Tụ điện là gì
Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.
Sự tích tụ của điện tích trên hai mặt phẳng tạo ra năng lực tích trữ nguồn năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai mặt phẳng là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều .
Về mặt tàng trữ nguồn năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù cách hoạt động giải trí của chúng thì trọn vẹn khác nhau, nhưng chúng đều cùng tàng trữ nguồn năng lượng điện. Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn thuần hơn, nó không hề tạo ra electron – nó chỉ tàng trữ chúng. Tụ điện có năng lực nạp và xả rất nhanh. Đây là một lợi thế của nó so với ắc qui .
Lịch sử tụ điện
Vào tháng 10 năm 1745, Ewald Georg von Kleist ở Pomerania nước Đức, phát hiện ra điện 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. Tay của Von Kleist và nước đóng vai trò là chất dẫn điện, và bình thủy tinh là chất 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 Lan Pieter van Musschenbroek làm việc tại đại học Leiden, phát minh ra một bình tích điện tương tự, được đặt tên là bình Leyden.
Sau đó Daniel Gralath là người tiên phong tích hợp nhiều bình tích điện song song với nhau thành một quả “ pin ” để tăng dung tích tàng trữ. Benjamin Franklin tìm hiểu chiếc bình Leyden và đi đến Kết luận rằng điện tích đã được tàng 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 trải qua. Sau đó, nước được thay bằng những dung dịch hóa điện, bên trong và bên ngoài bình layden được phủ bằng lá sắt kẽm kim loại. Để lại một khoảng trống ở miệng để tránh tia lửa điện giữa những lá. Bình layden là bình tích điện tiên phong có điện dung khoảng chừng 1,11 nF ( nano Fara ) .
Các tham số chính của tụ điện
Các tham số chính của tụ điện có điện dung danh định, điện áp và nhiệt độ làm việc cao nhất.
Ngoài ra là các tham số tinh tế, dành cho người thiết kế hay sửa chữa thiết bị chính xác cao: Hệ số biến đổi điện dung theo nhiệt độ, độ trôi điện dung theo thời gian, độ rò điện, dải tần số làm việc, tổn hao điện môi, tiếng ồn,… và thường được nêu trong Catalog của linh kiện.
Điện dung
Vật thể nói chung đều có khả năng tích điện, và khả năng này đặc trưng bởi điện dung {\displaystyle C}
, xác định tổng quát qua điện lượng theo biểu thức:
C=Q/U
Trong đó :
- C: điện dung, có đơn vị là farad;
- Q: điện lượng, có đơn vị là coulomb, là độ lớn điện tích được tích tụ ở vật thể;
- U: điện áp, có đơn vị là voltage, là điện áp ở vật thể khi tích điện.
Điện dung của tụ điện
Trong tụ điện thì điện dung phụ thuộc vào vào diện tích quy hoạnh bản cực, vật tư làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức :
C=εrε0S/d
Trong đó :
- C: điện dung, có đơn vị là farad [F];
- εr: Là hằng 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;
- 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 tiễn đơn vị chức năng Fara là trị số rất lớn, do đó thường dùng những đơn vị chức năng đo nhỏ hơn như micro Fara ( 1 µF = 10 − 6F ), nano Fara ( 1 nF = 10 − 9F ), picoFara ( 1 pF = 10 − 12F ) .
Thông thường do sự lão hóa vật liệu mà nhiều loại tụ có điện dung giảm theo thời hạn. Các tụ hóa có mức độ giảm lớn nhất, và thường gọi là “ già cỗi ”. Nó dẫn đến xô lệch hoạt động giải trí của mạch điện tử .
Điện áp thao tác
Tụ điện được đặc trưng bới thông số điện 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 tiền sản xuất tụ điện cao, nên tụ có khá nhiều mức điện áp thao tác : 5V, 10V, 12V, 16V, 24V, 25V, 35V, 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V, 180V, 250V, 280V, 300V, 400V …
Ngày nay những dây chuyền sản xuất lớn sản xuất và cho ra ít cấp điện áp hơn thế :
- Tụ hoá: 16V, 25V, 35V, 63V, 100V, 150V, 250V, 400V.
- Tụ khác: 63V, 250V, 630V, 1KV.
- Các tụ đặc chủng có mức điện áp cao hơn, như 1,5 KV, 4 KV,… và tuỳ vào hãng sản xuất.
Khi phong cách thiết kế hoặc sửa chữa thay thế mạch, phải chọn tụ có điện áp thao tác 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 thao tác đúng 12V .
Nhiệt độ thao tác
Nhiệt độ làm việc của tụ điện thường được hiểu là nhiệt độ ở vùng đặt tụ điện khi mạch điện hoạt động. Tụ điện phải được chọn với nhiệt độlàm việc cao nhất cao hơn nhiệt độ này.
Thông thường nhiệt độ được thiết lập do tiêu tán điện năng biến thành nhiệt của mạch, cộng với nhiệt do môi trường tự nhiên ngoài truyền vào nếu nhiệt độ môi trường tự nhiên cao hơn .
Song với những tụ có mức rò điện cao, thì xảy ra sự tiêu tán điện năng biến thành nhiệt trong tụ điện, làm cho nhiệt độ trong tụ điện cao hơn xung quanh. Các hư hỏng nổ tụ thường tương quan đến hiện tượng kỳ lạ này. Các tụ hóa thường có rò điện ohmic, còn những tụ tần cao thì có dòng điện xoáy .
Các loại Tụ điện
Tụ điện phân cực
Hầu hết tụ hóa là tụ điện phân cực, tức là nó có cực xác lập. Khi đấu nối phải đúng cực âm – dương .
- Thường trên tụ có kích thước đủ lớn thì cực âm phân biệt bằng dấu – 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 đánh dấu + 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
Tụ điện không phân cực thì không xác lập cực dương âm, như tụ giấy, tụ gốm, tụ mica, … Các tụ có trị số điện dung nhỏ hơn 1 μF thường được sử dụng trong những mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu. Các tụ cỡ lớn, từ một vài μF đến cỡ Fara thì dùng trong điện gia dụng ( tụ quạt, mô tơ, … ) hay dàn tụ bù pha cho lưới điện .
Một số tụ hóa không phân cực cũng được sản xuất .
Tụ điện có trị số biến hóa
Tụ điện có trị số đổi khác, hay còn gọi tụ xoay ( cách gọi theo cấu trúc ), là tụ hoàn toàn có thể biến hóa giá trị điện dung, tụ này thường được sử dụng trong kỹ thuật Radio để biến hóa tần số cộng hưởng khi ta dò đài ( kênh tần số ) .
Siêu tụ điện
Đó là các tụ có mật độ năng lượng cực cao (supercapacitor) như Tụ điện Li ion (tụ LIC), là tụ phân cực và dùng cho tích điện 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 nguồn năng lượng hứa hẹn ứng dụng tụ này trong giao thông vận tải để khai thác lại nguồn năng lượng hãm phanh ( thắng ), phân phối nguồn năng lượng đỉnh đột xuất cho xe hơi điện, tàu điện, tàu hoả nhanh, …
Các kiểu tụ điện
- Tụ điện tích hợp
- 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 là polyme.
- Tụ điện trench
- Tụ điện cố định
- Tụ điện gốm (Ceramic): tụ có điện môi chế tạo theo công nghệ gốm.
- Tụ điện màng (film): tụ có điện môi là màng plastic (plastic film).
- Tụ điện mica: tụ có điện môi là mica (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 làm anode để tạo ra cathode, nhằm đạt được lớp điện môi mỏng và điện dung cao.[7]
- Tụ hóa nhôm: có anode (+) làm bằng nhôm.
- Tụ hóa tantali: có anode (+) làm bằng tantali.
- Tụ hóa niobi: có anode (+) làm bằng niobi.
- Tụ polyme, tụ OS-CON: dùng điện phân là polyme dẫn điện.
- Siêu tụ điện (Supercapacitor, Electric double-layer capacitor – EDLS)
- Siêu tụ điện Nanoionic: chế tạo theo công nghệ lớp kép nano để đạt mật độ điện dung cực cao.
- Siêu tụ điện Li ion (LIC): chế tạo theo công nghệ lớp kép lai để đạt mật độ điện dung siêu cao.
- Tụ điện vacuum: điện môi chân không.
- Tụ điện biến đổi: tụ thay đổi được điện dung.
- Tụ điện tuning: tụ thay đổi dải rộng dùng trong mạch điều hưởng
- Tụ điện trim: tụ thay đổi dải hẹp để vi chỉnh
- Tụ điện vacuum biến đổi (đã lỗi thời).
- Tụ điện ứng dụng đặc biệt:
- Tụ điện filter: tụ lọc nhiễu, có một cực là vỏ nối mát, cực còn lại có dạng trụ 2 đầu nối.
- Tụ điện motor: tụ dùng để khởi động và tạo từ trường xoay cho motor.
- Tụ điện photoflash: tụ dùng cho đèn flash như đèn flash máy ảnh, cần đến phóng điện nhanh.
- Dãy tụ điện (network, array): các tụ được nối sẵn thành mảng.
- Varicap: Điốt bán dẫn làm việc ở chế độ biến dung.
Tụ gốm
Tụ giấy và tụ gốm là những tụ không phân cực và có trị số nhỏ < 470 NanoFara, còn tụ hoá thường có trị số lớn từ 0,47 Micro Fara đến hàng nghìn Micro Fara và tụ hoá có phân cực âm khí và dương khí .
Tụ giấy và tụ gốm ( hình dẹt ) trị số được ký hiệu trên thân bằng ba số VD : 103J, 223K, 471J vv … Trong đó ba số đầu ký hiệu cho giá trị, chữ J hoặc K ở cuối kà ký hiệu cho sai số .
Cách đọc tụ gốm
- Cách đọc như sau : hai số đầu giữ nguyên, số thứ 3 tương ứng với số con số 0 thêm vào sau và lấy đơn vị là Pico
VD: 103J sẽ là 10000 pico = 10 Nano hoặc 471K sẽ là 470 Pico
- Có một cách ký hiệu khác VD .01J, .22K, nếu ký hiệu như vậy thì lấy đơn vị là Micro : .01J nghĩa là 0,01 Micro = 10 Nano, .022K là 0,022 Micro = 22 Nano
Ứng dụng của tụ gốm là gì
Tụ giấy và tụ gốm ( trị số nhỏ ) thường lắp trong những mạch cao tần .
Nhược điểm tụ gốm
Tụ giấy và tụ gốm hay hỏng ở dạng bị dò hoặc bị chập .
Cách kiểm tra tụ gốm trong mạch điện như thế nào
Với tụ giấy hay tụ gốm thì dùng thang 1K ohm hay 10K ohm để kiểm tra, Tụ tốt là sau khi phóng nạp kim đồng hồ đeo tay phải quay trở lại vị trí cũ, nếu kim không trở lại hoặc lên = 0 ohm là tụ bị dò hoặc chập .
- Ở hình ảnh trên là phép đo kiểm tra tụ gốm, có ba tụ C1, C2 và C3 có điện dung bằng nhau, trong đó C1 là tụ tốt, C2 là tụ bị dò và C3 là tụ bị chập.
- Khi đo tụ C1 ( Tụ tốt ) kim phóng lên 1 chút rồi trở về vị trí cũ. ( Lưu ý các tụ nhỏ quá < 1nF thì kim sẽ không phóng nạp )
- Khi đo tụ C2 ( Tụ bị dò ) ta thấy kim lên lưng chừng thang đo và dừng lại không trở về vị trí cũ.
- Khi đo tụ C3 ( Tụ bị chập ) ta thấy kim lên = 0 Ω và không trở về.
- Lưu ý: Khi đo kiểm tra tụ giấy hoặc tụ gốm ta phải để đồng hồ ở thang x1KΩ hoặc x10KΩ, và phải đảo chiều kim đồng hồ vài lần khi đo.
Tụ hóa
Tụ Hóa là gì
Tụ hoá hay Tụ điện điện phân (tiếng Anh: electrolytic capacitor) là một loại tụ điện có phân cực. Nó có anode (+) được làm bằng kim loại đặc biệt được xử lý bề mặt để tạo lớp oxyt cách điện. Sau đó chất điện phân rắn hoặc không rắn (non-solid) được phủ lên mặt lớp oxyt để tạo ra cathode.
Do lớp oxy cách điện cực mỏng dính, tụ hoá đạt được điện dung lớn trên mỗi đơn vị chức năng thể tích so với nhiều loại khác, có ý nghĩa quan trọng trong những mạch có tần số thấp và cường độ dòng điện cao. Nó được dùng nhiều trong những bộ lọc cung ứng nguồn, nơi mà điện tích tàng trữ cần cho việc điều tiết điện áp ra và sự giao động của dòng điện, trong chỉnh lưu ngõ ra, và đặc biệt quan trọng khi thiếu nguồn pin sạc để phân phối dòng điện tần số thấp .
Ký hiệu tụ hóa
Cấu tạo tụ hóa
Tụ có anode ( + ) được làm bằng sắt kẽm kim loại đặc biệt quan trọng được giải quyết và xử lý mặt phẳng để tạo lớp oxyt cách điện. Sau đó chất điện phân rắn hoặc không rắn ( non-solid ) được phủ lên mặt lớp oxyt để tạo ra cathode. Chúng được cuộn lại, lắp những chân nối và đặt vào bên trong lớp bọc bằng nhôm hình tròn trụ .
Chia theo vật tư sử dụng thì có :
- Tụ hóa nhôm: Là tụ phổ biến nhất
- Tụ hóa tantali: Tụ điện tantali đắt hơn rất nhiều so với tụ điện bằng nhôm, và thường dùng với điện áp thấp, nhưng chúng có điện dung cao hơn rất nhiều trên mỗi đơn vị thể tích và được dùng cho các ứng dụng thu nhỏ như điện thoại di động.
- Tụ hóa niobi
- Tụ polyme, tụ OS-CON
Phân cực
Tụ điện điện phân có sự phân cực, không giống như hầu hết tụ điện khác. Điều này là do lớp aluminum oxide được giữ yên chỗ bởi điện trường, và khi hòn đảo cực, nó sẽ hòa tan vào electrolyte. Điều này làm xảy ra đoản mạch giữa electrolyte và aluminum. Chất lỏng sẽ nóng lên và tụ điện hoàn toàn có thể phát nổ. Lớp aluminium oxide là dielectric, và độ mỏng mảnh của lớp này, cùng với năng lực chịu đựng một điện trường với cường độ khoảng chừng 109 volts per metre, làm tạo ra dung tích cao của tụ điện. Các tụ điện tân tiến có van an toàn trên một mặt tròn để thông thoáng khí / chất lỏng nóng, nhưng tiếng nổ vẫn hoàn toàn có thể lớn. Sự phân cực đúng đắn được viết ra trên gói bởi một lằn với dấu âm và hoàn toàn có thể là những mũi tên, ký hiệu cực ngay cạnh đó âm hơn cực còn lại .
Tụ điện phân sẽ có hành vi giống như bất kể tụ điện nào khác nếu cực bị nghịch đảo, cho đến điểm chúng bị hủy. Đây là nguyên do duy nhất cho nhu yếu về phân cực. Đa số vẫn chịu đựng nếu không có sự hòn đảo cực ( điện một chiều ) hoặc chỉ điện xoay chiều, và hoàn toàn có thể chịu sự hòn đảo cực trong một khoảng chừng thời hạn, nhưng mạch điện nên được phong cách thiết kế sao cho không có sự hòn đảo cực không đổi trong một lượng thời hạn lớn. Một sự phân đúng cực không đổi sẽ làm tăng tuổi thọ của tụ điện .
Tụ điện MIS
Tụ điện MIS (hay metal-isolator-semiconductor) là một tụ điện đặc biệt được chế tạo gồm 3 lớp kim loại – điện môi – chất bán dẫn.
Nó có kết cấu như transistor MOS, nên từng gọi là tụ điện MOS. Tuy nhiên điện môi sử dụng có khi không phải oxit, mà dùng polyme. Mặt khác việc tìm kiếm các chất điện môi có hệ số điện môi k cao (High-κ dielectric) đang được thực hiện.
Các đặc trưng hoạt động giải trí
Trong nhiều trường hợp dùng chất bán dẫn silicon, thì triển khai tạo lớp điện môi là oxyt silic bằng oxy hoá nhiệt, sau đó ngưng kết hơi sắt kẽm kim loại để tạo điện cực .
Việc thu mỏng lớp điện môi làm tăng điện dung, nhưng không thể nhỏ hơn 10 nm. Đây là là khoảng cách bắt đầu xảy ra hiệu ứng đường hầm, và là “bức tường chắn” không vượt được về kỹ thuật.
Ứng dụng Tụ điện MIS
Tụ điện MIS được dùng trong những vi mạch hoặc những thiết bị điện tử tinh xảo cần đến thể tích linh phụ kiện nhỏ, như điện thoại di động. Chúng được sản xuất sẵn ở dạng linh phụ kiện hàn dán ( SMD ) hoặc tạo trên nền chung trong quy trình sản xuất vi mạch .
Bài viết liên quan
