TỤ ĐIỆN!!! Cấu tạo, phân loại, cách đọc giá trị, ứng dụng, cách kiểm tra tụ điện!!!

TỤ ĐIỆN LÀ GÌ?

Phần 1. Định nghĩa
Phần 2. Kí hiệu, đơn vị và một số kiến thức về điện áp, điện dung của tụ điện
Phần 3. Phân loại tụ điện
Phần 4. Cách đọc giá trị tụ điện
Phần 5. Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống
Phần 6. Cách kiểm tra tụ điện còn sống hay đã chết, còn tốt hay không tốt?

Phần 1: Định nghĩa

– Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động gồm 2 bản cực làm bằng chất dẫn điện, chúng được đặt song song với nhau, giữa lớp đó là một lớp cách điện gọi là chất điện môi (giấy tẩm dầu, mica, hay gốm, hay không khí,…). Chất cách điện được lấy làm tên gọi cho tụ điện ví dụ như: tụ giấy, tụ gốm, tụ dầu, hay tụ không khí,…

– Nếu điện trở cũng là loại linh kiện thụ động tiêu thụ điện năng và chuyển thành nhiệt năng thì tụ điện là linh kiện thụ động tích điện tích dưới dạng năng lượng điện trường, sau đó năng lượng điện trường được giải phóng. Chính vì điều này giải thích cho việc tích và phóng điện của tụ điện.

Phần 2: Kí hiệu, đơn vị và một số kiến thức về điện áp, điện dung của tụ điện

– Kí hiệu trong mạch điện tử tụ điện có kí hiệu là C với tên English là Capacitor

1. Điện dung của tụ điện

– Điện dung của tụ điện là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện. Điện dung càng lớn thì khả năng tích điện càng cao.

– Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, đặc biệt là các yếu tố quyết định quan trọng nhất là: diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực theo công thức như sau: C = e.S/d

– Trong đó:

+ C: Giá trị điện dung của tụ điện, đơn vị là Fara (F).

+ S: Diện tích bản cực của tụ điện.

+ d: Chiều dày của lớp cách điện.

+ e: Hằng số điện môi của lớp cách điện (Mỗi một lớp cách điện sẽ có một hằng số điện môi riêng biệt và hằng số này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Nhiệt độ, áp suất, chất liệu…).

– Điện dung có đơn vị là F (Fara), tuy nhiên trong thực tế thì 1F là giá trị lớn trong bảng giá trị thông số điện dung của tụ điện nên trong thực tế thường sử dụng các đơn vị khác có giá trị nhỏ hơn 1F là uF, nF, pF,…

– Các đại lượng đặc trưng khác khi chúng ta tìm hiểu về tụ điện đó là: sai số, trở kháng và hệ số nhiệt của tụ điện. Trong bài viết này mình sẽ không đề cập quá sâu và chi tiết về các công thức chi tiết đại diện cho thông số quan trọng của tụ điện, mình vừa đưa ra cho các bạn.

+ Sai số: là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị điện dung thực tế và giá trị danh định ghi trên thân của tụ điện, đơn vị của nó là %, giá trị càng nhỏ, độ chính xác càng cao.

+ Trở kháng của tụ điện đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện xay chiều của tụ điện

+ Hệ số nhiệt của tụ (TCC – Temperature Co-efficient of Capacitor) là độ thay đổi của giá trị điện dung của tụ điện khi nhiệt độ thay đổi 1 độ C, và đơn vị là (ppm/độ C). Giá trị TCC càng nhỏ thì giá trị điện dung càng ổn định, do đó mỗi loại tụ chỉ hoạt động trong một dải nhiệt nhất định.

– Khi đặt vào tụ điện, cụ thể là 2 bản cực của tụ điện phân cực (1 chiều cực âm, 1 chiều cực dương) một điện áp bất kì, thì giữa 2 bản cực lúc này sinh ra một điện trường. Điện áp đặt vào càng lớn thì điện trường càng lớn, năng lượng cho các Electron tăng cao nên khả năng bứt phá ra khỏi nguyên tử trở thành các Electron tự do tự do, gây nên hiện tượng dò điện, chất lượng của tụ điện giảm đi. Nếu điện áp quá lớn, tỉ lệ Electron tự do trên một đơn vị diện tích tăng lên rất lớn, dòng dò tăng cao một cách bất thường, lúc này tính chất cách điện của điện môi hoàn toàn không còn tác dụng, người ta gọi đó là hiện tượng tụ bị đánh thủng. Điện áp một chiều đặt vào tụ khi đó là điện áp đánh thủng.

– Khi sử dụng, chúng ta cần chọn điện áp đánh thủng lớn hơn điện áp đặt vào tụ vài lần, thường là từ 1,4 lần trở nên. Điện áp đnahs thủng phụ thuộc vào tính chất và bề dày của lớp điện môi. Các tụ có điện áp đánh thủng lớn là các tụ có kích thước lớn và chất liệu điện môi tốt (Mica hoặc gốm)

– Chú ý: Giá trị một tụ điện đặc trưng bởi thông số điện dung của tụ và sai số đi kèm theo. Sai số này thể hiện dưới nhiều yếu tố và đặc biệt chất điện môi của tụ vẫn tồn tại dòng điện với cường độ rất nhỏ, được gọi là dòng dò. Khi đó có thể coi tụ điện tương đương với một điện trở có giá trị rất lớn cỡ Mega Ohm trở nên

Công thức tính giá trị điện dung tương đương khi nhiều tụ điện mắc nối tiếp

– Các tụ điện mắc nối tiếp có điện dung tương đương C (tđ) được tính bởi công thức: 1 / C (tđ) = (1 / C1 ) + ( 1 / C2 ) + ( 1 / C3 )

– Trường hợp chỉ có 2 tụ mắc nối tiếp thì C (tđ) = C1.C2 / (C1 + C2 )

– Khi mắc nối tiếp thì điện áp chịu đựng của tụ tương đương bằng tổng điện áp của các tụ cộng lại. U (tđ) = U1 + U2 + U3

– Khi mắc nối tiếp các tụ điện, nếu là các tụ hoá ta cần chú ý chiều của tụ điện, cực âm tụ trước phải nối với cực dương tụ sau:

Công thức tính giá trị điện dung tương đương khi nhiều tụ điện mắc song song:

– Các tụ điện mắc song song thì có điện dung tương đương bằng tổng điện dung của các tụ thành phần cộng lại. C = C1 + C2 + C3

– Điện áp chịu đựng của tụ điện tương tương bằng điện áp của tụ có điện áp thấp nhất.

– Nếu là tụ hoá thì các tụ phải được đấu cùng chiều âm dương.

Phần 3: Phân loại tụ điện

– Tụ điện như đã được mình đề cập từ ngay phần mở đầu được phân chia ra theo tên gọi của chất điện môi và được tách ra 2 loại có giá trị điện dung cố định và loại có giá trị thay đổi

A. Loại tụ có giá trị điện dung không thay đổi (Gồm hai loại nhỏ hơn là: tụ không phân cực – Tụ không có cực tính, và loại tụ phân cực – Tụ có 2 cực âm và dương)

1. Tụ giấy (Paper Capasitors)

– Tụ giấy là tụ không phân cực có cấu tạo gồm các lá kim loại xen kẽ với nhau, được tách với nhau qua một lớp giấy tẩm dầu và được cuộn lại theo hình trụ. Điện dung loại tụ này trong thực tế thường dao động từ 1nF đến 0.1uF, điện áp đánh thủng loại tụ này dao động khoảng vai trăm Volt.

2. Tụ gốm (Ceramic Capacitors)

Tụ gốm là dòng tụ không phân cực được cấu tạo dựa trên việc lắng đọng màng kim loại mỏng trên 2 bề mặt của đĩa gốm hoặc cũng có thể ở mặt trong và mặt ngoài của ống hình trụ. Hai điện cực được gắn với màng kim loại và được bọc trong vỏ chất dẻo. Điện dung tụ thay đổi trong phạm vi rộng từ cỡ pF đến cỡ 0.5uF, điện áp đánh thủng tương đương với tụ giấy. Tụ có đặc điểm là hoạt động trong dải cao tần (dẫn tín hiệu cao tần xuống đất), và tiêu thụ rất ít năng lượng.

3. Tụ mica ( Mica Capacitors)

Đây là dòng tụ không phân cực, được cấu tạo bằng cách đặt xen kẽ các lá kim loại với các lớp Mica (Hoặc cũng có thể lắng đọng các lớp màng kim loại lên các lớp Mica để tăng hệ số điện môi). Điện dung dòng tụ này dao động từ cỡ pF đến 0.1uF, điện áp đánh thủng rất cao, cỡ vài nghìn Volt. Dòng tụ này có độ ổn định cao, dòng dò thấp, sai số nhỏ, tiêu hao năng lượng không đáng kể, được sử dụng trong các dải cao tần (Như trong các máy Radio)

4. Tụ màng mỏng (Plastic-film Capacitors)

– Là dòng tụ không phân cực, chế tạo theo phương pháp giống tụ giấy, với chất điện môi ở đây sử dụng là Polyester, Polyethylene hoặc Polystyrene có tính mềm dẻo. Dòng tụ này có điện dung thường doa động trong ngưỡng từ 50pF đến hàng trăm uF (Thường từ 1nF – 10uF), điện áp đánh thủng rất cao, cỡ vài nghìn Volt. Ứng dụng của nó thường trong các dải tần Audio (Âm tần) và Radio (Cao tần).

5. Tụ điện phân (Electrolytic Capacitors): còn được gọi là tụ oxi hóa hay tụ hóa. Đây là loại tụ phân cực, gồm các lá nhôm được cách ly bởi dung dịch điện phân và được cuộn lại thành dạng hình trụ. Khi đặt điện áp một chiều lên hai bản cực của tụ điện, xuất hiện màng oxit kim loại cách điện đóng vai trò lớp điện môi. Tụ điện phân có điện dung lớn, lớp màng oxit kim loại càng mỏng thì giá trị điện dung càng lớn (0.1uF – n.1000uF), điện áp đánh thủng thấp (khoảng vài trăm Volt), hoạt động trong dải âm tần, dung sai lớn, kích thước dao động từ nhỏ tới lớn, giá thành tương đối thấp.

6. Tụ Tantal: là dòng tụ phân cực trong đó tantal được sử dụng thay cho nhôm. Tụ tantal cũng có giá trị điện dung lớn dao động từ 0.1uF – 100uF. Dòng tụ này có kích thước nhỏ, dung sai nhỏ và hiệu suất sử dụng cao. Tụ có mức điện áp đánh thủng khoảng vài trăm Volt và thường được sử dụng trong các mục đích quân sự, mạch âm tần cũng như các mạch số.

B. Loại tụ có thể thay đổi giá trị điện dung của tụ điện bằng cách thay đổi điện tích hiệu dụng giữa 2 bản cực hoặc thay đổi khoảng cách giữa hai bản cực.

1. Tụ xoay (Air-Varialbe Capasitors): gồm các lá động và lá tĩnh được đặt xen kẽ với nhau, hình thành nên bản cực động và bản cực tĩnh. Khi các lá động xoay làm thay đổi diện tích hiệu dụng giữa hai bản cực do đó thay đổi giá trị hiệu dụng của tụ. Giá trị hiệu dụng của tụ xoay phụ thuộc vào số lượng các lá kim loại và khoảng không gian giữa các lá kim loại (Giá trị MAX 50uF – 1000uF và giá trị MIN là n.pF). Điện áp đánh thủng cực đại dao động trong khoảng vài KV. Tụ xoay là tụ không phân cực và thường được sử dụng trong máy thu Radio để chọn tần.

2. Tụ vi chỉnh (Trimmer): kahsc với tụ xoay là điều chỉnh diện tích hiệu dụng giữa các bản cực, tụ vi chỉnh có thể thay đổi giá trị bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các bản cực. Tụ có cấu tạo gồm các lá kim loại đặt xen kẽ với nhau, ở giữa là lớp điện môi, khoảng cách giữa các bản cực của tụ thay đổi nhờ ốc vít điều chỉnh được.

– Thông thường, tụ được nối song song cùng với tụ xoay với mục đích tăng khả năng điều chỉnh. Dòng tụ có giá trị điện dung thay đổi (n.pF – 200pF), với các đặc điểm như điện áp đánh thủng mức trung bình, hiệu suất làm việc cao (Mức tiêu thụ năng lượng thấp). Dòng tụ này là loại tụ không phân cực.

3. Tụ đồng trục chỉnh: là dòng tụ đồng trục gồm 2 ống hình trụ kim loại được bọc lớp nhựa lồng vào nhau. Lớp nhựa đóng vai trò là lớp điện môi. Ống ngoài cố định đóng vai trò là bản cực tĩnh, ống bên trong có thể trượt đóng vai trò là bản cực động, do đó diện tích hiệu dụng giữa 2 bản cực có thể thay đổi điện dung của tụ. Giá trị điện dung (C = n.pF – 100pF), và được ứng dụng trong mạch cao tần.

Phần 4: Cách đọc giá trị tụ điện

– Thường thí các dòng tụ hóa, tụ tantal,… thông số sẽ ghi trực tiếp lên thân tụ gồm:

+ Giá trị điện dung

+ Điện áp đánh thủng

+ Hoạt động trong môi trường có nhiệt độ MIN, MAX

+ Xuất xứ, mã SP

– Các dòng tụ ghi trên thân là 102, hay 105 ý nghĩa là: với dòng tụ ghi 102 tức thông số điện dung tụ là 10 và thêm 2 số 0 đằng sau nó = 10 00pF = 1nF, không phải là 102pF, tương tự với dòng tụ 105 thì thông số điện dung tụ là: 10 và thêm 5 số 0 đằng sau nó = 10 00000 = 10 00000pF = 1uF chứ không phải 105pF

– Sai số các dòng tụ các bạn có thể tham khảo tùy theo dòng mà có các sai số khác nhau, để qua đó, nắm vững được chi tiết tụ điện.

Phần 5: Ứng dụng tụ điện trong cuộc sống

– Do tính chất tụ điện là dung kháng của tụ tỉ lệ nghịch với tần số f của dòng điện, tần số càng cao thì dung kháng của tụ càng nhỏ và ngược lại. Có thể nói: Tụ có tác dụng chặn nguồn 1 chiều và dẫn tín hiệu cao tần. Tụ thường được ứng dụng trong các mạch như sau:

+ Tụ ghép tầng: Ngăn thành phần một chiều mà chỉ cho thành phần xoay chiều qua, cách ly các tầng về thành phần một chiều, đảm bảo điều kiện hoạt động độc lập của từng tầng trong chế độ một chiều. Đối với tín hiệu cao tần có thể sử dụng tụ phân cực hoặc tụ không phân cực, tuy nhiên đối với tín hiệu tần số thấp phải sử dụng tụ phân cực (Tụ hóa, tụ Tantal có điện dung lớn).

+ Tụ thoát: Loại bỏ tín hiệu không hữu ích xuống đất (tạp âm)

+ Tụ lọc: Được sử dụng trong các mạch lọc (thông cao, thông thấp, thông dải hoặc chặn dải) (Kết hợp với tụ điện hoặc cuộn dây để tạo ra mạch lọc thụ động).

+ Tụ cộng hưởng: Dùng trong các mạch cộng hưởng LC để chọn tần Ngoài ra tụ còn có tính chất tích và phóng điện nên được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu để là phẳng điện áp một chiều

+ Ngoài ra tụ còn có chức năng tích điện và phóng điện nên thường được dùng trong các mạch chỉnh lưu là phẳng điện áp 1 chiều.

Phần 6: Cách kiểm tra xem tụ điện còn sống hay đã chết

– Đo kiểm tra tụ giấy và tụ gốm:

+ Tụ giấy và tụ gốm thường hỏng ở dạng bị dò rỉ hoặc bị chập, đểphát hiện tụ dò rỉ hoặc bị chập ta quan sát hình ảnh sau đây

+ Đo kiểm tra tụ giấy hoặc tụ gốm. 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 = 0Ω 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.

– Đo kiểm tra tụ hóa:

+ Tụ hoá ít khi bị dò hay bị chập như tụ giấy, nhưng chúng lại hay hỏng ở dạng bị khô (Khô hoá chất bên trong lớp điện môi ) làm điện dung của tụ bị giảm, để kiểm tra tụ hoá, ta thường so sánh độ phóng nạp của tụ với một tụ còn tốt có cùng điện dung, hình ảnh dưới đây minh hoạ các bước kiểm tra tụ hoá.