Các Tham Số Chính Của Tụ (Main Parameters Of The Capacitor)

Tuy nhiên, khi một tụ điện được kết nối với dòng điện xoay chiều hoặc mạch xoay chiều AC, dòng điện xuất hiện để truyền thẳng dòng điện qua tụ điện có ít hoặc không có trở kháng (little or no resistance).

Dòng electron vào các tấm của tụ điện được gọi là dòng điện sạc, dòng này tiếp tục chảy cho đến khi điện áp trên cả hai tấm tụ điện bằng với điện áp cung cấp Vc (applied voltage). Tại thời điểm này tụ điện được gọi là sạc đầy “fully charged”.

2.2.2 Các tham số chính của tụ (Main parameters of the capacitor)

Điện dung của tụ

Điện dung là tính chất điện của một tụ điện và là thước đo khả năng tụ điện lưu trữ điện tích vào hai tấm của nó với đơn vị điện dung là Farad (viết tắt là F) được đặt tên theo nhà vật lý người Anh Michael Faraday

Bằng cách cấp điện áp V cho một tụ điện và đo điện tích Q trên các tấm, khi đó tỷ số của điện tích Q với điện áp V là điện dung của tụ điện:

C = Q / V

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 264 trang tài liệu này.

Trong đó:

o C: điện dung, đơn vị là farad;

o Q: điện lượng, (coulomb), là độ lớn điện tích được tích trên tụ;

o V: điện áp, đơn vị là volt, là điện áp cấp cho tụ khi tích điện.

Đơn vị tiêu chuẩn của điện dung (Standard Units of Capacitance)

Do Farad là một đơn vị đo lường rất lớn, vì vậy các bội số của Farad thường được sử dụng chẳng hạn như micro farads, nano-farads và pico-farads.

Microfarad (μF) 1μF = 1 / 1.000.000 = 10-6 F Nanofarad (nF) 1nF = 1 / 1.000.000.000 = 10-9 F

Picofarad (pF) 1pF = 1 / 1.000.000.000.000 = 10-12 F

Điện dung của một tụ điện phẳng (Capacitance of a Parallel Plate Capacitor)

Điện dung của tụ điện phẳng (các tấm song song) tỷ lệ thuận với diện tích A (m2) của hai tấm và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 tấm dẫn điện song song d (m) cũng tức là độ dày lớp điện môi giữa hai tấm.

Hình 2.0-3: cấu trúc của tụ phẳng song song

Phương trình tổng quát điện dung của một tụ điện tấm song song C = ε (A / d) = εr εo (A / d)

Trong đó:

o C: điện dung, đơn vị là farad (F);

o εr: hằng số điện môi của vật liệu được sử dụng ở giữa hai tấm còn gọi là điện thẩm tương đối của lớp cách điện; Trong không gian trống như không khí hoặc chân không thì thống nhất giá trị εr = 1

o ε0: Là hằng số điện thẩm có giá trị không đổi: ε0 = 8.854.10-12 (F/m).

o d: là chiều dày của lớp cách điện hay khoảng cách giữa 2 tấm (m)

o A: diện tích bản cực của tụ điện (m2).

Bài tập mẫu (Sample Problem)

Một tụ điện có A = 10 m2, d = 5m, điện môi không khí, tính điện dung C

Hướng dẫn giải (tutorial)

Như chúng ta biết, điện dung được cho bởi công thức C = ε (A / d) = εr εo (A / d)

Ở đây, điện môi là không khí, do đó, εr = 1

Ngoài ra, ε0 = 8.854 × 10 ^ -12 (F/m)

Vì thế, C = 1. 8.854 × 10 ^ -12. (10/5) = 17.708 x 10-12 F = 17.708 pF

Thông số quan trọng của tụ điện là độ thấm của vật liệu điện môi. Khi chúng ta thay đổi vật liệu điện môi, độ thấm tương đối εr của vật liệu thay đổi. Do đó giá trị điện dung C của tụ điện cũng thay đổi. Các vật liệu điện môi được sử dụng trong các tụ điện luôn luôn là vật liệu cách điện và các tấm kim loại được sử dụng trong các tụ điện được tạo thành từ các vật liệu dẫn điện. Do đó các tấm kim loại được làm bằng vật liệu dẫn điện như đồng, nhôm và điện môi được tạo thành từ vật liệu cách điện như: giấy, sáp, mica, gốm, polyme, gel.

Thông thường theo thời gian vật liệu dần bị sự lão hóa nên điện dung của tụ cũng giảm dần. Các tụ hóa có mức độ giảm lớn dẫn đến sai lệch hoạt động trong các mạch điện tử.

Tất cả các tụ điện đều có sai số có thể dao động từ -20% đến + 80% so với giá trị thực của nó. Vì vậy giá trị đọc trên tụ không nhất thiết phải là giá trị thực của nó

Điện áp làm việc (Working Voltage)

Điện áp làm việc là một đặc tính tụ điện quan trọng để xác định điện thế là DC hoặc AC áp cho tụ điện mà không bị hỏng trong suốt thời gian hoạt động của nó. Nói chung, điện áp làm việc được in ở mặt bên của thân tụ điện đề cập đến điện áp làm việc DC của nó. Đây là giá trị điện áp cực đại cho phép rơi trên tụ điện mà nó chịu đựng được. Nếu vượt quá điện áp này thì lớp điện môi có thể bị đánh thủng, gây chập tụ, nổ tụ.

Các giá trị điện áp DC và AC thường không giống nhau cho một tụ điện vì giá trị điện áp AC đề cập đến áp hiệu dụng nên giá trị cao nhất lớn hơn 1,414 lần. Cũng vậy, điện áp làm việc DC được chỉ định là hợp lệ trong phạm vi nhiệt độ nhất định, thông thường -30 ° C đến + 70 ° C.

Bất kỳ điện áp DC hoặc dòng điện xoay chiều AC quá mức nào vượt quá điện áp làm việc của nó đều có thể gây tụ hỏng.

Các điện áp DC làm thường dùng là 10V, 16V, 25V, 35V, 50V, 63V, 100V, 160V, 250V, 400V và 1000V và được in lên thân của tụ điện.

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 điện áp là 16V, chứ không dùng tụ có điện áp làm việc đúng 12V.

Nhiệt độ làm việc T (Working Temperature)

Những thay đổi về nhiệt độ xung quanh của tụ điện sẽ làm ảnh hưởng đến giá trị của điện dung vì những thay đổi trong tính chất điện môi. Nếu không khí hoặc nhiệt độ xung quanh trở nên nóng hoặc lạnh thì giá trị điện dung của tụ điện có thể thay đổi nhiều đến mức ảnh hưởng đến hoạt động chính xác của mạch. Phạm vi làm việc bình thường cho hầu hết các tụ điện là -30oC đến + 125oC với điện áp danh định. Nhiệt độ làm việc không quá + 70oC đặc biệt đối với các loại tụ nhựa (plastic capacitor).

Lưu ý: Đặc biệt là tụ điện phân nhôm, ở nhiệt độ cao trên 85oC chất lỏng trong chất điện phân có thể bị bay hơi, và thân của tụ điện (đặc biệt loại có kích thước nhỏ) có thể bị biến dạng do áp suất bên trong và rò rỉ. Ngoài ra, các tụ điện phân không thể được sử dụng ở nhiệt độ thấp, dưới khoảng -10oC, vì chất điện phân đóng băng.

2.2.3 Phân loại:

Tụ có nhiều hình dạng, kích cỡ và mức độ ứng dụng trong các mạch khác nhau có sẵn trên thị trường và mỗi loại có thông số, đặc tính riêng. Có thể thấy cùng một loại tụ điện nhưng có thể ở dạng hình trụ tròn cũng có thể dùng để dán trên bề mặt (SMD). Tùy vào giá trị, tụ điện có hai loại chính:

Tụ điện giá trị cố định và tụ điện biến thiên. Các loại này có thể được phân loại thêm trên cơ sở phân cực và vật liệu điện môi được sử dụng.

2.2.3.1 Tụ điện cố định

Nhiều loại tụ điện cố định được sử dụng trong các thiết bị điện tử cũng như các mạch điện. Chúng được thiết kế để điện dung của tụ có giá trị cố định. Các tụ điện này có thể được phân loại theo phân cực. Tụ điện cố định phân cực và tụ điện cố định không phân cực. Ngoài ra có thể được phân loại thêm bằng vật liệu điện môi được sử dụng. Thông thường, tụ điện cố định được đặt tên theo vật liệu điện môi được sử dụng trong chúng.

a) Tụ không phân cực (non-polarized Capacitor)

Không phân biệt cực âm, cực dương, còn gọi là tụ xoay chiều; giá trị điện dung nhỏ, chịu được áp cao như tụ giấy, tụ gốm, tụ mica,...

Hình 2.0-4: Ký hiệu tụ không phân cực kiểu Anh (UK) và kiểu Mỹ (US)

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 từ một vài μF đến vài chục μF thì được dùng trong thiết bị điện dân dụng như tụ ngậm, tụ đề dùng cho quạt, mô tơ,...Các tụ lớn đến cỡ Fara thì làm tụ bù pha cho lưới điện.

Tụ gốm (Ceramic Capacitor)

Là tụ không phân cực. Giá trị của chúng dao động từ pF đến µF. Chúng hoạt động ở nhiều mức điện áp làm việc (từ vài volt đến kilo volt). Tụ gốm được chia thành hai loại, cụ thể là tụ điện đĩa (disc capacitors ) và tụ điện nhiều lớp (multi-layer capacitors).

Tụ đĩa (disc capacitors )

Các loại tụ đĩa có cấu trúc khá đơn giản. Chúng có một đĩa gốm nhỏ phủ bằng bạc ở cả hai bên, do đó cũng được gọi là tụ đĩa. Đĩa và lớp phủ bạc này hoạt động như điện và điện gốm tương ứng. Việc lắp ráp điện cực đĩa và bạc được phủ bằng chất cách điện để bảo vệ.

Hình 2.0-5: Cấu tạo và hình dáng tụ đĩa

Giá trị điện dung của tụ đĩa nằm trong khoảng từ 0,5 đến 1600 pF. Điện môi cũng có thể ở dạng tấm cho tấm, tụ gốm dạng bảng. Các tụ điện dung này nằm trong khoảng từ 1 pF đến 1 µF. điện áp sự cố dao động trong khoảng từ 500 V đến 20 kV.

Tụ gốm nhiều lớp được (multi-layer capacitors)

Tụ gốm nhiều lớp còn gọi là MLCC đây là tụ gốm không phân cực; chúng có thể được sử dụng cả DC cũng như các mạch AC để đạt được điện dung cao. Hằng số điện môi cao làm tăng điện dung của tụ điện gốm trong khi vẫn giữ kích thước vật lý nhỏ..

Hình 2.0-6: cấu tạo và hình dáng tụ gốm nhiều lớp

Các tụ điện này hoạt động tốt ở tần số cao. Đây là những tụ điện có mục đích chung và chủ yếu được sử dụng để loại bỏ nhiễu

Ví dụ: Trong mạch vi điều khiển de-bouncing, mạch truyền thông IC MAX232, mạch dao động với bộ dao động tinh thể.

Tụ điện màng mỏng (Film Capacitor)

Tụ phim không bị phân cực, do đó có thể được sử dụng trong cả hai mạch AC và DC.

Chúng còn được gọi là tụ kẹo hoặc tụ phim hay tụ nhựa. Tụ phim được làm bằng nhựa (hoặc giấy, màng kim loại) được bao phủ bởi các điện cực kim loại, được đặt vào một cuộn dây, với các dây dẫn kèm theo, và sau đó được bọc trong vỏ bọc.

Các tụ điện phim khác nhau có tên của chúng dựa trên cơ sở điện môi được sử dụng. Tụ điện với polyester (mylar), polystyrene,

polycarbonate hoặc teflon làm vật liệu điện môi thường được gọi là tụ điện nhựa.

Hình 2.0-7: Hình dạng các loại tụ màng mỏng

Điện dung của tụ điện hoặc tụ kim loại nằm trong khoảng từ 100 pF đến 100 uF

Tụ điện giấy nằm trong khoảng từ 1 nF đến 1 µF. Chúng có điện áp làm việc cao hơn so với tụ điện gốm. Phạm vi điện áp là khoảng 200 V đến 1600 V cho loại giấy và 50 V đến 600 V cho các loại màng phim. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử công suất vì chi phí thấp và đặc tính vượt trội của chúng như độ ổn định nhiệt độ, độ tự cảm thấp.

Tụ điện Mica (Mica Capacitor)

Những tụ điện này có mica làm vật liệu điện môi phủ lớp mỏng bạc. Do đó các tụ điện này cũng được gọi là tụ điện mica bạc. Tụ mica có giá trị từ vài pF đến vài nghìn pF với điện áp danh định trong khoảng vài trăm volt đến nghìn volt. Các điện môi trong mica tụ điện được xếp chồng lên nhau. Điện dung của tụ điện mica nằm trong khoảng từ 10 pF đến 5000 pF và điện áp hỏng hóc tương tự như các tụ điện gốm.