Tụ điện
Bản mẫu:Infobox electronic component 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.[1]
Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt 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 lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ 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 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 qui.
Mục lục
Các tham số chính của tụ điện[sửa]
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 dò điện, dải tần số làm việc, tổn hao điện môi, tiếng ồn,... và thường được nêu trong Catalog của linh kiện.
Điện dung của tụ điện[sửa]
Điện dung là đại lượng vật lý nói lên khả năng tích điện giữa hai bản cực của tụ điện. Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức:
-
ε
.ε0
.
Trong đó,
- C: là điện dung tụ điện, đơn vị là Fara [F]
- ε: Là hằng số điện môi 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 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 một số loại tụ có biến đổi điện dung theo thời gian là giảm. Các tụ hóa có mức độ giảm lớn nhất, và thường gọi là "già cỗi". Nó dẫn đến sai lệch hoạt động của mạch điện tử.
Điện dung còn được thể hiện bằng hai bề mặt được tích điện và có phương trình sau:
Trong đó,
- C: có đơn vị là farad, nó tượng trương cho điện dung
- Q: có đơn vị là coulomb, là độ lớn điện tích được tích tụ ở hai bề mặt
- V: có đơn vị là voltage, là voltage được áp dụng vô hai bề mặt
Điện áp làm việc[sửa]
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 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:
- 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 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[sửa]
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 độ làm 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 ngoài truyền vào nếu nhiệt độ môi trường cao hơn.
Song với các tụ có mức dò 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 liên quan đến hiện tượng này. Các tụ hóa thường có dò điện ohmic, còn các tụ tần cao thì có dò điện dòng điện xoáy.
Các loại Tụ điện[sửa]
Có rất nhiều loại.[1]
Tụ điện phân cực[sửa]
Hầu hết tụ hóa là tụ điện phân 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 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[sửa]
Tụ điện không phân cực thì không xác định 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 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.
Một số tụ hóa không phân cực cũng được chế tạo.
Tụ điện có trị số biến đổi[sửa]
Tụ điện có trị số biến đổi, hay còn gọi tụ xoay (cách gọi theo cấu tạo), là tụ có thể thay đổi giá trị điện dung, tụ này thường được sử dụng trong kỹ thuật Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài (kênh tần số).
Siêu tụ điện[sửa]
- Xem chi tiết: 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 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,...[2]
Các kiểu tụ điện[sửa]
-
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.[3]
- 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.[4]
- 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.
Tham khảo[sửa]
- ↑ 1,0 1,1 Types of Capacitor. Electronics Tutorials, 2014. Truy cập 01 Apr 2015.
- ↑ Dagmar Oertel. TAB, Energiespeicher – Stand und Perspektiven. Elektrochemische Kondensatoren, p. 86
- ↑ Ceramic Capacitors. Electronics Tutorials, 2014. Truy cập 01/06/2015.
- ↑ Electrolytic Capacitors. Electronics Tutorials, 2014. Truy cập 01/06/2015.
