Trong mạch điện và hệ thống điện tử, điện dung là một đại lượng cơ bản phản ánh khả năng lưu trữ điện tích giữa hai bản tụ khi có hiệu điện thế đặt vào. Vậy điện dung là gì? và tại sao người mới học ngành điện - điện tử nên nắm chắc khái niệm này? Bởi vì điện dung ảnh hưởng trực tiếp đến cách mạch phản ứng với tín hiệu, xử lý nhiễu, và cung cấp năng lượng tức thời trong các mạch lọc, mạch dao động hay nguồn dự trữ, tất cả đều cần thiết để hiểu và thiết kế được các mạch hoạt động ổn định. Trong bài viết dưới đây, Bảo An sẽ giúp bạn hiểu được về khái niệm điện dung, đơn vị đo và ký hiệu cũng như các công thức tính điện dung và các ứng dụng thực tế của điện dung.
- Đầu tiên, ta cần hiểu được khái niệm điện dung là gì? Điện dung là đại lượng đặc trưng cho khả năng lưu trữ điện tích của một linh kiện hoặc một hệ thống khi có hiệu điện thế được đặt vào hai bản cực. Cụ thể, với tụ điện, điện dung được xác định bằng thương số Q/U, trong đó Q là điện tích còn U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ.
- Trong thực tế, tụ điện chính là linh kiện biểu hiện cho điện dung. Nó gồm hai bản dẫn điện được ngăn cách nhau bằng chất điện môi dùng để lưu trữ và giải phóng điện tích tùy theo cấu trúc của nó. Tụ điện là ứng dụng phổ biến nhất của điện dung trong các mạch lọc, dao động, xử lý tín hiệu và cung cấp năng lượng tạm thời.
- Đơn vị đo chính thức của điện dung là Farad (ký hiệu: F)
- Trong các công thức vật lý và kỹ thuật điện, điện dung được ký hiệu là "C" với đơn vị cơ bản nhất là Farad.
- Trong sơ đồ mạch điện, tụ điện thường được ký hiệu bằng một trong hai ký hiệu theo tiêu chuẩn quốc tế IEC hoặc tiêu chuẩn Mỹ ANSI.
Công thức phổ biến nhất để xác định điện dung là:
Trong đó:
C: là điện dung (đơn vị Farad - F)
Q: lượng điện tíc được lưu trữ (đơn vị: Coulomb - C)
U: Hiệu điện thế giữa 2 cực của tụ điện (đơn vị: Volt - V)
Công thức này cho biết điện dung là tỷ lệ giữa lượng điện tích mà một tụ điện có thể lưu trữ với điện áp đặt vào tụ.
Với một tụ điện phẳng lý tưởng, điện dung có thể được tính theo cấu trúc hình học và vật liệu điện môi bằng công thức:
| C = ε. | S |
| d |
Trong đó:
- C: Điện dung (đơn vị F)
- ε (epsilon): Hằng số điện môi (ε = ε0·εr).
ε0: Là hằng số điện môi trong chân không (~8.85.10-12 F/M)
εr: Hằng số điện môi tương đối giữa 2 bản tụ.
- S: Diện tích một mặt bản tụ (m2)
- d: Khoảng cách giữa 2 bản tụ (m)
Điện dung của một tụ điện không chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện tích mà còn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý cấu tạo nên tụ. Cụ thể:
Khi diện tích của hai bản tụ càng lớn, khả năng lưu trữ điện tích càng nhiều → điện dung tăng.
Điều này dễ hiểu vì bản tụ lớn giống như một bình chứa lớn hơn cho dòng điện.
Khoảng cách giữa hai bản càng nhỏ, lực hút tĩnh điện giữa các điện tích trên hai bản càng mạnh → điện dung tăng.
Ngược lại, nếu bản tụ cách xa nhau, điện dung giảm.
Điện môi là chất cách điện nằm giữa hai bản tụ, có vai trò quan trọng trong việc tăng khả năng lưu trữ điện.
Vật liệu có hằng số điện môi εrcàng cao → điện dung càng lớn. Ví dụ: giấy, mica, gốm, polyester, tantalum,...
Tóm lại: C ∝ (ε.S)/d
Trong đó:
Tăng S → tăng C
Giảm d → tăng C
Dùng điện môi tốt (ε cao) → tăng C
Tụ điện hoạt động như một “bình chứa năng lượng điện”, có khả năng tích trữ năng lượng và phóng nhanh khi cần, hữu ích trong các thiết bị như đèn flash, nguồn dự phòng nhỏ, bộ nguồn ổn định.
Chúng lọc nhiễu, ổn định điện áp và truyền tín hiệu AC, đồng thời ngăn dòng một chiều (DC) trong khi cho dòng xoay chiều (AC) đi qua, ứng dụng rộng rãi trong nguồn điện, mạch logic và thiết bị âm thanh.
Tụ điện kết hợp với điện trở hoặc cuộn cảm tạo thành các mạch lọc (cao‑pass, thấp‑pass, notch), phân tách tần số mong muốn trong truyền tín hiệu hoặc nguồn điện.
Trong mạch dao động (tuned circuits), tụ điện hoạt động cùng cuộn cảm để tạo cộng hưởng, dùng trong các bộ thu radio, bộ cân bằng âm thanh, điều chỉnh tần số.
Trong mạch chỉnh lưu, tụ điện được dùng để làm bù lọc, giảm điện áp nhấp nhô sau chỉnh lưu (smoothing capacitor) để cung cấp nguồn DC ổn định.
Cảm biến điện dung hoạt động dựa trên độ thay đổi điện dung khi môi trường xung quanh biến đổi (như sự xuất hiện của vật thể, đo mức chất lỏng, độ ẩm, áp suất…) → tạo tín hiệu điện tương ứng.
Các ứng dụng điển hình: cảm biến chạm (“touch sensors”), cảm biến tiệm cận, đo mức nhiên liệu hoặc chất lỏng trong bồn chứa, cảm biến độ ẩm hoặc áp lực, cảm biến vân tay và gia tốc (MEMS).
Để đo điện dung, bạn cần một đồng hồ vạn năng (multimeter) có chức năng đo điện dung (thường ký hiệu là “Cx” hoặc biểu tượng tụ điện).
Bước 1: Ngắt nguồn điện khỏi mạch có tụ cần đo (đảm bảo an toàn).
Bước 2: Nếu tụ đã được sử dụng, xả điện tích còn lưu bằng cách nối hai chân tụ với điện trở vài kΩ trong vài giây (hoặc dùng tuốc nơ vít nếu tụ nhỏ, nhưng nên cẩn thận).
Bước 3: Tháo tụ ra khỏi mạch (nếu có thể), đặc biệt nếu tụ gắn trên mạch phức tạp.
Bước 4: Cắm que đo vào chân tụ (không phân biệt cực nếu là tụ không phân cực).
Bước 5: Đọc giá trị điện dung hiển thị trên đồng hồ (đơn vị thường là µF, nF hoặc pF tùy dải đo).
Luôn xả tụ trước khi đo để tránh nguy hiểm và không làm hỏng đồng hồ.
Không đo tụ khi còn kết nối với nguồn điện hoặc trong mạch có điện áp cao.
Một số tụ có sai số ±10% đến ±20%, cần đối chiếu giá trị thực tế với thông số ghi trên vỏ tụ để kiểm tra chất lượng.
Điện trở (R) đo khả năng cản dòng điện (đơn vị: Ôm – Ω), dòng điện qua điện trở và điện áp qua điện trở luôn đồng pha (in phase).
Điện cảm (L) lưu trữ năng lượng trong từ trường, điện áp sinh ra tỷ lệ với tốc độ biến thiên của dòng điện và dẫn đến dòng điện trễ pha so với điện áp (current lags voltage).
Điện dung (C) lưu trữ năng lượng trong trường điện, dòng điện tỉ lệ với tốc độ biến thiên của điện áp theo công thức: I=C.dv/dt, nên trong mạch xoay chiều (AC) dòng điện nhanh pha 90° so với điện áp (current leads voltage).
Trong mạch xoay chiều, điện dung làm tụ liên tục nạp và xả theo chu kỳ tín hiệu, tạo ra dòng điện dịch chuyển mà không có dòng điện trực tiếp qua chất điện môi.
Tụ hoạt động như một thành phần phản kháng tần số (capacitive reactance), phụ thuộc vào tần số: tần số cao → phản kháng thấp → dễ cho dòng điện qua hơn; tần số thấp → phản kháng cao → chặn dòng AC thấp tần.
- Trong mạch RC nối tiếp, dòng điện qua cả trở R và tụ C là cùng một dòng (cùng pha), nhưng điện áp qua từng phần lại khác pha:
Điện áp trên R đồng pha với dòng điện.
Điện áp trên C trễ pha 90° so với dòng điện.
- Tổng điện áp nguồn là tổng véctơ (phaser) của hai thành phần này, tạo ra tổng trở (impedance) xác định theo công thức:
Z = R - jXC
Điện dung là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ điện tích của một linh kiện điện tử như tụ điện khi có hiệu điện thế tác động. Đây là yếu tố nền tảng giúp chúng ta hiểu cách tụ hoạt động như một “bình chứa điện”, đóng vai trò thiết yếu trong việc ổn định nguồn, xử lý tín hiệu, và cung cấp năng lượng tức thời cho vi mạch và thiết bị điện tử.
