia. Điện áp phát triển trên tụ điện thường được ký hiệu là Vc. Tụ điện sẽ giữ điện áp Vc này cho đến khi điện áp trên nó tồn tại. Khi điện áp cung cấp dừng lại, dòng xả từ tụ điện bắt đầu chảy. Tại thời điểm này, điện áp Vc bắt đầu giảm và điện tích tích lũy trên các tấm của nó giảm.
Dòng xả chậm lại sau một khoảng thời gian, tại thời điểm này tốc độ giảm điện áp cũng chậm lại. Sau một thời gian, điện áp tụ điện Vc sẽ đạt đến không và điện tích tích lũy trên các tấm của nó sẽ bằng không. Trạng thái này được gọi là trạng thái xả của tụ điện. Bây giờ bạn có thể thấy lý do tại sao chúng ta đã so sánh tụ điện với một pin.
TỤ ĐIỆN VỚI AC:
Như đã nói trước đó, tụ điện phản ứng khác khi được cấp điện áp AC. Khi điện áp DC được áp dụng, tụ điện chỉ sạc theo một hướng. Tuy nhiên, khi AC được áp dụng, tụ điện sạc và xả xen kẽ tùy thuộc vào tần số của nó. Và do đó, với điện áp AC, tụ điện sẽ tiếp tục cho phép dòng điện chảy qua nó vô thời hạn, không giống như DC, nơi mà tụ điện chặn dòng điện sau một khoảng thời gian.
Điều thú vị ở đây là dòng sạc và dòng xả qua một tụ điện khi chịu điện áp AC phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp áp dụng trên các tấm của nó. Dòng điện chảy trong tụ điện khi AC được áp dụng có xu hướng dẫn trước điện áp 90°. Hãy nhìn vào biểu đồ dưới đây.
Xem xét điện áp AC được áp dụng trên một tụ điện, điện áp ban đầu sẽ là tối thiểu và tại thời điểm này, dòng sạc sẽ đạt cực đại như bạn có thể thấy trong biểu đồ trên. Khi điện áp đạt giá trị đỉnh, dòng sạc sẽ bằng không. Sau khi đạt giá trị đỉnh, điện áp sẽ bắt đầu giảm và dòng xả bắt đầu chảy từ tụ điện. Khi điện áp AC đạt đến điện áp không, hoàn thành nửa chu kỳ dương của tín hiệu, dòng xả sẽ đạt cực đại. Khi tín hiệu bắt đầu với chu kỳ âm, dòng xả dần dần giảm và đạt đến không khi điện áp đạt cực đại trong nửa chu kỳ âm. Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng dòng điện dẫn trước điện áp 90′ hoặc điện áp chậm pha so với dòng điện 90° trong mạch AC. Điều này thường được mô tả là điện áp và dòng điện không cùng pha.
TRỞ KHÁNG ĐIỆN DUNG:
Một điều quan trọng khác cần biết về tụ điện trong mạch AC là chúng gây ra một sức cản đối với dòng điện chảy trong mạch AC. Điều này được gọi là trở kháng và cụ thể hơn là trở kháng điện dung. Trở kháng này được cho bởi công thức
Xc = 1 / 2πFC hoặc 1 / ωC (ω = 2πF)
Từ công thức trên, chúng ta có thể suy ra rằng trở kháng điện dung giảm khi tần số của tín hiệu AC và điện dung của tụ điện tăng lên. Khi tần số tín hiệu cao hoặc gần vô cùng, trở kháng sẽ gần bằng không. Ở đây, tụ điện hoạt động như một chất dẫn hoàn hảo. Ngoài ra, khi tần số của tín hiệu AC trở nên thấp hoặc gần bằng không, trở kháng sẽ rất cao và nó hoạt động như một điện trở rất lớn hoặc mạch hở đối với tín hiệu đến.
ỨNG DỤNG CỦA TỤ ĐIỆN:
Bây giờ chúng ta đã hiểu tụ điện là gì và cách nó hoạt động. Hãy chuyển sang phần quan trọng nhất của bài viết này “Ứng dụng của tụ điện”.
TỤ ĐIỆN TÁCH GHÉP:
Đây là những tụ điện rất quan trọng để sử dụng trong tất cả các mạch kỹ thuật số. Các IC hoặc chip kỹ thuật số cần một điện áp ổn định để hoạt động. Bất kỳ sự biến động hoặc dao động điện áp nào cũng có thể dẫn đến việc chip không hoạt động hoặc đôi khi chip có thể bị phá hủy. Đây chính là nơi tụ điện tách ghép sẽ đóng vai trò quan trọng. Đây là những tụ điện thường được đặt gần các chip, kết nối với các chân VCC và GND của chip như thể hiện trong sơ đồ mạch trên.
Khi mạch được bật nguồn, tụ điện tách ghép bắt đầu sạc qua Vcc và ngừng sạc khi điện áp tụ điện đạt đến điện áp cung cấp. Tại thời điểm này, khi có sự dao động điện áp cung cấp, tụ điện sẽ cung cấp năng lượng cho IC trong một khoảng thời gian ngắn để duy trì điện áp ổn định cho IC. Ngoài ra, khi có sự tăng vọt trong điện áp cung cấp đầu vào, tụ điện bắt đầu sạc lên điện áp cung cấp mới của nó. Điều này giúp giữ điện áp đầu vào cho IC1 ổn định. Trong các mạch lớn với nhiều IC, người ta thường khuyên dùng một tụ điện lớn gần nguồn điện và các tụ điện nhỏ gần mỗi IC được sử dụng trong mạch. Tụ điện lớn sẽ cung cấp điện áp ổn định xuyên suốt mạch. Các tụ nhỏ đáp ứng nhu cầu của các IC được sử dụng với nó.
TỤ ĐIỆN GHÉP NỐI:
Chúng ta đã thấy tụ điện tách ghép được sử dụng để chặn dao động điện áp hoặc nói cách khác, nó giúp chặn các tín hiệu AC vì dao động hoặc sụt áp là một dạng tín hiệu AC do điện áp của tín hiệu thay đổi theo thời gian. Tụ điện ghép nối mặt khác chặn tín hiệu DC trong khi cho phép tín hiệu AC đi qua. Nói cách khác, những tụ điện này được sử dụng để ghép nối hoặc liên kết tín hiệu AC đầu vào với giai đoạn tiếp theo của mạch bằng cách chặn các tín hiệu DC không mong muốn.
Những tụ điện này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khuếch đại và âm thanh, nơi mà điểm quan tâm của chúng ta chỉ là tín hiệu AC. Ví dụ, chúng ta có một mạch âm thanh được cấp nguồn bởi nguồn 9v DC. Mạch nhận tín hiệu đầu vào giọng nói từ một micrô và tín hiệu đầu vào giọng nói này (tín hiệu AC) là điểm quan tâm của chúng ta. Có một khả năng lớn là tín hiệu DC từ nguồn 9v có thể bị trộn lẫn với tín hiệu đầu vào giọng nói này. Và để loại bỏ thành phần DC này khỏi tín hiệu đầu vào giọng nói, một tụ điện ghép nối C1 (được hiển thị trong mạch trên) được sử dụng, nơi nó chặn tín hiệu DC và chỉ cho phép tín hiệu có tần số thay đổi đi qua. Hãy nhớ rằng chúng ta đã học tụ điện có trở kháng rất cao hoặc chặn tín hiệu DC.
Không chỉ DC, với việc lựa chọn đúng các giá trị tụ điện, chúng ta có thể chặn thành công các tần số thấp không mong muốn và chỉ cho phép các tần số cao mong muốn đi qua. Điều này được quy định bởi trở kháng của tụ điện, nó được cho bởi công thức Xc = 1 / 2πFC (chúng ta đã thấy điều này trước đó trong bài hướng dẫn). Hãy nhớ rằng chúng ta đã biết tụ điện có trở kháng cao đối với các tần số thấp trong khi đối với các tần số cao, giá trị trở kháng sẽ thấp. Do đó, để làm cho một tụ điện ghép nối cho phép các tín hiệu tần số thấp đi qua, chúng ta cần sử dụng các tụ điện có giá trị lớn hơn và đối với các tín hiệu tần số cao, giá trị tụ điện thấp hơn sẽ đủ.
BỘ LỌC:
Đây là các khối mạch được sử dụng để lọc các tần số không mong muốn khỏi tín hiệu đầu vào. Tụ điện tạo thành một phần không thể thiếu trong việc xây dựng bộ lọc cùng với điện trở và cuộn cảm. Bộ lọc có chức năng mở rộng hơn so với tụ điện tách ghép. Cơ bản có ba loại bộ lọc khác nhau mà bạn cần biết.
BỘ LỌC THÔNG THẤP:
Bộ lọc thông thấp được sử dụng để cho phép các thành phần tần số thấp hơn tần số cắt đi qua và chặn các thành phần tần số cao hơn. Đây là cách nó hoạt động khi tín hiệu đến có tần số thấp, tụ điện thể hiện trở kháng cao (điện trở cao) so với điện trở. Do đó, điện áp xuất hiện trên tụ điện sẽ rất cao so với độ sụt áp trên điện trở. Vì vậy, chúng ta sẽ nhận được tín hiệu đến mà không bị suy giảm hoặc với mức suy giảm thấp. Trong khi đó, khi tín hiệu đến có tần số cao, trở kháng do tụ điện gây ra sẽ thấp. Vì vậy, độ sụt áp trên điện trở sẽ rất cao so với điện áp tụ điện, do đó chặn tín hiệu đến giai đoạn tiếp theo.
BỘ LỌC THÔNG CAO:
Đây là các bộ lọc chỉ cho phép tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt đi qua và chặn tín hiệu có tần số thấp hơn. Điều gì xảy ra ở đây là khi tín hiệu đến có tần số thấp, tụ điện thể hiện trở kháng cao và hoạt động như một mạch hở đối với tín hiệu. Mặt khác, khi tín hiệu đến có tần số cao, tụ điện thể hiện trở kháng thấp (điện trở). Điều này rất thấp so với điện trở R1. Ở đây, độ sụt áp trên tụ điện sẽ rất nhỏ so với điện trở và do đó cho phép tín hiệu đầu ra tần số cao đi qua mà không bị suy giảm hoặc với mức suy giảm thấp.
BỘ LỌC THÔNG DẢI:
Đây là sự kết hợp của bộ lọc thông cao và bộ lọc thông thấp. Bộ lọc này sẽ chỉ cho phép tín hiệu của một dải tần số cụ thể đi qua và chặn tín hiệu nằm ngoài dải tần số này. Loại bộ lọc này sẽ có hai tần số cắt lý tưởng là tần số cắt trên và tần số cắt dưới. Bộ lọc này sẽ chặn tín hiệu có tần số thấp hơn tần số cắt dưới và lớn hơn tần số cắt trên. Như bạn có thể thấy trong mạch trên, nó được cấu tạo bằng các bộ lọc thông cao và thông thấp. Sự kết hợp của chúng sẽ chỉ cho phép một dải tần số giữa tần số cắt trên và dưới đi qua và chặn tín hiệu nằm ngoài các tần số này.
MẠCH ĐỊNH THỜI:
Từ những gì chúng ta đã thấy cho đến nay, chúng ta biết rằng khi sử dụng tụ điện với DC, nó mất thời gian để sạc và đạt đến điện áp đã áp dụng. Các mạch định thời này tận dụng đặc tính này của tụ điện và sử dụng nó để tạo ra các độ trễ thời gian cần thiết. Nhưng ở đây, cùng với tụ điện, một điện trở cũng được sử dụng cùng với nó để kiểm soát tốc độ sạc của tụ điện, điều này sẽ ảnh hưởng đến độ trễ thời gian.
Mạch được hiển thị ở trên là một mạch định thời RC, trong đó tụ điện C1 được cấp nguồn DC không đổi 9v. Độ trễ thời gian được tạo ra bằng cách sử dụng mạch này được đưa ra bằng hằng số thời gian T. Hằng số thời gian có thể được tính bằng công thức
T = RC
Một tụ điện mất 5T hoặc 5 lần hằng số thời gian để sạc đầy. Vì vậy, áp dụng giá trị điện trở và tụ điện trên vào phương trình này sẽ cho ra độ trễ thời gian 5 giây. Năm giây độ trễ thời gian để tụ điện đạt đến điện áp cung cấp 9v trên các cực của nó kể từ khi nguồn điện được bật.
5T = 5 x R x C = 5 x 10k x 100uF Độ trễ thời gian = 5 giây.
Điều thú vị xảy ra đằng sau nguyên lý hoạt động của mạch này để tạo ra độ trễ thời gian cần thiết. Để hiểu điều này, chúng ta hãy xem đồ thị đường cong sạc của tụ điện.
Đồ thị trên cho thấy mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và thời gian cần thiết để sạc tụ điện. Tại thời điểm t = 0, tụ điện sẽ ở trạng thái xả và điện áp DC sẽ được áp dụng cho mạch. Khi điện áp được áp dụng, dòng sạc chảy qua tụ điện tích lũy các điện tích đối và đồng dấu trên các tấm. Điều này dẫn đến sự tăng điện áp tụ điện Vc. Dòng sạc sẽ ở mức tối đa khi bắt đầu. Tụ điện sẽ được sạc 63% điện áp cung cấp khi thời gian đạt đến hằng số T, được đánh dấu là 1 trong đồ thị trên.
Liên hệ điều này với mạch trên, T sẽ là 1 giây và đến thời điểm đó, điện áp tụ điện sẽ là 63% của 9v, tức là 5,67v. Và từ đồ thị, bạn có thể suy ra rằng sau 5T (hằng số thời gian), tụ sẽ được sạc lên điện áp cung cấp và ngừng hoàn toàn dòng sạc. Bây giờ tụ điện được gọi là đã được sạc đầy.
Sử dụng phương trình 5T = 5RC, bạn có thể cố định các giá trị của tụ điện và điện trở để buộc mạch RC này tạo ra độ trễ thời gian cần thiết cho bất kỳ ứng dụng nào.
MẠCH TANK HOẶC MẠCH ĐIỀU HƯỞNG:
Loại mạch này có thể được tìm thấy chủ yếu trong các bộ phát sóng radio, bộ thu và các ứng dụng chọn tần số. Tụ điện hoạt động cùng với cuộn cảm trong các mạch này để thực hiện công việc. Mạch tank hoặc mạch điều hưởng sẽ được sử dụng khi chúng ta cần tạo ra tín hiệu hoặc nhận tín hiệu có tần số cụ thể từ tín hiệu phức tạp với nhiều thành phần tần số trong đó và đó là nơi từ “điều hưởng” xuất phát. Các phần tử trong mạch này, C và L, có thể được điều chỉnh theo nhu cầu của chúng ta.
Nguyên lý hoạt động của mạch trên dựa trên trở kháng của cả tụ điện và cuộn cảm. Giống như tụ điện, cuộn cảm cũng thể hiện trở kháng. Nhưng không giống như tụ điện, cuộn cảm thể hiện trở kháng cao với các tín hiệu tần số cao, trong khi tụ điện thể hiện trở kháng cao với các tín hiệu tần số thấp. Mạch tank này sẽ được xây dựng theo cách mà trở kháng của cả hai phần tử tụ điện và cuộn cảm sẽ bằng nhau tại một tần số, do đó đạt được cộng hưởng. Tại cộng hưởng, mạch tank này có khả năng tạo ra các tín hiệu có tần số được gán hoặc nhận các tín hiệu có tần số đó.
Đây là cách nó hoạt động, khi tụ điện được kết nối trong mạch này được sạc, nó lưu trữ các điện tích giữa các tấm của nó. Dòng điện từ tụ điện sau đó sẽ chuyển sang cuộn cảm, điều này sẽ tạo ra một từ trường xung quanh nó. Điều này dẫn đến sự cạn kiệt điện tích trên các tấm và điện áp trên nó giảm xuống không. Cuộn cảm có đặc tính cản sự thay đổi dòng điện chạy qua nó. Khi dòng điện từ tụ điện dừng lại, từ trường của cuộn cảm sụp đổ cho phép dòng điện chảy qua mạch. Dòng điện này đến tụ điện và sạc nó một lần nữa, tạo ra các điện tích trong các tấm của nó và phát triển điện áp trên nó. Chu kỳ này tiếp tục lặp lại liên tục, tạo ra các tín hiệu có tần số cộng hưởng. Chúng ta cũng có thể sử dụng mạch này để trích xuất các tín hiệu có tần số này từ một tín hiệu phức tạp.
