Tụ điện là một loạilinh kiện điện tử thụ động, là một hệ haivật dẫn và ngăn cách nhau bởi một lớp cách điện. Khi có chênh lệchđiện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiệnđiện tích cùngđiện lượng nhưng trái dấu.[1]
Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữnăng lượngđiện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt làđiện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bịchậm pha so với điện áp, tạo nêntrở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.
Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống vớiắc quy. Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện. Ắc quy có 2 cực, bên trong xảy raphản ứng hóa học để tạo raelectron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron - nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh. Đây là một ưu thế của nó so với ắc quy.
Bốn bình tích điện Leyden ở Bảo tàng Boerhaave, Leiden, Hà Lan
Vào tháng 10 năm 1745, nhà vật lý họcEwald Georg von Kleist ởPomerania, nướcĐức, phát hiện rađiện tích có thể được lưu trữ bằng cách nối máy phát tĩnh điện cao áp với một đoạn dây qua một bình thủy tinh chứa nước.[2] Tay của Von Kleist và nước đóng vai trò là chất dẫn điện, và bình thủy tinh làchất cách điện (mặc dù các chi tiết ở thời điểm đó được xác nhận là miêu tả chưa đúng). Von Kleist phát hiện thấy khi chạm tay vào dây dẫn thì phát ra một tia lửa điện lớn và sau đó ông cảm thấy rất đau, đau hơn cả khi chạm tay vào máy phát tĩnh điện. Sau đó một năm, nhà vật lý người Hà LanPieter van Musschenbroek làm việc tại đại học Leiden, phát minh ra một bình tích điện tương tự, được đặt tên là bình Leyden.[3]
Sau đóDaniel Gralath là người đầu tiên kết hợp nhiều bình tích điện song song với nhau thành một quả "pin" để tăng dung lượng lưu trữ.Benjamin Franklin điều tra chiếc bình Leyden và đi đến kết luận rằng điện tích đã được lưu trữ trên chiếc bình thủy tinh, không phải ở trong nước như những người khác đã giả định. Từ đó, thuật ngữ "battery" hay Tiếng Việt gọi là "pin" được thông qua.[4] Sau đó, nước được thay bằng các dung dịch hóa điện, bên trong và bên ngoài bình Layden được phủ bằng lá kim loại. Để lại một khoảng trống ở miệng để tránh tia lửa điện giữa các lá. Bình layden là bình tích điện đầu tiên có điện dung khoảng 1,11 nF (nano Farad).
Ngoài ra là cáctham số tinh tế, dành cho người thiết kế hay sửa chữa thiết bị chính xác cao: Hệ số biến đổiđiện dung theo nhiệt độ, độ trôiđiện dung theo thời gian, độrò điện, dảitần số làm việc, tổn haođiện môi, tiếng ồn,... và thường được nêu trong Catalog của linh kiện.
εr: Làhằng số điện môi hay còn gọi là điện thẩm tương đối (so với chân không) của lớp cách điện;
ε0: Là hằng số điện thẩm (ε0 ≈1÷(9*109*4*π)≈8.854187817*10−12);
d: là chiều dày của lớp cách điện;
S: là diện tích bản cực của tụ điện.
Đơn vị của đại lượng điện dung là Fara [F]. Trong thực tế đơn vị Fara là trị số rất lớn, do đó thường dùng các đơn vị đo nhỏ hơn như micro Fara (1µF=10−6F), nano Fara (1nF=10−9F), picoFara (1pF=10−12F).
Thông thường do sự lão hóa vật liệu mà nhiều loại tụ cóđiện dung giảm theo thời gian. Các tụ hóa có mức độ giảm lớn nhất, và thường gọi là "già cỗi". Nó dẫn đến sai lệch hoạt động củamạch điện tử.
Tụ điện được đặc trưng bởi thông sốđiện áp làm việc cao nhất và được ghi rõ trên tụ nếu có kích thước đủ lớn. Đó là giá trị điện áp thường trực rơi trên tụ điện mà nó chịu đựng được. Giá trị điện áp tức thời có thể cao hơn điện áp này một chút, nhưng nếu quá cao, ví dụ bằng 200% định mức, thì lớp điện môi có thể bị đánh thủng, gây chập tụ.
Trước đây giá thành sản xuất tụ điện cao, nên tụ có khá nhiều mức điện áp làm việc: 5V, 10V, 12V, 16V, 24V, 25V, 35V, 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V, 180V, 250V, 280V, 300V, 400V...
Ngày nay các dây chuyền lớn sản xuất và cho ra ít cấp điện áp hơn thế:
Các tụ đặc chủng có mức điện áp cao hơn, như 1,5 kV, 4 kV,... và tuỳ vào hãng sản xuất.
Khi thiết kế hoặc sửa chữa mạch, phải chọn tụ có điện áp làm việc cao hơn điện áp mạch cỡ 30% trở lên. Ví dụ trong mạch lọc nguồn 12V thì chọn tụ hóa 16V, chứ không dùng tụ có điện áp làm việc đúng 12V.
Nhiệt độ làm việc của tụ điện thường được hiểu lànhiệt độ ở vùng đặt tụ điện khi mạch điện hoạt động. Tụ điện phải được chọn vớinhiệt độ làm việc cao nhất cao hơnnhiệt độ này.
Thông thườngnhiệt độ được thiết lập do tiêu tán điện năng biến thành nhiệt của mạch, cộng với nhiệt do môi trường ngoài truyền vào nếunhiệt độ môi trường cao hơn.
Song với các tụ có mứcrò điện cao, thì xảy ra sự tiêu tán điện năng biến thành nhiệt trong tụ điện, làm chonhiệt độ trong tụ điện cao hơn xung quanh. Các hư hỏng nổ tụ thường liên quan đến hiện tượng này. Các tụ hóa thường córò điện ohmic, còn các tụ tần cao thì có dòng điện xoáy.
Hầu hếttụ hóa là tụ điệnphân cực, tức là nó có cực xác định. Khi đấu nối phải đúng cực âm - dương.
Thường trên tụ có kích thước đủ lớn thì cực âm phân biệt bằngdấu - trên vạch màu sáng dọc theo thân tụ, khi tụ mới chưa cắt chân thì chân dài hơn sẽ là cực dương.
Các tụ cỡ nhỏ, tụ dành cho hàn dán SMD thì đánhdấu + ở cực dương để đảm bảo tính rõ ràng.
Trị số của tụ phân cực vào khoảng 0,47μF - 4.700μF, thường dùng trong các mạch tần số làm việc thấp, dùng lọc nguồn.
Tụ điện không phân cực thì không xác định cực dương âm, như tụgiấy, tụgốm, tụmica,... Các tụ có trị số điện dung nhỏ hơn 1 μF thường được sử dụng trong các mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu. Các tụ cỡ lớn, từ một vài μF đến cỡ Fara thì dùng trong điện dân dụng (tụ quạt,mô tơ,...) hay dàn tụ bù pha cho lưới điện.
Tụ điện có trị số biến đổi, hay còn gọitụ xoay (cách gọi theo cấu tạo), là tụ có thể thay đổi giá trị điện dung. Tụ này thường được sử dụng trong kỹ thuậtRadio để thay đổi tần sốcộng hưởng khi ta dò đài (kênhtần số).
Đó là các tụ có mật độ năng lượng cực cao (supercapacitor) nhưTụ điện Li ion (tụ LIC), là tụ phân cực và dùng cho tíchđiện một chiều. Chúng có thể trữ điện năng cho vài tháng, cấp nguồn thay các pin lưu dữ liệu trong các máy điện tử.
Khả năng phóng nạp nhanh và chứa nhiều năng lượng hứa hẹn ứng dụng tụ này trong giao thông để khai thác lại năng lượng hãm phanh (thắng), cung cấp năng lượng đỉnh đột xuất cho ô tô điện, tàu điện, tàu hoả nhanh,...[5]
Tụ điện MIS: tụ điện được chế tạo theo công nghệ bán dẫn, gồm 3 lớp kim loại - điện môi -chất bán dẫn (metal-isolator-semiconductor), trong đó điện môi làpolyme.
Tụ điện trench
Tụ điện cố định
Tụ điện gốm (Ceramic): tụ có điện môi chế tạo theo công nghệ gốm.[6]
Tụ điện màng (film): tụ có điện môi là màng plastic (plastic film).
Tụ điện mica: tụ có điện môi làmica (một loại khoáng vật có trong tự nhiên, bóc được thành lá mỏng. Nó khác với tấm polyme quen gọi là mica). Tụ này ổn định cao, tổn hao thấp và thường dùng trong mạch cộng hưởng tần cao.
Tụ hóa: hay tụ điện điện phân (electrolytic capacitor), dùng chất điện phân phù hợp với kim loại dùng làmanode để tạo racathode, nhằm đạt được lớp điện môi mỏng và điện dung cao.[7]