Tụ điện

Sơ lược về tụ điện

Tụ điện là một trong những linh kiện điện tử thụ động rất phổ biến.

Linh kiện điện tử thụ động là những linh kiện không cần nguồn cấp năng lượng để duy trì khả năng hoạt động của chính nó. Có 4 loại linh kiện thụ động là:

• Điện trở
• Tụ điện
• Cuộn cảm
• Đi-ốt (diode)

Bên trong tụ điện là 2 bề mặt dẫn điện (2 bản tụ) được đặt cách điện với nhau, môi trường giữa 2 bản tụ này được gọi là điện môi (môi trường không dẫn điện). Điện môi có thể là: không khí, giấy, mica, dầu nhờn, nhựa, cao su, gốm, thuỷ tinh...

Đặc tính

Tụ điện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng năng lượng điện trường bằng cách lưu trữ các electron (điện tích âm). Khi điện áp đặt vào 2 bản tụ là điện áp xoay chiều hay có sự biến đổi điều hòa, sự tích luỹ điện tích này bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều cũng như các mạch giao động. Nhờ đặc tính này, tụ điện được ứng dụng trong các mạch dao động, truyền phát sóng vô tuyến,...
Như đã nói ở trên, tụ điện có khả năng tích trữ điện tích âm do đó nó cũng có thể phóng ra các điện tích này để tạo thành dòng điện. Vì vậy, ta có thể xem tụ điện như một nguồn điện. Năng lượng trong tụ điện là năng lượng điện trường, lực điện trường đóng vai trò là lực lạ như trong nguồn điện thông thường.
Bảng so sánh sau giữa tụ điện, nguồn điện thông thường và siêu tụ điện (lai giữa tụ điện và nguồn điện) sẽ cho bạn nắm rõ hơn sự khác biệt giữa chúng. Các thông số được lấy giá trị trung bình để dễ hình dung, trên thực thế có thể khác đôi chút.

Thông số	Đơn vị tính	Tụ điện	Siêu tụ điện	Pin / Ắc quy
Thời gian nạp năng lượng	giây	10-6 - 10-3	1 - 30	trên 2000
Thời gian xả năng lượng	giây	10-6 - 10-3	1 - 30	trên 600
Năng suất lưu trữ	Wh/kg	dưới 0.1	1-10	20-100
Công suất	W/kg	trên 10.000	1000 - 2000	50 - 200
Chu kỳ nạp/xả	lần	trên 500.000	trên 100.000	250 - 2000
Năng lượng hao hụt khi nạp/xả	%	0%	5% - 10%	25% - 30%

Có thể thấy, tuy khả năng tích trữ năng lượng của tụ điện là không nhiều, nhưng thời gian nạp/xả của nó lại cực nhanh nên nó thường được dụng (mắc song song với nguồn điện) trong các mạch nguồn có công suất tiêu thụ tăng giảm liên tục. Vì sao ? Vì khi công suất tiêu thụ tăng đột biến, nguồn điện không cấp đủ năng lượng, tụ điện sẽ đóng vai trò như một nguồn điện - xả năng lượng để bù thêm cho nguồn phần bị hao hụt. Sau quá trình này, tụ lại được nạp lại. Như bạn đã thấy trong bảng so sánh, tất cả các quá trình này đều chỉ diễn ra trong vòng từ 10^-6 đến 10^-3 giây.
Ví dụ như mạch nguồn dùng cho các loại động cơ. Khi khởi động, động cơ cần một dòng điện rất lớn đến mức nguồn điện không thể cung cấp kịp, khi đó, người ta thường dùng tụ điện để hỗ trợ như mình giải thích ở trên.

Các thông số kĩ thuật

Điện dung
Đặc trưng cho khả năng lưu trữ năng lượng của tụ điện. Đơn vị điện dung của tụ điện là Fara (F). 1 Fara được định nghĩa là điện dung của một tụ điện có thể được nạp đầy bởi dòng điện có hiệu điện thế 1V, cường độ dòng điện 1A trong thời gian 1 giây.
Quy đổi về mặt trữ lượng: 1 F = 1 A x 1 V x 1 giây = 1A x 1V x 1/3600 giờ = 0.278 mWh.
Một viên pin của các dòng smartphone hiện nay có dung lượng khoảng 5-10 Wh, của máy tính bảng là khoảng 15 - 30 Wh còn của laptop là khoảng 40-100 Wh.
Trên thực tế những tụ điện có điện dung hàng Fara thường đã được xếp vào loại siêu tụ điện. Đa phần các tụ điện chỉ có điện dung nằm trong hàng từ picofara (pF), nanofara (nF) đến micrôfara (µF), minifara (mF) thì hơi hiếm.

Chú ý:
1 F = 10³ mF = 10⁶ µF = 10⁹ nF = 10¹² pF

Điện áp đánh thủng (điện áp làm việc)
Là điện áp làm việc tối đa của tụ điện. Khi điện áp vượt quá ngưỡng giới hạn này, lực điện trường trong tụ điện sẽ đủ mạnh để làm các electron từ một bản tụ bức ra, bay xuyên qua lớp điện môi đến bản tụ còn lại. Quá trình này làm chất điện môi giữa 2 bản tụ trở thành chất dẫn điện, và người ta gọi quá trình đó là đánh thủng điện môi hay tụ điện bị đánh thủng.
Trên thực tế, điện áp đánh thủng của tụ nên có trị số lớn hơn điện áp mà nó phải chịu lúc làm việc, tốt nhất là gấp 1.5 lần trở lên để đảm bảo an toàn.
Các giá trị phổ biến của điện áp đánh thủng: 5V, 10V, 12V, 16V, 24V, 25V, 35V, 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V, 180V, 250V, 280V, 300V, 400V,...
Có một sự thật là mặc dù cùng một mức điện dung nhưng điện áp đánh thủng lại tỉ lệ thuận với kích thước của tụ.

Phân loại

Trên đây là 3 loại tụ điện cơ bản mà một người nghiên cứu Arduino nên biết phân loại theo tính chất vật lí - hóa học. Ngoài ra người ta còn phân loại tụ điện theo cấu tạo, đặc tính lớp điện môi, điện áp làm việc, tần số làm việc, ...
Tụ phân cực
Là các loại tụ có phân biệt rõ 2 cực âm - dương quy định chiều dòng điện vào/ra tụ. Cản thận nhé vì nếu nối sai cực, bạn có thể làm nổ tụ. Tụ phân cực thường được gọi là tụ hóa hay tụ tantalium (tantan) - nguyên lí hoạt động dựa trên các phản ứng hóa học.

Tụ hóa thường có điện dung lớn cỡ hàng µF trở lên, làm việc trong các mạch có tần số thấp hay cường độ dòng điện lớn, thông số kĩ thuật được ghi trực tiếp lên thân tụ. Ta có thể tìm thấy loại tụ này trong các mạch lọc nguồn, mạch chỉnh lưu, ...

Cách xác định cực tính của tụ hóa:

• Với tụ mới mua về, chân tụ nào ngắn hơn là chân cực âm.
• Với tụ đã qua sử dụng, chân cực âm thường được đánh dấu bằng một dải màu sáng trên thân tụ, trên đó có in những dấu gạch ngang (kí hiệu cực âm).

 Tụ không phân cực
Nghe tên thế này thì khỏi cần giải thích rồi, bạn mắc tụ thế nào cũng được, chỉ cần chú ý đến điện áp đánh thủng của tụ là được. Loại tụ này thường là tụ giấy, gốm, mica,... và có điện dung khả nhỏ, từ vài micrôfara đến picofara.

Tụ không phân cực thường dùng trong các mạch tần số cao (mạch cao tần), lọc nhiễu,... hoặc mạch có cường độ dòng điện nhỏ. Các thông số ghi trên tụ thường là ghi tắt theo một quy ước định sẵn. Mỗi hãng sản xuất lại có những quy ước khác nhau nên đôi khi người sử dụng cũng khá lúng túng nếu gặp một số tụ lạ lạ.

Cách đọc thông số của tụ không phân cực: (quy ước phổ biến)
Một tụ có ghi: 333K - 100V - điện dung của tụ là C = 33 x 10³ pF = 33 nF, điện áp đánh thủng là U_max - 100V. Chữ "K" biểu thị sai số của tụ (+/- 10%).
Một tụ có ghi: .022 K - 100V - điện dung của tụ là C = 0.022 µF = 22 nF (sai số +/- 10%), điện áp đánh thủng U_max = 100V
Một tụ có ghi: 104 - điện dung của tụ là C = 10 x 104 pF = 100 nF, chữ "j" (có lúc là "J") chỉ sai số điện dung là +/- 5%
Một tụ có ghi: 2A104j - điện dung của tụ là C = 10 x 104 pF = 100 nF, sai số điện dung +/- 5%, chữ "A" chỉ điện áp U_max = 100V
Bạn có thể xem chi tiết tại http://wiki.xtronics.com/index.php/C....

Tụ biến dung (tụ xoay)
Là loại tụ điện mà điện dung của nó có thể thay đổi được bằng các tác động vật lí từ người sử dụng. Loại tụ này thường được sử dụng trong kĩ thuật truyền phát sóng vô tuyến để thay đổi tần số cộng hưởng của mạch. Nếu bạn đã từng sử dụng một cái radio để nghe đài thì bạn sẽ thấy có một cái nút vặn để dò kênh, cái nút này chính là bộ phận điều chỉnh điện dung của tụ trong mạch thu sóng radio.
Trong khuôn khổ nền tảng Arduino, loại tụ này hầu như không đóng vai trò gì nên mình sẽ không giới thiệu chi tiết.

Kí hiệu trong mạch

Tụ điện được kí hiệu là C (C₁,C₂,C₃,..). C là viết tắt của chữ Capacitor trong tiếng anh, ám chỉ tụ điện.

Như trong hình là loại tụ có phân cực với bản to là cực dương và bản nhỏ là cực âm. Đôi với tụ không phân cực, 2 bản này được vẽ giống nhau. Đôi khi người ta cũng vẽ tụ có phân cực như tụ không phân cực, nhưng có thêm 2 dấu "+" và "-" ở 2 bản để biểu thị cực tính.

Ứng dụng của tụ điện

Trên đây là những ứng dụng cơ bản của tụ điện. Đối với người nghiên cứu Arduino, không cần phải biết quá nhiều và sâu như người nghiên cứu điện tử thuần túy.
Đối với mạch điện xoay chiều

• Đóng vai trò tương tự như vật dẫn điện với dung kháng (điện trở) nhất định. Tần số dòng điện càng lớn thì trở kháng của tụ càng nhỏ, cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch càng lớn và ngược lại. Với dòng một chiều, tụ điện có trở kháng +oo. Đặc tính này được ứng dụng trong các mạch truyền tín hiệu.
• Lọc dòng điện xoay chiều sau khi chỉnh lưu để đưa dòng điện từ xoay chiều sang một chiều.

... và một số ứng dụng khác.
Đối với mạch điện một chiều

• Hỗ trợ nguồn điện trong các mạch có công suất tiêu thụ tăng giảm đột ngột (mạch loa, động cơ,...) khi nguồn không cấp đủ năng lượng trong thời gian ngắn.
• Lọc nhiễu tín hiệu (xung PWM).
• Khử các tia lửa điện trong động cơ điện một chiều.

... và một số ứng dụng khác.

Tìm hiểu về GPS

Tổng quan về GPS

Hệ thống Định vị Toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh. Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào. Các nước trong Liên minh châu Âu đang xây dựng Hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như GPS của Hoa Kỳ.

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian. Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện. Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng.

Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS. Hiện nay Liên minh châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo. Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh.

Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự.

GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ ( Giá của module GPS cũng khá đắt, khoảng trên 300k). Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Tuy nhiên bạn phải đưa máy thu gps đến nơi thoáng đãng để nó hoạt động thật sự chính xác.

Sự hoạt động của GPS

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa. Ở phần sau, chúng ta sẽ tìm hiểu cách lấy các thông tin này từ các vệ tinh.

Các thành phần của GPS

GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng. Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát. Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính toán vị trí trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và thời gian hiện tại.

Phần không gian

Phần không gồgian m 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định vá quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.

Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.

Phần kiểm soát

Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Có 5 trạm kiểm soát đặt rải rác trên trái đất. Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai an-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh. Ngoài ra, còn một trạm kiểm soát trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt.

Phần sử dụng

Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này (SmartPhone, module GPS,...).

Tín hiệu GPS

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2. (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà.
L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A). Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu. Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS.
Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau: mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch. Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào.
Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống.
Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại. Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.

Ứng Dụng của GPS

Quản lý và điều hành xe

1. Giám sát quản lý vận tải, theo dõi vị trí, tốc độ, hướng di chuyển,…
2. Giám sát mại vụ, giám sát vận tải hành khách,..
3. Chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình của đoàn xe
4. Liên lạc, theo dõi định vị cho các ứng dụng giao hàng GPS có nhiều ứng dụng mạnh mẽ trong quản lý xe ô tô, đặc biệt là các loại xe như: Xe taxi, xe tải, xe công trình, xe bus, xe khách, xe tự lái. Với nhiều tính năng như:

• Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe….
• Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường (vị trí xe được thể hiện nháp nháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time)
• Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn hình
• Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn
• Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm
• Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)
• Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn
• Chức năng chống trộm

Khảo sát trắc địa, môi trường

Dùng trong điều tra, khảo sát, thiết kế các công trình lâm sinh

Nguồn: https://vi.wikipedia.org