Tụ điện là gì?
Tụ điện là một linh kiện điện tử có khả năng lưu trữ năng lượng dưới dạng điện tích tạo ra sự chênh lệch tiềm năng (điện áp tĩnh) trên các bản của nó, giống như một pin sạc nhỏ.
Có rất nhiều loại tụ điện khác nhau có sẵn từ các tụ điện rất nhỏ được sử dụng trong các mạch cộng hưởng đến các tụ điện hiệu chỉnh hệ số công suất lớn, nhưng tất cả chúng đều có cách hoạt động giống nhau, chúng tích trữ điện tích.
Ở dạng cơ bản, tụ điện bao gồm hai hoặc nhiều tấm dẫn điện (kim loại) song song không được nối hoặc chạm vào nhau, nhưng được ngăn cách điện bằng không khí hoặc bằng một số dạng vật liệu cách điện tốt như giấy sáp, mica, gốm, nhựa hoặc một số dạng gel lỏng được sử dụng trong tụ điện. Lớp cách điện giữa các bản tụ điện thường được gọi là điện môi.
Do có lớp cách điện, dòng điện một chiều không thể chạy qua tụ điện vì nó chặn nó cho phép thay vào đó một điện áp hiện diện trên các tấm dưới dạng điện tích.
Các tấm kim loại dẫn điện của tụ điện có thể là hình vuông, hình tròn hoặc hình chữ nhật, hoặc chúng có thể có dạng hình trụ hoặc hình cầu với hình dạng, kích thước và cấu tạo chung của một bản tụ điện song song tùy thuộc vào ứng dụng và định mức điện áp của nó.
Khi được sử dụng trong dòng điện một chiều hoặc mạch điện một chiều, tụ điện tích điện đến điện áp cung cấp nhưng chặn dòng điện chạy qua nó vì chất điện môi của tụ điện không dẫn điện (điện môi về cơ bản chất cách điện). Tuy nhiên, khi một tụ điện được nối với dòng điện xoay chiều hoặc mạch điện xoay chiều, dòng điện dường như đi thẳng qua tụ điện với ít hoặc không có điện trở.
Có hai loại điện tích, điện tích dương ở dạng Proton và điện tích âm ở dạng Electron. Khi đặt điện áp một chiều qua tụ điện, điện tích dương (+ve) nhanh chóng tích tụ trên một bản trong khi điện tích âm (-ve) tích tụ trên bản kia. Đối với mỗi hạt điện tích + ve đến một bản, một điện tích cùng dấu sẽ khởi hành từ tấm -ve.
Sau đó, các tấm vẫn mang điện tích trung hòa và sự chênh lệch điện thế do điện tích này được thiết lập giữa hai tấm. Khi tụ điện đạt đến trạng thái ổn định, dòng điện không thể chạy qua. Bản thân tụ điện và xung quanh mạch do đặc tính cách điện của chất điện môi dùng để ngăn cách các bản tụ.
Dòng electron lên các bản tụ điện được gọi là dòng điện tiếp tục chạy cho đến khi hiệu điện thế trên cả hai bản (và do đó tụ điện) bằng điện áp đặt vào Vc . Tại thời điểm này, tụ điện được cho là đã “sạc đầy” các electron.
Cường độ hoặc tốc độ của dòng điện nạp này đạt giá trị lớn nhất khi các bản tụ điện được phóng điện hoàn toàn (điều kiện ban đầu) và từ từ giảm giá trị về 0 khi các bản tụ điện tích điện đến một hiệu điện thế trên các bản tụ điện bằng điện áp nguồn.
Mức độ chênh lệch điện thế hiện diện trên tụ điện phụ thuộc vào lượng điện tích được tích tụ lên các bản cực do công của điện áp nguồn thực hiện và cũng bởi điện dung của tụ điện và điều này được minh họa bên dưới.
Tụ điện bản song song là dạng tụ điện đơn giản nhất. Nó có thể được chế tạo bằng cách sử dụng hai tấm kim loại hoặc lá kim loại ở khoảng cách song song với nhau, với giá trị điện dung của nó tính bằng Farads, được cố định bởi diện tích bề mặt của các tấm dẫn điện và khoảng cách phân cách giữa chúng. Việc thay đổi bất kỳ hai giá trị nào trong số các giá trị này sẽ làm thay đổi giá trị của điện dung của nó và điều này tạo thành cơ sở hoạt động của các tụ điện thay đổi được.
Ngoài ra, bởi vì các tụ điện lưu trữ năng lượng của các electron dưới dạng điện tích trên các tấm càng lớn và / hoặc sự phân tách của chúng càng nhỏ thì điện tích của tụ điện sẽ càng lớn đối với bất kỳ điện áp nhất định nào trên các bản của nó. Nói cách khác, các tấm lớn hơn, khoảng cách nhỏ hơn, điện dung nhiều hơn.
Bằng cách đặt một hiệu điện thế lên tụ điện và đo điện tích trên các bản tụ, tỉ số giữa điện tích Q và hiệu điện thế V sẽ cho giá trị điện dung của tụ điện tính bằng công thức: C = Q / V , phương trình này cũng có thể được tái hiện . – Sắp xếp để đưa ra công thức quen thuộc về điện lượng trên các bản là: Q = C x V
Mặc dù chúng ta đã nói rằng điện tích được lưu trữ trên các bản của tụ điện, nhưng chính xác hơn là nói rằng năng lượng trong điện tích được lưu trữ trong một “trường tĩnh điện” giữa hai bản tụ điện. Khi một dòng điện chạy vào tụ điện, nó sẽ tích điện, do đó, trường tĩnh điện trở nên mạnh hơn nhiều vì nó tích trữ nhiều năng lượng hơn giữa các bản tụ điện.
Tương tự như vậy, khi dòng điện chạy ra khỏi tụ điện và phóng điện nó, hiệu điện thế giữa hai bản tụ giảm và trường tĩnh điện giảm khi năng lượng di chuyển ra khỏi các bản tụ.
Tính chất của tụ điện là để lưu trữ điện tích trên các bản của nó dưới dạng trường tĩnh điện được gọi là điện dung của tụ điện. Không chỉ vậy, điện dung còn là thuộc tính của tụ điện chống lại sự thay đổi điện áp trên nó.
 |
 |
 |
| Đồng hồ đo tụ điện TH-2822A | Máy đo tụ điện, điện trở Twintex 7010 | Nhíp đo tụ điện dán Siborg ST5S |
Điện dung của tụ điện
Điện dung là đặc tính điện của tụ điện và là thước đo khả năng tích điện của tụ điện lên hai bản của nó với đơn vị điện dung là Farad (viết tắt là F ) được đặt theo tên nhà vật lý người Anh Michael Faraday.
Điện dung được định nghĩa là tụ điện có điện dung 1 Farad khi lưu được điện tích 1 culong trên các bản tự bằng hiệu điện thế 1 vôn . Lưu ý rằng điện dung, C luôn có giá trị dương và không có đơn vị âm. Tuy nhiên, Farad là một đơn vị đo lường rất lớn để sử dụng riêng vì vậy các bội số con của Farad thường được sử dụng như micro-farads, nano-farads và pico-farads chẳng hạn.
Đơn vị tiêu chuẩn của điện dung
– Microfarad (μF) 1μF = 1 / 1.000.000 = 0,000001 = 10 -6 F
– Nanofarad (nF) 1nF = 1 / 1.000.000.000 = 0,000000001 = 10 -9 F
– Picofarad (pF) 1pF = 1 / 1.000.000.000.000 = 0,000000000001 = 10 -12 F
Sử dụng những thông tin ở trên, chúng ta có thể xây dựng một bảng đơn giản để giúp chuyển đổi giữa pico-Farad (pF), thành nano-Farad (nF), thành micro-Farad (μF) và Farads (F) như được hiển thị.
Điện dung của bản tụ điện song song
Điện dung của tụ điện bản song song tỷ lệ với diện tích A tính bằng mét2 của bản nhỏ nhất trong hai bản và tỷ lệ nghịch với khoảng cách hoặc độ phân cách, d (là độ dày điện môi) tính bằng mét giữa hai bản dẫn điện này.
Phương trình tổng quát cho điện dung của tụ điện bản song song được cho là: C = ε (A / d) trong đó ε đại diện cho điện trở tuyệt đối của vật liệu điện môi đang được sử dụng. Hằng số điện môi, ε o còn được gọi là “khả năng cho phép của không gian tự do” có giá trị là hằng số 8,854 x 10 -12 Farads trên mét.
Để làm cho phép toán dễ dàng hơn, hằng số điện môi này của không gian tự do, ε o , có thể được viết là: 1 / (4π x 9 × 10 9 ) , cũng có thể có đơn vị là picofarads (pF) trên mét là hằng số cho: 8,85 cho giá trị của không gian trống. Lưu ý rằng giá trị điện dung kết quả sẽ ở picofarads chứ không phải farads.
Nói chung, các tấm dẫn điện của tụ điện được ngăn cách bởi một số loại vật liệu cách điện hoặc gel chứ không phải là chân không hoàn hảo. Khi tính toán điện dung của tụ điện, chúng ta có thể coi khả năng cho phép của không khí, và đặc biệt là của không khí khô, có cùng giá trị với chân không vì chúng ở rất gần nhau.
Ví dụ về điện dung số 1
Một tụ điện được cấu tạo từ hai tấm kim loại dẫn điện có kích thước 30cm x 50cm đặt cách nhau 6mm và sử dụng không khí khô làm chất điện môi duy nhất của nó. Tính điện dung của tụ điện.
Khi đó giá trị của tụ điện gồm hai bản cách nhau bằng không khí được tính là 0,221nF, hay 221pF.
Điện môi của tụ điện
Cũng như kích thước tổng thể của các tấm dẫn điện và khoảng cách hoặc khoảng cách của chúng cách xa nhau, một yếu tố khác ảnh hưởng đến điện dung tổng thể của thiết bị là loại vật liệu điện môi đang được sử dụng. Nói cách khác, “Hằng số điện môi” ( ε ) của chất điện môi.
Các bản dẫn điện của tụ điện thường được làm bằng lá kim loại hoặc màng kim loại cho phép dòng electron và điện tích đi qua, nhưng vật liệu điện môi được sử dụng luôn là chất cách điện. Các vật liệu cách điện khác nhau được sử dụng làm chất điện môi trong tụ điện khác nhau về khả năng chặn hoặc truyền điện tích của chúng.
Vật liệu điện môi này có thể được làm từ một số vật liệu cách điện hoặc kết hợp các vật liệu này với các loại phổ biến nhất được sử dụng là: không khí, giấy, polyester, polypropylene, Mylar, gốm, thủy tinh, dầu hoặc các loại vật liệu khác.
Hệ số mà vật liệu điện môi, hoặc chất cách điện, làm tăng điện dung của tụ điện so với không khí được gọi là Hằng số điện môi (vật liệu điện môi có hằng số điện môi cao là chất cách điện tốt hơn vật liệu điện môi có hằng số điện môi thấp hơn) . Hằng số điện môi là một đại lượng không đơn vị
Năng suất cho phép thực tế hoặc “độ cho phép phức tạp” của vật liệu điện môi giữa các tấm khi đó là sản phẩm của khả năng cho phép của không gian tự do ( ε o ) và điện trở cho phép tương đối ( ε r ) của vật liệu đang được sử dụng làm chất điện môi và được cho là:
Hằng số điện môi phức
Nói cách khác, nếu chúng ta lấy hằng số điện môi của không gian tự do, ε(o) làm mức cơ bản và đặt nó bằng một, khi chân không của không gian tự do được thay thế bằng một số loại vật liệu cách điện khác, điện môi cho phép của chúng được quy về chất điện môi cơ bản của hằng số điện môi tạo ra một hệ số nhân được gọi là “hệ số tương đối”, ε(r) . Vì vậy, giá trị của hằng số điện môi phức, ε sẽ luôn bằng với độ cho phép tương đối lần một.
Các đơn vị điển hình của độ cho phép điện môi, ε hoặc hằng số điện môi đối với các vật liệu thông thường là: Chân không tinh khiết = 1,0000, Không khí = 1.0006, Giấy = 2,5 đến 3,5, Thủy tinh = 3 đến 10, Mica = 5 đến 7, Gỗ = 3 đến 8 và Oxit kim loại Công suất = 6 đến 20, v.v. Sau đó, điều này cho chúng ta một phương trình cuối cùng cho điện dung của tụ điện là:
Một phương pháp được sử dụng để tăng điện dung tổng thể của tụ điện trong khi vẫn giữ cho kích thước của nó nhỏ là “xen kẽ” nhiều bản với nhau trong một thân tụ điện. Thay vì chỉ có một tập hợp các bản song song, một tụ điện có thể có nhiều bản riêng lẻ được nối với nhau do đó làm tăng diện tích bề mặt A của các bản tụ.
Đối với một tụ điện tiêu chuẩn bản song song như hình trên, tụ điện có hai bản, tên là A và B. Do đó, khi số bản tụ điện là hai, chúng ta có thể nói rằng n = 2 , trong đó “n” biểu thị số bản.
Sau đó, phương trình của chúng tôi ở trên cho một tụ điện bản song song thực sự phải là:
Tuy nhiên, tụ điện có thể có hai bản song song nhưng chỉ có một mặt của mỗi bản tiếp xúc với chất điện môi ở giữa vì mặt kia của mỗi bản tạo nên mặt ngoài của tụ điện. Nếu chúng ta lấy hai nửa của tấm và nối chúng lại với nhau, chúng ta chỉ có “một” toàn bộ tấm tiếp xúc với chất điện môi.
Đối với một tụ điện bản song song, n – 1 = 2 – 1 bằng 1 với C = (ε o * ε r x 1 x A) / d hoàn toàn giống như đã nói: C = (ε o * ε r * A) / d là phương trình chuẩn ở trên.
Bây giờ, giả sử chúng ta có một tụ điện được tạo thành từ 9 bản xen kẽ, khi đó n = 9 như hình vẽ.
Tụ điện nhiều tấm
Bây giờ chúng ta có năm tấm kết nối với một dây dẫn ( A ) và bốn tấm với dây dẫn kia ( B ). Khi đó CẢ HAI mặt của bốn tấm nối với dây dẫn B tiếp xúc với chất điện môi, trong khi chỉ một mặt của mỗi tấm ngoài cùng nối với A tiếp xúc với chất điện môi. Sau đó, như trên, diện tích bề mặt hữu ích của mỗi bộ tấm chỉ là tám và do đó điện dung của nó được cho là:
Tụ điện hiện đại có thể được phân loại theo các đặc điểm và tính chất của chất điện môi cách điện của chúng:
– Suy hao thấp, độ ổn định cao như Mica, gốm Low-K, Polystyrene.
– Suy hao trung bình, ổn định trung bình như giấy, phim nhựa, gốm high-K.
– Tụ điện phân cực như Electrolytic’s, Tantali.
Đánh giá điện áp của một tụ điện
Tất cả các tụ điện đều có hiệu điện thế cực đại và khi chọn tụ điện phải xem xét điện áp đặt trên tụ điện. Lượng điện áp tối đa có thể đặt vào tụ điện mà không làm hỏng vật liệu điện môi của nó thường được đưa ra trong bảng dữ liệu là: WV (điện áp làm việc) hoặc WV DC (điện áp làm việc một chiều).
Nếu điện áp đặt trên tụ điện trở nên quá lớn, chất điện môi sẽ bị phá vỡ (được gọi là đánh thủng điện) và phóng điện hồ quang sẽ xảy ra giữa các bản tụ điện dẫn đến đoản mạch. Điện áp làm việc của tụ điện phụ thuộc vào loại vật liệu điện môi đang được sử dụng và độ dày của nó.
Điện áp làm việc một chiều của tụ điện chỉ là điện áp một chiều tối đa chứ KHÔNG phải điện áp xoay chiều tối đa vì tụ điện có định mức điện áp một chiều là 100 vôn DC không thể chịu được điện áp xoay chiều 100 vôn một cách an toàn. Vì điện áp xoay chiều có giá trị RMS là 100 vôn sẽ có giá trị đỉnh trên 141 vôn! ( √ 2 x 100 ).
Sau đó, một tụ điện được yêu cầu hoạt động ở 100 vôn xoay chiều phải có điện áp làm việc ít nhất là 200 vôn. Trong thực tế, tụ điện phải được chọn sao cho điện áp làm việc của nó là DC hoặc AC phải lớn hơn ít nhất 50 phần trăm so với điện áp hiệu dụng cao nhất được đặt vào nó.
Một yếu tố khác ảnh hưởng đến hoạt động của tụ điện là Rò rỉ điện môi . Rò rỉ điện môi xảy ra trong tụ điện do dòng điện rò không mong muốn chạy qua vật liệu điện môi.
Nói chung, người ta cho rằng điện trở của chất điện môi là cực kỳ cao và một chất cách điện tốt chặn dòng điện một chiều chạy qua tụ điện (như trong một tụ điện hoàn hảo) từ bản này sang bản kia.
Tuy nhiên, nếu vật liệu điện môi bị hỏng do điện áp quá cao hoặc nhiệt độ quá cao, dòng điện rò qua chất điện môi sẽ trở nên cực kỳ cao dẫn đến sự mất điện tích nhanh chóng trên các tấm và tụ điện quá nóng cuối cùng dẫn đến hỏng tụ điện sớm. Sau đó, tuyệt đối không được sử dụng tụ điện trong mạch có điện áp cao hơn mức định mức của tụ điện nếu không tụ điện có thể bị nóng và phát nổ.
Giới thiệu tóm tắt về tụ điện
Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn này rằng công việc của tụ điện là lưu trữ điện tích trên các tấm của nó. Lượng điện tích mà tụ điện có thể lưu trữ trên các bản của nó được gọi là giá trị Điện dung và phụ thuộc vào ba yếu tố chính.
– Diện tích bề mặt – diện tích bề mặt, A của hai bản dẫn điện tạo nên tụ điện, diện tích càng lớn thì điện dung càng lớn.
– Khoảng cách – khoảng cách, d giữa hai bản tụ, khoảng cách càng nhỏ thì điện dung càng lớn.
– Vật liệu điện môi – loại vật liệu ngăn cách hai tấm được gọi là “chất điện môi”, điện trở cho phép của chất điện môi càng cao thì điện dung càng lớn.
Chúng ta cũng đã thấy rằng một tụ điện bao gồm các tấm kim loại không chạm vào nhau nhưng được ngăn cách bởi một vật liệu gọi là chất điện môi. Chất điện môi của tụ điện có thể là không khí, hoặc thậm chí là chân không nhưng nói chung là vật liệu cách điện không dẫn điện, chẳng hạn như giấy sáp, thủy tinh, mica các loại chất dẻo khác nhau, v.v. Chất điện môi cung cấp những ưu điểm sau:
– Hằng số điện môi là đặc tính của vật liệu điện môi và thay đổi từ vật liệu này sang vật liệu khác làm tăng điện dung một hệ số k .
– Chất điện môi cung cấp hỗ trợ cơ học giữa hai tấm cho phép các tấm gần nhau hơn mà không chạm vào nhau.
– Tính cảm của chất điện môi làm tăng điện dung.
– Chất điện môi làm tăng điện áp hoạt động tối đa so với không khí.
Tụ điện có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng và mạch điện khác nhau như chặn dòng điện một chiều trong khi truyền tín hiệu âm thanh, xung hoặc dòng điện xoay chiều, hoặc các dạng sóng thay đổi theo thời gian khác. Khả năng chặn dòng điện một chiều này cho phép các tụ điện được sử dụng để làm phẳng điện áp đầu ra của nguồn điện, để loại bỏ các xung đột không mong muốn khỏi các tín hiệu có xu hướng gây hư hỏng hoặc kích hoạt sai các chất bán dẫn hoặc linh kiện kỹ thuật số.
Tụ điện cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh đáp ứng tần số của mạch âm thanh hoặc để ghép nối các tầng khuếch đại riêng biệt với nhau phải được bảo vệ khỏi sự truyền dòng điện một chiều.
Khi được sử dụng trên nguồn điện một chiều, tụ điện có trở kháng vô hạn (hở mạch), ở tần số rất cao, tụ điện có trở kháng bằng không (ngắn mạch). Tất cả các tụ điện đều có định mức điện áp DC làm việc tối đa, (WVDC), vì vậy nên chọn tụ điện có định mức điện áp lớn hơn ít nhất 50% so với điện áp nguồn.
Có rất nhiều kiểu và loại tụ điện khác nhau, mỗi loại có một ưu điểm, nhược điểm và đặc điểm riêng. Để bao gồm tất cả các loại sẽ làm cho phần hướng dẫn này rất lớn, vì vậy trong hướng dẫn tiếp theo về Giới thiệu về Tụ điện , tôi sẽ giới hạn chúng ở các loại được sử dụng phổ biến nhất.
| >>> Xem thêm danh mục các dòng máy đo tụ điện chất lượng cao |
