Công dụng của tụ điện trong mạch
Một tụ điện là một linh kiện điện tử cơ bản hoạt động giống như một viên pin sạc nhỏ với dung lượng rất thấp. Tụ điện được sử dụng để tạo ra dao động, trễ thời gian, tăng cường nguồn điện và nhiều hơn nữa.Giống như hầu hết các linh kiện, cách dễ nhất để hiểu cách hoạt động của một tụ điện là nhìn bằng mắt thường những gì nó làm trong một mạch điện.
Khi tôi bắt đầu học điện tử lúc còn là một thiếu niên, đây là linh kiện đầu tiên tôi được học. Cách cha tôi giải thích đã giúp tôi dễ hiểu mặc dù lúc đó tôi không có kiến thức cơ bản về điện tử.Trong hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách một tụ điện hoạt động để bạn có thể hiểu được nó làm gì trong các mạch điện, và cách bạn có thể sử dụng nó trong các dự án của riêng mình.
Tụ điện là gì?
Một tụ điện được cấu tạo bởi hai tấm kim loại với một lớp vật liệu điện môi (một vật liệu không dẫn điện) ở giữa các tấm. Và thực sự không có gì đặc biệt hơn thế. Nó đơn giản như vậy và bạn thậm chí có thể tự làm một tụ điện bằng cách sử dụng hai tấm nhôm với một tờ giấy ở giữa.
Hoạt động của tụ điện
Khi bạn đặt một hiệu điện thế qua hai tấm, dòng điện sẽ chảy khi điện thế cố gắng đẩy các electron qua tụ điện. Nhưng các electron không thể đi qua lớp điện môi giữa các tấm, thay vào đó các electron sẽ tích tụ trên một tấm và rời khỏi tấm kia.Cuối cùng, phía mà các electron tích tụ sẽ không còn chỗ cho thêm electron, vì vậy dòng điện sẽ ngừng chảy. Khi điều đó xảy ra, tụ điện đã được sạc đầy. Lượng điện tích mà tụ điện có thể giữ được gọi là điện dung của nó.Các electron không thích bị đông đúc trên một tấm. Chúng muốn đi sang phía có ít electron hơn. Vì vậy, nếu bạn cung cấp một đường dẫn cho các electron chảy (ví dụ bằng cách nối một điện trở giữa các chân của nó) thì các electron sẽ chảy trở lại phía bên kia cho đến khi có sự cân bằng số lượng electron trên cả hai phía của tụ điện.
Cách hoạt động của tụ điện
Tôi thích trả lời câu hỏi “Tụ điện hoạt động như thế nào?” bằng cách nói rằng tụ điện hoạt động giống như một viên pin sạc nhỏ với dung lượng rất thấp.Nhưng một tụ điện thường được sạc và xả trong một phần nhỏ của một giây. Vì vậy, nó không được sử dụng cho cùng một mục đích như pin. Thay vào đó, nó được sử dụng cho các việc như thêm trễ thời gian, tạo ra dao động, và như một máy phát nhỏ dự phòng cho vi điều khiển.
Một mạch tụ điện đơn giản
Nếu bạn muốn hiểu cách hoạt động của tụ điện mà không cần đọc lý thuyết và công thức – thì hãy lắp mạch này:
Bạn có thể sử dụng một pin 9V, một đèn LED (Diode phát quang) tiêu chuẩn và một tụ điện 1000 µF. Giá trị điện trở có thể khoảng 500-1000 ohm.Nối pin, bạn sẽ thấy đèn LED sáng lên. Chưa có gì đặc biệt.Nhưng khi bạn ngắt pin, có điều thú vị xảy ra… Đèn LED vẫn sáng trong vài giây nữa mà không cần kết nối với pin!Điều này xảy ra vì tụ điện đã được sạc bởi pin trước đó. Khi bạn ngắt pin, điện tích đã lưu trữ trong tụ điện sẽ chảy qua điện trở và đèn LED, do đó giữ cho đèn LED sáng trong vài giây nữa, cho đến khi tụ điện bị xả hết.Vì vậy, tụ điện hoạt động tương tự như pin – nó có thể được sạc và xả.
Sạc tụ điện
Nếu bạn muốn có một hiểu biết thực sự tốt về tụ điện và cách sử dụng chúng trong các mạch điện của bạn, thì có hai điều quan trọng bạn cần biết:
- Điều gì xảy ra với hiệu điện thế qua tụ điện khi bạn sạc nó?
- Điều gì xảy ra với dòng điện qua tụ điện khi bạn sạc nó?
Hiệu điện thế qua tụ điện
Nếu bạn sạc một tụ điện từ một nguồn điện áp 9V, hiệu điện thế qua tụ điện cuối cùng sẽ trở thành 9V – nhưng không phải ngay lập tức. Tại thời điểm bạn bắt đầu sạc, hiệu điện thế sẽ bắt đầu từ 0V.Hiệu điện thế qua tụ điện tại thời điểm 0
Nhưng hiệu điện thế tăng nhanh, vì vậy nếu bạn cố gắng đo nó bằng đồng hồ vạn năng, bạn sẽ không thể đọc được 0V.Sau một thời gian, khi nó được sạc đầy, hiệu điện thế qua nó trở thành 9V (hoặc bất kỳ điện áp nào bạn sử dụng để sạc nó):Hiệu điện thế qua tụ điện khi sạc đầy
Hiệu điện thế tăng nhanh ở đầu, sau đó chậm dần ở cuối. Thời gian cần thiết để sạc tụ điện phụ thuộc vào dòng điện chảy qua nó. Trong ví dụ trên, nó sẽ được xác định bởi điện trở R1.Đường cong sạc điển hình cho tụ điện, hiển thị hiệu điện thế theo thời gian
Dòng điện qua tụ điện
Khi bạn bắt đầu sạc một tụ điện, dòng điện chảy tự do mà không có bất kỳ sự cản trở nào ở thời điểm ban đầu.Dòng điện qua tụ điện tại thời điểm = 0
Khi tụ điện được sạc, điện trở tăng lên để ít dòng điện hơn có thể chảy qua. Khi tụ điện được sạc đầy, không còn dòng điện nào chảy qua nó:Không có dòng điện chảy qua khi nó được sạc đầy
Đây là đồ thị đơn giản hóa cho thấy cách dòng điện chậm lại theo thời gian sạc:Đường cong sạc điển hình cho tụ điện, hiển thị dòng điện theo thời gian
Các loại tụ điện
Có nhiều loại tụ điện khác nhau. Nhưng khi bạn bắt đầu, điều chính cần nhớ là sự khác biệt giữa tụ điện có cực và không có cực.Một tụ điện có cực cần phải có phía dương được kết nối với dương, và phía kia với âm. Nếu không, bạn có thể làm hỏng nó. Đây là một tác dụng phụ của cách các tụ điện có giá trị lớn được chế tạo.Một tụ điện không có cực có thể được kết nối bất kỳ cách nào, không quan trọng.
Bạn có thể nhận ra loại nào trong sơ đồ mạch bằng cách nhìn vào ký hiệu tụ điện. Tụ điện có cực sẽ có một dấu cộng.
Tụ điện có cực so với không có cực
Một tụ điện không có cực có thể được sử dụng, ngay cả khi sơ đồ cho dự án bạn đang xây dựng yêu cầu một tụ điện có cực. Nhưng không nhất thiết ngược lại.Nếu bạn cần một tụ điện có cực, bạn cần một loại gọi là tụ điện điện phân. Các loại phổ biến nhất là Nhôm và Tan-tan. Nhôm là loại rẻ nhất trong hai loại. Nếu bạn cần một tụ điện có cực, bạn cần một loại gọi là tụ điện điện phân. Các loại phổ biến nhất là Nhôm và Tan-tan. Nhôm là loại rẻ nhất trong hai loại.
Nhưng nếu bạn cần một tụ điện nhỏ hơn và bền hơn, bạn nên chọn loại Tan-tan.Nếu bạn cần một tụ điện không có cực, các loại phổ biến nhất là Gốm và Màng.Tụ điện gốm nhỏ và rẻ. Đây là lựa chọn phổ biến nhất cho tụ điện không có cực. Nhưng nếu bạn có bất kỳ yêu cầu đặc biệt nào như dung sai thấp, độ tin cậy cao hoặc một tụ điện có thể hoạt động ở nhiệt độ cao, thì hãy chọn tụ điện Màng.Trong ảnh dưới đây, bạn có thể thấy một tụ điện gốm ở bên trái và một tụ điện nhôm điện phân ở bên phải:Hai tụ điện trên breadboard
Tụ điện được sử dụng cho mục đích gì?
Tụ điện được sử dụng cho rất nhiều mục đích, chẳng hạn như:
- Thêm trễ thời gian trong một mạch
- Tạo ra dao động (ví dụ để làm nhấp nháy đèn)
- Tạo ra bộ lọc âm thanh (chẳng hạn như bộ lọc thông thấp và thông cao)
- Loại bỏ nhiễu trong nguồn điện
- Thêm năng lượng ngắn (ví dụ để cung cấp điện cho đèn flash của máy ảnh)
- Ổn định nguồn điện áp cho vi điều khiển
- …và nhiều hơn nữa. Tôi sẽ đi qua một vài ví dụ mạch cụ thể bên dưới để bạn có thể cải thiện sự hiểu biết về tụ điện.
Ví dụ 1: Thêm trễ thời gian
Trong ví dụ này, khi tín hiệu đầu vào đi xuống mức thấp, đầu ra từ bộ định thời 555 sẽ đi LÊN trong một khoảng thời gian nhất định trước khi trở lại mức THẤP. Bạn có thể sử dụng nó để bật đèn trên hiên nhà trong 2 phút mỗi khi một cảm biến hồng ngoại phát hiện có người hiện diện.Trong mạch này, chính là tụ điện C1 tạo ra trễ thời gian. Tất cả những gì bộ định thời 555 làm là cung cấp logic để kiểm tra mức điện áp qua tụ điện so với một ngưỡng, sau đó bật hoặc tắt đầu ra tương ứng.Mạch bộ định thời 555 với trễ thời gian
Ví dụ 2: Tạo ra dao động (Nhấp nháy đèn LED)
Trong ví dụ mạch nhấp nháy đèn LED này, hiệu điện thế qua tụ điện được hiểu là 1 (CAO) hoặc 0 (THẤP) bởi cổng NOT.Ví dụ về tụ điện được sử dụng để tạo ra mạch nhấp nháy đèn
Đầu ra trở thành ngược lại với đầu vào. Vì vậy, nếu đầu vào là THẤP, đầu ra là CAO. Khi đầu ra là CAO, điện áp đầu ra sẽ bắt đầu sạc tụ điện để cuối cùng nó cũng đạt mức CAO. Nhưng khi nó làm như vậy, đầu ra sẽ chuyển sang mức THẤP. Khi đầu ra là THẤP, nó sẽ làm cho tụ điện bắt đầu xả để cuối cùng nó cũng đạt mức THẤP.
Ví dụ 3: Thiết kế bộ lọc âm thanh
Bạn có thể kết hợp tụ điện và điện trở để tạo thành bộ lọc. Một bộ lọc loại bỏ các tần số cụ thể khỏi tín hiệu âm thanh và cho phép các tần số khác đi qua. Ví dụ, nếu bạn muốn loại bỏ các tần số cao và cho phép các tần số thấp đi qua (ví dụ trong một loa siêu trầm), bạn có thể xây dựng một bộ lọc thông thấp:Cách sử dụng tụ điện để xây dựng các mạch bộ lọc thông thấp cơ bản
Ví dụ 4: Tụ điện ghép nối cho vi điều khiển
Hãy tưởng tượng một chiếc đồng hồ báo thức điển hình, được cấp nguồn từ ổ điện trên tường trong nhà. Nếu nguồn điện bị mất, hầu hết các đồng hồ báo thức đều có pin dự phòng sẽ tiếp quản và cấp nguồn cho đồng hồ báo thức cho đến khi nguồn điện trở lại để thời gian không bị đặt lại.Vâng, trong các mạch điện tử, tụ điện được sử dụng một cách tương tự:Nếu bạn có một mạch với vi điều khiển đang chạy một số mã và điện áp cung cấp cho vi điều khiển bị giảm chỉ trong một khoảnh khắc, vi điều khiển sẽ dừng lại những gì nó đang làm và khởi động lại. Điều này có thể gây ra nhiều vấn đề, vì vậy bạn không muốn điều đó xảy ra.Mạch hiển thị khái niệm về tụ điện ghép nối
Bằng cách sử dụng một tụ điện, tụ điện có thể cung cấp điện cho vi điều khiển trong một khoảng thời gian ngắn để vi điều khiển không khởi động lại. Bằng cách này, nó sẽ lọc ra nhiễu trên đường dây nguồn.Một tụ điện được sử dụng cho mục đích này được gọi là tụ điện ghép nối.
Các giá trị tụ điện điển hình
Bạn có hai giá trị quan trọng cho tụ điện; điện dung và định mức điện áp.Giá trị điện dung của một tụ điện là “dung lượng” lưu trữ năng lượng của nó. Một giá trị điện dung cao hơn có nghĩa là nó có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn so với một giá trị thấp hơn. Nó được đưa ra trong đơn vị Fara (F).Định mức điện áp là điện áp tối đa mà một tụ điện có thể chịu được. Vì vậy, nếu bạn có một mạch mà hiệu điện thế qua tụ điện có thể đạt 12V, bạn cần một tụ điện có định mức điện áp 12V hoặc cao hơn. Được khuyến nghị nên sử dụng tụ điện có định mức cao hơn 12V để có một khoảng an toàn.Giá trị điện dung được đưa ra trong đơn vị Fara (F). Nhưng 1 F là một giá trị rất cao. Thông thường, các giá trị tụ điện được đưa ra là microfarad (µF), nanofarad (nF) hoặc picofarad (pF).
Trong bảng dưới đây, bạn có thể thấy các giá trị này được viết ra:
| Prefixes | Compact Value | Written-Out Value |
|---|---|---|
| 1 F | 100 F | 1 Farad |
| 1 µF | 10-6 F | 0.000001 Farad |
| 1 nF | 10-9 F | 0.000000001 Farad |
| 1 pF | 10-12 F | 0.000000000001 Farad |
Nếu bạn nhìn kỹ, bạn sẽ thấy rằng ví dụ, 100 nF cũng giống như 0,1 µF. Điều này tốt để ghi nhớ. Bởi vì rất phổ biến khi sử dụng cả 0,1 µF và 100 nF để mô tả cùng một giá trị.
Nhận dạng giá trị tụ điện
Trên các tụ điện nhôm lớn, các giá trị thường được viết rõ ràng. Ví dụ, nếu nó ghi 2200 µF 16V, đó là giá trị điện dung và định mức điện áp.Tụ điện điện phân
Nhưng thường trên các tụ điện nhỏ hơn, bạn thay vào đó có các số mã hóa. Như 102, 223 hoặc 474. Trong trường hợp này, hai số đầu tiên tạo thành giá trị cơ sở pF, và số cuối cùng là số 0 bạn thêm vào sau:
102: 10 pF với 2 số 0 sau là 1000 pF. Tương đương với 1 nF.
104: 10 pF với 4 số 0 sau là 100000 pF. Tương đương với 100 nF.104: 10 pF với 4 số 0 sau là 100000 pF. Tương đương với 100 nF. Hoặc 0,1 µF.
223: 22 pF với 3 số 0 sau là 22000 pF. Tương đương với 22 nF.
474: 47 pF với 4 số 0 sau là 470000 pF. Tương đương với 470 nF. Hoặc 0,47 µF.
Tóm lại, tụ điện là một linh kiện điện tử cơ bản được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau như tạo trễ thời gian, dao động, lọc tín hiệu, ổn định nguồn điện và nhiều hơn nữa. Hiểu cách hoạt động, các loại và cách đọc giá trị của tụ điện là rất quan trọng để sử dụng chúng một cách hiệu quả trong các dự án điện tử của bạn. Với kiến thức này, bạn có thể tận dụng tối đa tiềm năng của tụ điện trong các thiết kế mạch điện tử của mình.