Theo một cách gần đúng đầu tiên, tụ điện là thiết bị có thể được coi đơn giản là điện trở phụ thuộc vào tần số.
Q = CV. (1.13)
Dạng cơ bản của nó là một cặp tấm kim loại đặt sát nhau, được ngăn cách bởi một số vật liệu cách điện, như trong “tụ điện màng hướng trục” được cuộn lại trong hình dưới. Một tụ điện C farad với V vôn trên các cực của nó có Q coulomb điện tích dự trữ trên một bản và −Q trên bản kia. Điện dung tỉ lệ thuận với diện tích và tỉ lệ nghịch với khoảng cách. Đối với tụ điện có bản cực song song đơn giản, có khoảng cách d và diện tích bản A (và với khoảng cách d nhỏ hơn nhiều so với kích thước của bản), điện dung C được cho bởi
C=8.85×10-14 εA/d F, (1.14)
trong đó ε là hằng số điện môi của chất cách điện và kích thước được đo bằng centimet. Cần rất nhiều diện tích và khoảng cách rất nhỏ để tạo ra loại điện dung thường được sử dụng trong các mạch điện.21 Ví dụ: một cặp bản 1 cm2 cách nhau 1 mm là một tụ điện nhỏ hơn 10−12F (một picofarad) một chút. ); bạn sẽ cần 100.000 tụ điện trong số đó chỉ để tạo ra tụ điện 0,1 μF của hình dưới (điều này không có gì đặc biệt; chúng tôi thường sử dụng các tụ điện có điện dung nhiều microfara). Thông thường, bạn không cần tính toán điện dung, vì bạn mua tụ điện như một linh kiện điện tử.
Theo một cách gần đúng đầu tiên, tụ điện là thiết bị có thể được coi đơn giản là điện trở phụ thuộc vào tần số. Ví dụ, chúng cho phép bạn tạo các bộ chia điện áp phụ thuộc vào tần số. Đối với một số ứng dụng (bỏ qua, ghép nối), đây gần như là tất cả những gì bạn cần biết, nhưng đối với các ứng dụng khác (lọc, lưu trữ năng lượng, mạch cộng hưởng) thì cần phải hiểu sâu hơn. Ví dụ, các tụ điện lý tưởng không thể tiêu tán điện năng, mặc dù dòng điện có thể chạy qua chúng, bởi vì điện áp và dòng điện lệch pha nhau 90◦.
Trước khi đi vào chi tiết về các tụ điện trong hơn chục trang sau (bao gồm một số toán học cần thiết mô tả hành vi của chúng theo thời gian và tần số), chúng tôi muốn nhấn mạnh hai ứng dụng đầu tiên đó – bỏ qua và ghép nối – bởi vì chúng là những ứng dụng phổ biến nhất của tụ điện , và chúng dễ hiểu ở mức đơn giản nhất. Chúng ta sẽ xem chi tiết những điều này sau, nhưng không cần phải đợi – thật dễ dàng và trực quan. Bởi vì một tụ điện trông giống như một mạch hở ở điện áp một chiều, nên nó cho phép bạn kết hợp một tín hiệu khác nhau trong khi chặn mức điện áp trung bình của nó. Đây là tụ chặn (còn gọi là tụ ghép), như hình 1.93. Tương tự như vậy, vì một tụ điện trông giống như một mạch ngắn ở tần số cao, nên nó triệt tiêu các tín hiệu (“bỏ qua”) ở những nơi bạn không muốn chúng, ví dụ như trên điện áp một chiều cấp nguồn cho các mạch của bạn, như trong Hình 8.80A (trong đó có các tụ điện triệt tiêu tín hiệu trên điện áp nguồn +5 V và −5 V dc, cũng như trên cực cơ sở của bóng bán dẫn Q2). Về mặt nhân khẩu học, hai ứng dụng này chiếm phần lớn các tụ điện được nối vào các mạch trên thế giới.
Lấy đạo hàm của phương trình xác định 1.13, bạn nhận được
Vì vậy, một tụ điện phức tạp hơn một điện trở: dòng điện không chỉ đơn giản là tỷ lệ thuận với điện áp, mà là tốc độ thay đổi của điện áp. Nếu bạn thay đổi điện áp trên một farad thêm 1 vôn mỗi giây, thì bạn đang cung cấp một bộ khuếch đại. Ngược lại, nếu bạn cung cấp một bộ khuếch đại, điện áp của nó sẽ thay đổi 1 vôn mỗi giây. Farad là một điện dung cực lớn và bạn thường xử lý microfarad (μF), nanofarad (nF) hoặc picofarads (pF). Ví dụ: nếu bạn cung cấp dòng điện từ 1 mA đến 1μF, điện áp sẽ tăng lên 1000 vôn môi giây. Một xung 10 ms của dòng điện này sẽ làm tăng điện áp trên tụ điện thêm 10 vôn (Hình 1.29).
Khi bạn sạc một tụ điện, bạn đang cung cấp năng lượng. Tụ điện không bị nóng; thay vào đó, nó lưu trữ năng lượng trong các điện trường bên trong của nó. Bạn có thể dễ dàng khám phá ra rằng lượng năng lượng dự trữ trong một tụ điện tích điện chỉ là
trong đó UC tính bằng joules cho C tính bằng farad và V tính bằng vôn. Đây là một kết quả quan trọng; chúng ta sẽ thấy nó thường xuyên.
—— Trích sách The Art of Electronics ——
