Thế giới điện tử là bàn đạp mà công nghệ cần được thúc đẩy. Và bàn đạp này được tạo thành từ các bộ phận nhỏ như bình ngưng. Trong bài viết tò mò này, bạn sẽ tìm hiểu chi tiết Tụ điện là gì ?, các chức năng khác nhau được áp dụng với nó và tầm quan trọng to lớn của nó trong các lĩnh vực khác nhau.
Tụ điện
Để bắt đầu nghiên cứu về tụ điện, trước tiên chúng tôi sẽ giải thích tụ điện là gì. Nó là một thành phần điện thụ động, tức là nó không tự tạo ra điện, có khả năng lưu trữ điện tích và giải phóng nó sau đó. Bạn có thể tìm thấy anh ấy như tụ điện hoặc tụ điện. Điện tích mà nó duy trì bên trong là một điện thế hoặc hiệu điện thế.
Câu chuyện về số lượng người hiến tặng phát sinh vào năm 1745 khi Ewald Georg von Kleist người Đức nhận ra rằng việc lưu trữ điện tích là có thể. Điều này phát sinh do một tai nạn khi anh kết nối máy phát tĩnh điện với một lượng nước bên trong bình hoặc chai thủy tinh bằng dây cáp. Khi anh ấy tháo dây cáp và đặt tay lên nó.
Không một năm trôi qua khi nhà vật lý người Hà Lan Pieter van Musschenbroek phát minh ra một tụ điện có cùng đặc tính. Để kỷ niệm trường đại học nơi ông làm việc, ông gọi bình ngưng này là "chai Leyden."
Tụ điện hoạt động như thế nào?
Bây giờ hãy nhìn cách một tụ điện hoạt động y Tụ điện để làm gì. Cách mà nó quản lý để lưu trữ điện tích là sử dụng hai tấm làm bằng vật liệu dẫn điện, chẳng hạn như tantali, được ngăn cách bởi một số vật liệu điện môi, chẳng hạn như không khí.
Trước khi tiếp tục, điều quan trọng là không nhầm lẫn chất điện môi với vật liệu cách điện hoàn toàn. Có nghĩa là, tất cả các chất điện môi đều là chất cách điện, nhưng điều này không nhất thiết làm cho tất cả chất cách điện trở thành chất điện môi. Vật liệu điện môi có khả năng dẫn điện khi chịu điện tích lớn và phá vỡ độ bền của chất điện môi. Một số vật liệu này có thể là: gốm, giấy, sáp, thủy tinh, dầu, trong số những vật liệu khác. Vật liệu cách điện hoàn toàn là những vật liệu, bất kể phải chịu bao nhiêu điện tích, vật liệu này sẽ không phải là vật dẫn điện, ví dụ là cao su.
Bây giờ, các tấm bên trong tụ điện, được nuôi bằng nguồn điện, sẽ được tích điện theo các phần bằng nhau nhưng có dấu hiệu khác nhau. Điều này có nghĩa là một điện tích sẽ dương (+ q), và điện tích khác sẽ có cùng độ lớn nhưng mang điện tích âm (-q), ở những điện tích bằng nhau nhưng khác dấu được gọi là sự khác biệt về thế năng hay hiệu điện thế.
Nói chung, trong các tụ điện không khí, giấy, tantali, nhôm và gốm sứ được sử dụng làm vật liệu điện môi, ngoài ra, trong một số tụ điện, một số loại nhựa nhất định được sử dụng.
Dung lượng lưu trữ mà tụ điện hoặc tụ điện có được tính bằng đơn vị Farads. Phạm vi mà hầu hết các tụ điện được tìm thấy là từ pico (pF) đến micro (uF) Farads. Phương trình tính dung lượng của tụ điện là:
C=q/V
Trường hợp:
q = là điện tích mà mỗi tấm tích trữ. Đơn vị của nó là Coulomb (C)
V = là hiệu điện thế, hiệu điện thế hoặc hiệu điện thế giữa hai bản hoặc vật dẫn của tụ điện. Đơn vị của nó là Volts (V)
Áp dụng công thức này, nếu chúng ta giả sử các giá trị cho tải 1 và cho điện áp 1, nó sẽ cho chúng ta 1 Farad. Tuy nhiên, đây chỉ là một ví dụ, vì một tụ điện có dung lượng này không tồn tại vì nó sẽ rất lớn. Để có được một ý tưởng, nó sẽ bao gồm không gian 1000 m2.
Bây giờ, nếu chúng ta muốn biết điện áp mà một tụ điện có thể lưu trữ khi biết điện tích và Farads của tụ điện, thì chúng ta có thể giải Điện áp từ phương trình trước đó là:
V=q/C
Sạc và xả tụ điện
Một trong những đặc điểm của tụ điện là sự phóng điện của nó là tăng dần và không ngay lập tức. Một tụ điện có một khoảng thời gian phóng điện. Đặc tính này cho phép tụ điện có các ứng dụng khác như bộ định thời và bộ lọc trong mạch điện.
Khi một tụ điện được sạc đầy, đó là lúc nó cho phép điện áp đi qua. Khi ngắt nguồn điện, tụ điện bắt đầu giải phóng dần điện áp về phía tải hoặc phần tử tiêu thụ điện áp.
Nói chung, tụ điện luôn được đặt trước điện trở vì lý do bảo vệ tụ điện. Ngay cả khi tụ điện có nội trở nhỏ không đáng kể, nếu không cẩn thận bảo vệ tụ có thể bị hỏng, thậm chí cháy nổ.
Phí tụ điện
Để đơn giản giải thích hoạt động của tụ điện khi sạc, chúng tôi sẽ sử dụng ví dụ được sử dụng nhiều nhất để minh họa:
Hãy xem xét một đoạn mạch có nguồn điện như pin, một điện trở tên là R1 có nhiệm vụ điều khiển dòng điện chạy đến tụ điện để bảo vệ nó. Ngoài ra, một công tắc cho phép tụ điện sạc hoặc phóng điện, và cuối cùng, một điện trở được gọi là R2 sẽ đại diện cho thiết bị tiêu thụ dòng điện.
Trước hết chúng ta hãy xem công tắc được bố trí như thế nào để tụ điện mắc nối tiếp với nguồn điện và điện trở, nhân đây chúng ta phải nhấn mạnh rằng điện trở này được gọi là điện trở tải.
Tại thời điểm này, tụ điện đang được sạc một cách có kiểm soát nhờ vào điện trở sạc. Sự kết hợp giữa điện trở và tụ điện này cho phép bạn đặt bộ hẹn giờ mà chúng tôi đã đề cập trước đó. Điều này là do điện trở ngăn cản dòng điện đi qua tự do, vì vậy dòng điện đi qua mạch lâu hơn, để sau đó đi qua tụ điện thì phải mất một thời gian để tích điện.
Thời gian để một tụ điện tích điện có thể được tính theo công thức sau:
t1 = 5 x R1 x C
Donde:
t1: là thời gian sạc. Đơn vị của nó là mili giây (tôi)
R1: là điện trở tải. Đơn vị của nó là ohms (Ω).
C: là điện dung của tụ điện. Đơn vị của nó là Farads (F)
Phương trình này cho phép chúng ta khẳng định rằng điện trở tải càng cao và / hoặc điện dung của tụ điện càng lớn thì thời gian sạc càng lâu. Điều này có thể được xác minh trong biểu đồ sau đây.
Bạn có thể thắc mắc điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta không đặt điện trở tải. Về mặt lý thuyết, tụ điện sẽ sạc ngay lập tức. Tuy nhiên, như chúng tôi đã đề cập trước đó, điều này không được khuyến khích vì các tụ điện chỉ có thể nhận một dòng điện nhỏ. Nếu chúng ta nhớ Định luật Ôm, chúng ta có thể thấy rằng:
Tôi=V/R
Trường hợp:
I: là dòng điện. Đơn vị của nó là Ampe (A)
V: là hiệu điện thế. Đơn vị của nó là Volts (V)
A: đó là sự phản kháng. Đơn vị của nó là Ohm (Ω)
Nếu điện trở có xu hướng hoặc bằng 0, điều này có nghĩa là dòng điện trên thực tế sẽ là vô hạn, hoặc ít nhất là rất lớn. Tụ điện chỉ có thể hỗ trợ cấp nguồn từ dòng điện thấp hơn. Tóm lại, nếu không đặt loại điện trở tải, tụ có thể không chịu được dòng điện đó và sẽ bị cháy.
Bây giờ giả sử tụ điện đã được sạc, vậy điều gì sẽ xảy ra? Hãy quay trở lại định luật Ohm, khi điện áp tăng và vì giá trị của điện trở được duy trì, giá trị của dòng điện có xu hướng bằng không.
Như chúng ta đã biết, chức năng của tụ điện là lưu trữ điện áp hoặc hiệu điện thế. Điều này có nghĩa là khi tụ điện tích điện, tại điểm đó sẽ có điện áp cao hơn. Vì điện trở không thay đổi giá trị của nó, nên dòng điện có xu hướng bằng không. Nói tóm lại, một khi tụ điện được sạc, nó sẽ hoạt động giống như một mạch hở hoặc giống như một công tắc ngăn dòng điện đi qua, mặc dù sẽ có điện áp hoặc điện áp tại điểm đó.
Xả ngưng tụ
Bây giờ chúng ta hãy trình bày trường hợp nghịch đảo. Thời điểm công tắc thay đổi vị trí và đặt tụ điện nối tiếp với điện trở R2 thì tụ điện bắt đầu phóng điện. Vì sao? Vì điện trở R2 biểu thị mức tiêu thụ của mạch và điện trở này sẽ cần được cung cấp khi mạch mà nó đóng. Nguồn cung cấp này sẽ được cung cấp bởi tụ điện, xả ra sự chênh lệch tiềm năng mà nó đã tích trữ.
Đối với việc xếp dỡ, việc dỡ hàng không phải là ngay lập tức mà phải tiến hành dần dần. Và cũng như khi sạc, phương trình ước tính thời gian phóng điện cũng giống như vậy. Điều này có nghĩa là thời gian để tụ điện phóng điện phụ thuộc vào điện trở của R2 và điện dung của tụ điện. Tương tự như vậy, ở đây chúng tôi làm mới lại phương trình:
t1 = 5 x R1 x C
Donde:
t2: là thời gian sạc. Đơn vị của nó là mili giây (mili giây)
R2: là điện trở tải. Đơn vị của nó là ohms (Ω).
C: là điện dung của tụ điện. Đơn vị của nó là Farads (F)
Ví dụ, loại mạch này có thể kiểm soát thời gian một thiết bị bật.
Bộ ngưng tụ như một bộ lọc
Một trong những ứng dụng khác mà tụ điện thường được sử dụng là làm bộ lọc. Điều này có thể xảy ra nhờ đặc tính của nó là sạc và phóng điện dần dần, và hiện tượng này được sử dụng để làm sạch các tạp chất khỏi tín hiệu hoặc sóng điện.
Nếu chúng ta lấy mạch điện ban đầu làm ví dụ, nhưng trong trường hợp này với nguồn điện xoay chiều. Tụ điện sẽ bắt đầu sạc cho đến khi nó đạt đến khả năng lưu trữ tối đa, sau đó dòng điện sẽ ngừng và tải sẽ bắt đầu được cung cấp bởi điện áp tồn tại trong tụ điện. Ngay sau khi tụ điện bắt đầu phóng điện, nguồn điện sẽ tiến hành nạp điện cho tụ điện mà không cần đợi nó phóng điện hoàn toàn.
Điều này có thể dễ hiểu hơn về mặt trực quan:
Như bạn thấy, sóng của nguồn điện xoay chiều có dạng hình sin và nhờ thuộc tính của tụ điện, có thể chỉnh lưu sóng trong nguồn điện trực tiếp. Điều này rất hữu ích cho các nguồn cung cấp điện được sử dụng bởi máy tính, chẳng hạn. Nhiều thiết bị không thể hoạt động với dòng điện xoay chiều mà với dòng điện một chiều và đó là lúc các nguồn điện đi vào như một vật trung gian. Tất nhiên, những bộ nguồn này có nhiều thành phần hơn nữa để đạt được mục tiêu này.
Các loại tụ điện
Tụ điện hoặc tụ điện có thể có nhiều cách phân loại khác nhau. Tiếp theo, chúng ta sẽ bắt đầu bằng cách phân loại tụ điện theo loại chất điện môi của chúng:
Vì chất điện môi của nó
Tụ điện được phân loại theo chất điện môi mà chúng có. Có cái gọi là tụ điện, chúng là những tụ có cực tính, tức là chúng có một cực dương hoặc "chân" và một cực âm. Nếu chúng được kết nối với cực tính bị đảo ngược, tụ điện sẽ bị hỏng.
Các tụ điện này, không giống như các tụ điện khác là chúng sử dụng chất lỏng ion dẫn điện. Chất lỏng này là một dung dịch hóa học, thường bao gồm axit boric hoặc natri borat với đường ethylene glycol. Chất lỏng này đi vào như một chất thay thế cho một trong các tấm hoặc tấm dẫn điện của bình ngưng.
Không giống như tụ điện, tụ điện có chất điện môi là không khí, gốm, giấy hoặc những thứ khác, không có phân cực cố định. Ngoài ra, chúng có hai tấm bên trong và không có chất lỏng bên trong.
Cả hai loại tụ điện đều có ứng dụng của chúng, vì vậy không thể thay thế các tụ điện cho nhau mặc dù chúng có điện trở khác nhau.
Tóm lại, có các bình ngưng:
- Điện phân
- Gốm sứ
- Giấy
- Của không khí
- Tụ điện biến đổi
Cố định hoặc thay đổi
Giống như điện trở, có tụ điện có dung lượng cố định và cũng có tụ điện có dung lượng thay đổi. Điều này đạt được bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa các tấm của chúng bằng cách sử dụng một núm vặn, chẳng hạn như một chiết áp hoặc một biến trở.
Theo hình dạng của nó
Các thiết bị ngưng tụ có thể thay đổi thiết kế của chúng, thiết bị ngưng tụ dạng đĩa, hình ngọc trai và hình ống hiện có, như được hiển thị bên dưới tương ứng.
Mã tụ điện
Có một số tụ điện cho biết giá trị dung lượng của chúng bằng bảng màu, rất giống với bảng màu được sử dụng bởi điện trở.
Mã màu
Màu đầu tiên cho biết giá trị của hình thứ nhất, thứ hai của hình thứ hai, thứ ba là số mũ tăng lên 10, tức là 10 sẽ được nâng lên thành số mà màu thứ ba đại diện. Màu thứ tư cho biết tỷ lệ phần trăm biến đổi, có nghĩa là, nó có thể là, ví dụ, hơn 10% hoặc 10% đối với giá trị cho biết dung lượng. Cuối cùng, màu thứ năm cho biết điện áp hoặc điện áp sạc. Tất cả các tụ điện này đều có picofarads trên một đơn vị.
Giá trị của các màu có trong bảng thương mại như sau:
Mã tiếng nhật
Có một loại mã khác để nhận biết điện dung của tụ điện là một loại mã được gọi là mã tiếng Nhật hoặc mã 101. Mã này bao gồm ba con số có thể nhìn thấy trên tụ điện.
Hai chữ số đầu tiên tạo thành một số phải nhân với 10 được nâng lên thành số thứ ba, giữ picofarad như một đơn vị. Ví dụ:
Tụ điện này có mã là 104. Vậy cách tính dung lượng của tụ điện này là:
10 X 104 = 100000 pF = 0,1 uF
Mã chữ và số
Có một mã khác để xác định vật liệu và dung lượng của tụ điện, sử dụng sự kết hợp của các chữ cái và số. Có nhiều cách để trình bày mã kết hợp số và chữ cái này và chúng rất đa dạng nên không thực sự đáng để học chúng, vì vậy thay vào đó, bạn nên tham khảo Datasheet của nhà sản xuất.
Tụ điện mắc nối tiếp và song song
Giống như các điện trở, vị trí của các tụ điện mắc nối tiếp hoặc song song tạo ra một hành vi trong tổng điện dung. Hãy bắt đầu xem xét hiện tượng xảy ra khi tụ điện mắc nối tiếp.
Tụ điện trong loạt
Khi mắc nối tiếp các tụ điện thì công suất của mỗi tụ điện như sau:
Phương trình phát sinh:
Vt = V1 + V2
Trường hợp:
Vt: tổng điện áp
V1: hiệu điện thế của tụ điện thứ nhất
V2: hiệu điện thế của tụ thứ hai
Hãy quay lại phương trình để tính công suất của tụ điện:
C=q/V
Trường hợp:
q = là điện tích mà mỗi tấm tích trữ. Đơn vị của nó là Coulomb (C)
V = là hiệu điện thế, hiệu điện thế hoặc hiệu điện thế giữa hai bản hoặc vật dẫn của tụ điện. Đơn vị của nó là Volts (V)
Và có thể xóa V theo cách sau:
V=q/C
Bây giờ, nếu chúng ta thay thế mỗi V của mỗi tụ điện trong mạch bằng biểu thức trước đó, chúng ta nhận được rằng;
1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3… 1 / Cn
Tụ điện song song
Trong trường hợp này, vì các tụ điện mắc song song, hiệu điện thế mà mỗi tụ điện nhận được bằng hiệu điện thế của nguồn điện, do đó ta phải:
Vt = V1 = V2 = V3… Vn
Đâu
Vt: là tổng hoặc điện áp nguồn
V1: Hiệu điện thế của tụ điện thứ nhất
V2. Điện áp tụ thứ hai
V3: Hiệu điện thế của tụ thứ ba
Một lần nữa, nếu chúng ta quay lại biểu thức cho phép chúng ta ước tính giá trị điện áp theo tải và giá trị công suất:
V=q/C
Và chúng ta tiến hành thay thế từng V của mỗi tụ điện của đoạn mạch bằng biểu thức trước đó, chúng ta thu được rằng:
C = C1 + C2 + C3… + Cn
Sử dụng bình ngưng
Tụ điện là một trong những thành phần cơ bản nhất của điện tử. Gần như không thể đề cập đến một thiết bị ngày nay mà không yêu cầu tụ điện trong thiết kế của nó. Tiếp theo, chúng tôi sẽ đề cập đến một số ứng dụng phổ biến nhất mà tụ điện được tìm thấy.
- Pin và ký ức: Nhờ khả năng lưu trữ của nó, có thể đặt song song nhiều tụ điện để tăng khả năng sạc.
- Bộ lọc: Chúng được sử dụng rộng rãi trong các mạng điện vì chúng có thể loại bỏ gợn sóng và nhiễu từ mạng, hoặc trong trường hợp ngược lại, để các sóng hài tạo ra bởi các mạng điện bên trong được lọc trước khi quay trở lại mạng. Trong viễn thông, khả năng lọc của nó được sử dụng rộng rãi để thiết lập các dải tần số và cũng để giảm hoặc loại bỏ nhiễu.
- Những nguồn năng lượng: Hành vi sạc và xả dần dần của nó cho phép chỉnh lưu sóng, điều cần thiết trong bộ nguồn để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, vì hầu hết các thiết bị điện tử hoạt động bên trong với dòng điện một chiều, nhưng dịch vụ điện hoạt động với dòng điện xoay chiều. Đó là lý do tại sao nguồn điện cần thiết cho hoạt động của các thiết bị, và trong số các bộ phận cấu tạo nên nó thì tụ điện đóng vai trò không thể thay thế.
- Bộ điều hợp trở kháng: Tụ điện có thể phóng điện và tích điện trong khoảng thời gian thực tế không đáng kể và điều này cho phép điện trở suất cộng hưởng với các thành phần khác, do đó hai mạch có trở kháng khác nhau có thể được ghép nối hoặc làm việc cùng nhau.
Tuy nhiên, đây chỉ là một vài công dụng của nó mà chúng ta có thể kể ra. Tụ điện có ứng dụng trong điện tử, mạng điện lớn, viễn thông và các loại khác. Từ máy tính, điện thoại di động, tủ lạnh, đồng hồ kỹ thuật số, ti vi và nhiều phát minh khác, chúng có tụ điện bên trong chúng như một phần thiết yếu của bộ tạo thành và mang lại sự sống cho các thiết bị hoặc thiết bị.
Kết luận
Các ứng dụng mà thiết bị điện tử có ngày nay rất quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, đến nỗi nó thực tế không thể tồn tại trong một thế giới mà nó không còn tồn tại. Và thế giới công nghệ tiên tiến rộng lớn này bắt đầu từ những nền tảng khiêm tốn nhất của nó cũng như mỗi thành phần là một phần của thiết bị điện tử.
Đây là trường hợp của tụ điện, một thành phần được làm bằng vật liệu rất đơn giản, làm cho nó trở thành một trong những thành phần cơ bản của điện tử, nhưng chính nhờ đặc tính của nó mà không thể không tìm thấy nó trong tất cả các thiết bị điện tử tồn tại. .
Không nghi ngờ gì nữa, sự tiến bộ của điện tử đã là động lực cơ bản mở đường cho sự tiến bộ của công nghệ trong các lĩnh vực khác nhau. Và mặc dù bản thân bình ngưng không hữu ích lắm khi kết hợp với các thành phần khác, thiết bị phức tạp như Thẻ nhớ RAM, máy tính, rô bốt, máy bay không người lái, điện thoại di động, máy chủ và nhiều hơn nữa.