Tụ điện: các loại tụ, cách đọc mã tụ, tụ phân cực và điện áp chịu đựng

Tụ điện là gì, điện dung và đơn vị pF, nF, µF, các loại tụ gốm, film, hóa, tantalum, cách đọc mã tụ 104, 103, tụ phân cực, chọn điện áp chịu đựng, ghép tụ và ba công dụng chính trong mạch.

Tụ điện là linh kiện tích trữ điện tích, có mặt ở gần như mọi mạch: tụ lọc nguồn, tụ 100 nF cạnh chân IC, tụ ghép tín hiệu âm thanh, tụ trong mạch định thời. Bài viết giải thích cấu tạo và các đại lượng của tụ điện, các loại tụ thường gặp, cách đọc mã ba số trên tụ gốm (104, 103, 474…) và cách đọc tụ hóa, tụ phân cực và nguy cơ khi cắm ngược, cách chọn điện áp chịu đựng, ghép tụ nối tiếp và song song, cùng ba công dụng chính của tụ trong mạch.

1. Cấu tạo và các đại lượng của tụ điện

• Tụ điện gồm hai bản dẫn điện đặt gần nhau, ngăn cách bởi lớp cách điện gọi là điện môi (gốm, nhựa, lớp oxit nhôm…). Nối tụ với nguồn, điện tích dương dồn về một bản, điện tích âm về bản kia; ngắt nguồn, điện tích vẫn còn đó.
• Điện dung C (đơn vị fara, F) cho biết tụ chứa được bao nhiêu điện tích trên mỗi vôn: Q = C × U. Bản cực càng rộng, càng gần nhau, điện môi càng tốt thì điện dung càng lớn (C = ε × S / d).
• 1 F là rất lớn; tụ thực tế dùng picôfara (pF, 10⁻¹² F), nanôfara (nF, 10⁻⁹ F) và micrôfara (µF, 10⁻⁶ F). 1 µF = 1000 nF = 1 000 000 pF.
• Tụ tích năng lượng E = ½ × C × U². Tụ 1000 µF nạp tới 25 V giữ khoảng 0,31 J, đủ tạo tia lửa khi chập hai chân: luôn xả tụ lớn trước khi chạm vào mạch.
• Với điện một chiều đã ổn định, tụ như hở mạch (không cho dòng đi qua). Khi điện áp thay đổi, tụ cho dòng đi qua: dòng nạp xả tỉ lệ với tốc độ thay đổi điện áp. Bài 12 khảo sát kỹ quá trình nạp xả qua điện trở.

2. Các loại tụ điện thường gặp

3. Cách đọc mã tụ

• Mã ba số (tụ gốm, tụ film): hai số đầu là giá trị, số thứ ba là số chữ số 0 thêm vào, đơn vị pF. 104 = 10 thêm bốn chữ số 0 = 100 000 pF = 100 nF = 0,1 µF. Mã 104 là tụ hay gặp nhất, dùng làm tụ bù nguồn cho IC.
• Mã hai số hoặc số nhỏ (22, 47, 220) thường là pF trực tiếp: 22 là 22 pF (tụ đi kèm thạch anh).
• Chữ cái sau mã là sai số (J ±5 %, K ±10 %, M ±20 %); số kèm chữ (2A = 100 V, 2J = 630 V) hoặc ghi thẳng 50V, 100V là điện áp tối đa.
• Tụ hóa ghi thẳng điện dung và điện áp: 470 µF 25 V, kèm nhiệt độ tối đa (85 °C, 105 °C). Tụ dán MLCC thường không ghi gì, phải tra theo bản vẽ hoặc đo bằng đồng hồ có thang đo tụ.

4. Tụ phân cực và điện áp chịu đựng

• Tụ hóa nhôm và tantalum có cực dương và cực âm. Tụ hóa nhôm chân cắm: chân dài là cực dương, cạnh thân có dải in dấu "−" chỉ chân âm. Tụ tantalum dán: vạch trên thân là cực dương. Trên sơ đồ, cực dương có dấu "+" hoặc bản phẳng, cực âm là bản cong.
• Cắm ngược hoặc đặt điện áp xoay chiều vào tụ phân cực: lớp oxit bị phá, tụ nóng lên, phồng, có thể nổ hoặc cháy (tantalum). Đỉnh tụ hóa có rãnh chữ thập để xì ra khi quá áp suất. Luôn kiểm tra cực tính trước khi cấp nguồn, và đeo kính khi thử.
• Điện áp chịu đựng phải lớn hơn điện áp làm việc lớn nhất, nên chọn từ khoảng 1,5 đến 2 lần: mạch 12 V dùng tụ 25 V; mạch 5 V dùng tụ 10 V hoặc 16 V. Tụ gốm X7R còn giảm điện dung khá nhiều khi đặt gần điện áp danh định, nên chọn điện áp cao hơn nữa.
• Tụ lọc nguồn còn có ESR (điện trở nối tiếp tương đương) và dòng gợn cho phép; tụ hóa cũ ESR tăng, lọc kém, là nguyên nhân hỏng hay gặp của nguồn và tivi cũ.

5. Ghép tụ song song và nối tiếp

• Song song: điện dung cộng lại, C = C1 + C2 + …; điện áp chịu đựng bằng của tụ thấp nhất. Hay dùng: tụ hóa lớn song song tụ gốm 100 nF để lọc cả nhiễu tần số thấp và cao.
• Nối tiếp: 1/C = 1/C1 + 1/C2 + …, điện dung nhỏ hơn tụ nhỏ nhất (ngược với điện trở). Hai tụ bằng nhau nối tiếp cho một nửa điện dung và chịu được gấp đôi điện áp (cần thêm điện trở cân bằng khi điện áp cao).

6. Ba công dụng chính của tụ điện

1. Lọc nguồn và tụ bù: tụ lớn (10–1000 µF) giữ điện áp nguồn ổn định khi tải lấy dòng thay đổi; tụ 100 nF đặt sát chân nguồn mỗi IC cung cấp dòng tức thời và lọc nhiễu tần số cao (bài 23 nói về tụ decoupling).
2. Ghép tín hiệu, chặn một chiều: tụ nối tiếp trên đường tín hiệu cho tín hiệu xoay chiều (âm thanh) đi qua nhưng chặn thành phần một chiều, để hai tầng mạch có điện áp phân cực khác nhau không ảnh hưởng nhau (bài 21).
3. Định thời: tụ nạp qua điện trở mất một khoảng thời gian τ = R × C. Dùng trong IC 555, mạch reset, mạch chống dội nút nhấn, bộ lọc RC (bài 12, 25).

7. Tự kiểm tra

1. Tụ gốm ghi 473 có điện dung bao nhiêu? (Đáp án: 47 × 1000 pF = 47 nF.)
2. Mạch nguồn 12 V nên dùng tụ hóa điện áp bao nhiêu? (Đáp án: 25 V trở lên.)
3. Hai tụ 10 µF mắc nối tiếp thì điện dung bao nhiêu? Mắc song song? (Đáp án: 5 µF; 20 µF.)

8. Xem thêm

• Mạch tạo trễ NE555 có relay: tụ và biến trở quyết định thời gian trễ.
• Đọc nút nhấn, chống dội trên ESP32: chống dội bằng phần mềm thay cho tụ.
• Cảm biến tiệm cận điện dung: cảm biến dựa trên sự thay đổi điện dung.
• Bài tiếp theo của loạt điện tử căn bản: mạch RC, tụ nạp xả và hằng số thời gian, đo bằng ESP32.