Tụ điện và cuộn cảm khác nhau ở chỗ nào?

Tụ điện

Tụ điện là một linh kiện quen thuộc trong hầu hết các mạch điện tử, thậm chí trong một số trường hợp, người ta bắt gặp tụ điện nhiều hơn cả điện trở. Loại linh kiện này có hai chân và được biểu diễn bằng ký hiệu chuyên dụng trong sơ đồ mạch. Các chân của tụ có thể thuộc loại không phân cực hoặc có phân cực (tức là có phân biệt cực dương và cực âm). Đối với tụ phân cực, bắt buộc phải cấp đúng chiều điện áp thì tụ mới hoạt động ổn định, cụ thể là chân dương phải nối với mức điện thế cao hơn chân âm.

Tụ điện là một linh kiện có khả năng tích trữ điện tích. Cấu tạo của nó gồm hai bản dẫn được ngăn cách bởi một lớp cách điện gọi là điện môi. Khi hai bản này mang điện tích trái dấu, một điện trường được hình thành và tạo nên một hiệu điện thế giữa hai đầu của tụ. Mối quan hệ giữa điện áp và lượng điện tích trong tụ được mô tả bởi công thức:

U = Q/C

Trong biểu thức trên, u là điện áp hai đầu tụ tính bằng Volt, q là lượng điện tích mà tụ lưu trữ (tính theo Coulomb) và C là điện dung, biểu thị khả năng tích điện của tụ, đo bằng đơn vị Farad. Trong thực tế, các tụ điện thông dụng thường có giá trị điện dung nằm trong khoảng microfarad (uF) đến nanofarad (nF). Khi điện dung C càng lớn thì cùng một mức điện áp, tụ có thể tích trữ được nhiều điện tích hơn. Có thể hình dung tụ điện giống như một chiếc bể chứa nước: u đại diện cho độ cao của mực nước, q là lượng nước chứa bên trong và C là diện tích đáy của bể.

Khi có sự thay đổi điện áp giữa hai bản cực, ví dụ như điện áp giảm, lượng điện tích sẽ thay đổi theo. Điều này dẫn đến sự hình thành của dòng điện, nhằm làm chậm lại sự biến đổi điện áp đó. Do dòng điện chính là dòng chuyển động của điện tích, nên khi tụ mất điện tích, một dòng điện sẽ hình thành và chảy ra khỏi tụ để phản ứng lại sự thay đổi. Vì vậy, người ta sử dụng tụ để giúp giữ ổn định điện áp giữa hai đầu tụ.

Một cách hiểu khác là tụ điện tích trữ năng lượng dưới dạng thế năng của điện trường. Lượng năng lượng này tỷ lệ thuận với bình phương điện áp giữa hai bản cực. Khi tụ bị giảm điện áp, năng lượng điện trường sẽ được giải phóng và tạo ra dòng điện, nhằm kháng lại sự thay đổi đó. Ngược lại, khi điện áp tăng, tụ sẽ hấp thụ năng lượng này và dòng điện sẽ từ từ đi vào tụ. Nếu bạn nối tắt hai đầu tụ khi tụ đang tích điện, toàn bộ năng lượng sẽ bị phóng ra dưới dạng một dòng điện cực mạnh, thậm chí có thể gây ra tia lửa điện. Còn nếu muốn giữ nguyên năng lượng trong tụ, hãy để hai đầu tụ hở ra, vì không có dòng điện nào chạy qua được.

Bài viết liên quan: Cách kiểm tra tụ điện bằng đồng hồ vạn năng không phải ai cũng biết

Với dòng điện một chiều, vì điện áp không thay đổi nên tụ không tạo ra dòng điện. Tuy nhiên, nếu bạn dùng điện xoay chiều, tụ sẽ phải liên tục tạo dòng để phản ứng lại sự dao động liên tục của điện áp. Khi tần số dao động tăng, dòng điện tạo ra cũng phải nhiều hơn, dẫn đến tụ có điện trở thấp đối với dòng xoay chiều. Vì vậy, trong điện xoay chiều, tụ lại đóng vai trò như một đường dẫn điện. Ứng dụng thực tế của nguyên lý này là để loại bỏ thành phần điện một chiều trong các mạch âm thanh như loa hoặc micro.

Tóm lại có thể hiểu tụ điện là linh kiện giúp làm chậm sự thay đổi điện áp giữa hai đầu nhờ việc tạo ra dòng điện tương ứng. Nó lưu giữ một loại năng lượng gọi là thế năng điện trường, tỷ lệ thuận với điện áp tích trên tụ, và có khả năng cung cấp hoặc hấp thụ năng lượng tùy theo yêu cầu của mạch. Tụ không có phản ứng rõ rệt với điện một chiều, nhưng lại hoạt động mạnh khi gặp điện xoay chiều.

Cuộn cảm

Cuộn cảm không thường xuyên xuất hiện như tụ điện trong các mạch điện tử thông dụng, nhưng lại là một thành phần gây ra nhiều “phiền phức” khi thiết kế. Về hình dạng, nó có hai chân, không phân cực, có thể cắm theo chiều nào cũng được mà không ảnh hưởng đến chức năng.

Cuộn cảm là linh kiện dùng để tích trữ từ trường. Mặc dù khái niệm này có vẻ không quen thuộc bằng tụ tích điện, nhưng thực chất từ trường cũng là một dạng năng lượng, và hoàn toàn có thể “chứa” được giống như điện tích. Cấu tạo cuộn cảm là một sợi dây dẫn được quấn thành nhiều vòng, đôi khi quanh một lõi sắt để tăng hiệu quả. Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sinh ra từ trường. Từ trường này lại sinh ra một điện áp cảm ứng nhằm phản kháng lại sự thay đổi của dòng điện trong cuộn. Công thức mô tả hiện tượng này là:

u = -L (di/dt)

Trong đó, u là điện áp hai đầu cuộn cảm, i là dòng điện qua cuộn, và L là độ tự cảm – cho biết khả năng tích trữ từ trường của cuộn cảm, đo bằng đơn vị Henry. Càng lớn L, cuộn cảm càng “lì đòn”, càng kháng lại mạnh mẽ những biến thiên nhanh của dòng điện.

Hiện tượng này có thể hiểu đơn giản như sau: nếu dòng điện qua cuộn cảm tăng hoặc giảm đột ngột, từ trường trong cuộn cũng phải thay đổi theo. Nhưng từ trường không thay đổi lập tức được, nên nó sinh ra một điện áp ngược lại để “hãm” sự thay đổi đó. Do vậy, cuộn cảm làm chậm sự biến đổi dòng điện qua nó, tương tự như tụ làm chậm sự biến đổi điện áp.

Bài viết liên quan:

Cách đo cuộn cảm bằng đồng hồ vạn năng đúng nhất

Một cách nhìn khác là cuộn cảm tích năng lượng dưới dạng thế năng từ trường, tỉ lệ với bình phương dòng điện. Khi dòng qua cuộn giảm, năng lượng từ trường được giải phóng, sinh ra điện áp để “bù” lại dòng đã mất. Ngược lại, khi dòng tăng, cuộn hấp thụ năng lượng từ mạch, nhưng không làm điều này ngay lập tức mà hút dần thông qua điện áp cảm ứng. Chính sự chậm chạp này khiến cuộn cảm có thể gây ra nhiều hiện tượng không mong muốn nếu không được xử lý đúng cách.

Một ví dụ là khi một cuộn cảm đang dẫn dòng mà đột ngột bị hở mạch, dòng điện bị cắt ngay lập tức, cuộn cảm không còn đường để xả từ trường. Hệ quả là nó sinh ra một điện áp rất lớn để duy trì dòng, có thể gây cháy linh kiện, phá hỏng transistor, IC, hoặc tạo tia lửa tại công tắc. Đó là lý do tại sao người ta thường gắn thêm diode xả ở các mạch điều khiển động cơ hay cổng ra của IC để bảo vệ mạch.

Khi dùng trong mạch điện một chiều, cuộn cảm không cản trở nhiều vì dòng không thay đổi nên không có điện áp cảm ứng đáng kể. Nhưng trong mạch xoay chiều, dòng liên tục biến thiên, khiến cuộn cảm liên tục tạo ra điện áp cảm ứng để kháng lại, từ đó hạn chế dòng. Tần số càng cao, sự biến thiên càng mạnh, cuộn cảm càng cản dòng nhiều hơn. Nhờ đó, cuộn cảm là thành phần rất hữu ích để lọc nhiễu trong các mạch nguồn hoặc loại bỏ tín hiệu tần số cao.

Kết luận:

Qua bài này, hy vọng các bạn đã hiểu rõ hơn về tụ điện và cuộn cảm. Dù hoạt động khác nhau nhưng chúng lại có nhiều điểm tương đồng và thường xuyên xuất hiện trong các mạch điện tử dưới nhiều hình thức khác nhau. Nắm được nguyên lý của chúng sẽ giúp việc phân tích mạch trở nên dễ dàng hơn.