Thông tin cơ bản chi tiết về tụ điện

1.Định nghĩa

Tụ điện là một linh kiện điện dùng để lưu trữ và giải phóng năng lượng trong điện trường. Khi đặt một điện áp lên các cực của nó, một điện trường sẽ được thiết lập giữa các dây dẫn (tấm), cho phép tụ điện lưu trữ năng lượng.

 

Đơn vị của điện dung là farad (F). Trong các ứng dụng thực tế, các đơn vị nhỏ hơn như microfarad (μF), nanofarad (nF) và picofarad (pF) được sử dụng phổ biến hơn.

 

2. Nguyên tắc làm việc

Một tụ điện bao gồm hai tấm dẫn điện được ngăn cách bởi một vật liệu cách điện gọi là chất điện môi. Khi một điện áp DC được đặt trên các tấm, các electron tích tụ trên một tấm, mang lại cho nó điện tích âm, trong khi một số lượng electron tương đương được loại bỏ khỏi tấm đối diện, khiến nó tích điện dương.

 

Sự phân tách điện tích này tạo ra một điện trường bên trong chất điện môi. Tụ điện lưu trữ năng lượng trong điện trường này và giữ lại điện tích miễn là có điện áp và không cung cấp đường phóng điện. Khi một đường dẫn được đưa vào, năng lượng dự trữ sẽ được giải phóng khi dòng điện chạy qua mạch ngoài.

 

3. Điện dung

Điện dung C của tụ điện phụ thuộc vào các yếu tố sau:

 

Diện tích tấmA:Diện tích tấm lớn hơn dẫn đến điện dung cao hơn.

 

Khoảng cách tấmd:Khoảng cách nhỏ hơn giữa các bản làm tăng điện dung.

 

Tính thấmε:Loại vật liệu điện môi ảnh hưởng đến điện dung; vật liệu có độ thấm cao hơn mang lại điện dung cao hơn.

 

Mối quan hệ được cho bởi:

 

 

Ở đâu:

• Ε là độ thấm của vật liệu điện môi

 

• A là diện tích hiệu dụng của tấm

 

• d là khoảng cách giữa các tấm

 

4. Đơn vị điện dung

 

Đơn vị của điện dung là farad (F). Vì farad là một đơn vị rất lớn nên hầu hết các tụ điện thực tế đều được đánh giá theo đơn vị nhỏ hơn như picofarad (pF), nanofarad (nF) và microfarad (μF).

Điện dung cho biết tụ điện có thể lưu trữ bao nhiêu điện tích trên mỗi đơn vị điện áp. Nó được xác định bởi mối quan hệ:

Ở đâu:

 

• Q là điện tích dự trữ,

 

• C là điện dung và

 

• V là điện áp đặt vào.

 

Do đó, điện dung cao hơn có nghĩa là có thể lưu trữ nhiều điện tích hơn ở cùng một điện áp.

 

Điều quan trọng cần lưu ý là bản thân điện dung không thể hiện khả năng tích điện tuyệt đối; đúng hơn, nó mô tả mối quan hệ giữa điện tích và điện áp. Đối với một điện dung nhất định, một lượng điện tích cố định tương ứng với sự thay đổi tỷ lệ của điện áp.

 

Định mức điện áp của tụ điện đề cập đến điện áp tối đa mà nó có thể chịu được một cách an toàn mà không bị hư hỏng. Lượng điện tích được lưu trữ tăng theo cả điện dung và điện áp đặt vào.

 

Nói chung, tụ điện lớn hơn (có giá trị điện dung cao hơn) có xu hướng có kích thước vật lý lớn hơn và giá thành cao hơn.

 

5. Phân loại tụ điện

Tụ điện phân cực

Tụ điện phân cực có cực dương và cực âm được xác định rõ ràng. Chúng phải được kết nối đúng cực; nếu không, kết nối ngược có thể gây ra quá nhiệt, rò rỉ hoặc thậm chí đứt và nổ.

 

Tụ điện điện phân lỏng

Tụ điện phân lỏng là một loại tụ điện phân cực. Chúng có điện dung tương đối cao và có thể xử lý các mức điện áp cao hơn nhưng chúng thường có kích thước lớn hơn, có hiệu suất tần số cao-hạn chế và tuổi thọ sử dụng vừa phải.

 

Những tụ điện này được sử dụng rộng rãi trong các mạch cung cấp điện để lọc và làm mịn điện áp.

 

Một ví dụ phổ biến là tụ điện điện phân nhôm. Nó thường được lắp đặt gần nguồn điện để lưu trữ năng lượng và ổn định điện áp.

 

Tụ điện điện phân trạng thái rắn-

 

Tụ điện tantalum là một loại tụ điện điện phân sử dụng kim loại tantalum làm cực dương và chất điện phân rắn. Chúng thuộc loại tụ điện điện phân ở trạng thái rắn.

 

Chúng có điện dung cao trên một đơn vị thể tích (kích thước nhỏ), độ ổn định tốt, dòng rò thấp và hiệu suất đáng tin cậy trong phạm vi nhiệt độ rộng.

Tuy nhiên, chúng thường có mức điện áp thấp hơn so với một số loại tụ điện khác và nhạy cảm với hiện tượng quá điện áp và phân cực ngược.

 

Tụ điện tantalum được phân cực và phải được kết nối đúng cực. Chúng thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử nhỏ gọn,-điện áp thấp để lọc, tách nguồn điện và các ứng dụng âm thanh.

 

Ví dụ, tụ điện tantalum được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động và cũng thường thấy trong máy tính.

 

Tụ điện không phân cực

 

Tụ gốm

Tụ gốm (còn gọi là tụ điện đĩa gốm) là-thành phần không phân cực, nghĩa là chúng không có cực dương hoặc cực âm và có thể được kết nối theo một trong hai hướng.

 

Chúng có đặc điểm là giá trị điện dung nhỏ, định mức điện áp cao, kích thước nhỏ gọn và hiệu suất tần số cao -tuyệt vời. Do những đặc tính này, tụ gốm được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như tách, lọc và ghép tín hiệu trong các mạch điện tử.

 

6. Dung sai kích thước

 

Tụ điện thường có dung sai tương đối rộng so với các linh kiện điện tử khác.

 

Đối với tụ gốm, các cấp dung sai phổ biến bao gồm:

 

±5% (J)- khả năng chịu đựng chặt chẽ hơn

 

±10% (K)– thường được sử dụng

 

±20% (M)– được sử dụng rộng rãi

 

+80% / −20% (Z)– khả năng chịu đựng rất lỏng lẻo

 

Trong thực tế:

 

tụ điện mức pF-thường sử dụng dung sai ±5%

 

tụ điện mức nF{0}}thường sử dụng dung sai ±10%

 

tụ điện mức μF{0}}thường sử dụng dung sai ± 20%

 

Tụ điệnthường được đánh giá ở mức ± 20% hoặc rộng hơn

 

Tụ điện có độ chính xác cao-ít được sử dụng hơn vì nhiều ứng dụng tụ điện-chẳng hạn như lọc nguồn điện và làm mịn điện áp-không yêu cầu giá trị điện dung có độ chính xác cao. Độ lệch nhỏ thường có tác động tối thiểu đến hiệu suất mạch.

 

Tuy nhiên, trong các ứng dụng như mạng lọc và kết hợp RF, có thể cần có dung sai chặt chẽ hơn (ví dụ: ±5%) để đảm bảo các đặc tính tần số ổn định. Ngay cả trong những trường hợp này, độ chính xác cực cao thường không cần thiết vì dung sai tiêu chuẩn là đủ để duy trì hoạt động bình thường.

 

7. Kích thước tụ điện

 

Đối với tụ điện gốm và tantalum, kích thước gói tuân theo cùng tiêu chuẩn được sử dụng cho điện trở. Các thành phần gắn trên bề mặt nhỏ hơn{1}}sử dụng mã hệ đo lường Anh như 0201, 0402, 0603 và 0805, trong khi các gói lớn hơn cũng có thể được biểu thị bằng mã số liệu như 2520, 3525, v.v.

 

Đối với tụ điện hình trụ, kích thước thường được chỉ định là đường kính × chiều cao (ví dụ: 6 mm × 11 mm).

 

Trong thiết kế phần cứng, người ta thường khuyên nên dành diện tích lớn hơn một chút cho tụ điện bất cứ khi nào có thể. Ví dụ: nếu phân bổ diện tích 6 × 11 mm thì thông số kỹ thuật điển hình tối đa có thể là khoảng 100 μF, 25 V. Mặc dù có thể dễ dàng thay thế một tụ điện nhỏ hơn để giảm chi phí, nhưng việc nâng cấp lên điện dung cao hơn đáng kể trong cùng một kích thước thường không khả thi. Ví dụ, tụ điện 470 μF, 25 V thường không thể được sản xuất theo gói 6 × 11 mm.

 

Việc xem xét tương tự cũng áp dụng cho tụ gốm. Ví dụ: với gói 0805, thông số kỹ thuật phổ biến tối đa là khoảng 22 μF, 6,3 V. Các tụ điện có điện dung cao hơn hoặc định mức điện áp cao hơn rất khó có được ở kích thước gói này.