Bài 9: Tụ điện - Tụ gốm - Tụ hóa - Giải Pháp Cơ Điện Bình Dương

Tụ điện là gì

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.

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.

Lịch sử tụ điện

Bốn bình tích điện Leyden ở Bảo tàng Boerhaave, Leiden, Hà Lan

Vào tháng 10 năm 1745, Ewald Georg von Kleist ở Pomerania nước Đức, phát hiện ra điện tích có thể được lưu trữ bằng cách nối máy phát tĩnh điện cao áp với một đoạn dây qua một bình thủy tinh chứa nước. Tay của Von Kleist và nước đóng vai trò là chất dẫn điện, và bình thủy tinh là chất cách điện (mặc dù các chi tiết ở thời điểm đó được xác nhận là miêu tả chưa đúng). Von Kleist phát hiện thấy khi chạm tay vào dây dẫn thì phát ra một tia lửa điện lớn và sau đó ông cảm thấy rất đau, đau hơn cả khi chạm tay vào máy phát tĩnh điện. Sau đó một năm, nhà vật lý người Hà Lan Pieter van Musschenbroek làm việc tại đại học Leiden, phát minh ra một bình tích điện tương tự, được đặt tên là bình Leyden.

Sau đó Daniel Gralath là người đầu tiên kết hợp nhiều bình tích điện song song với nhau thành một quả “pin” để tăng dung lượng lưu trữ. Benjamin Franklin điều tra chiếc bình Leyden và đi đến kết luận rằng điện tích đã được lưu trữ trên chiếc bình thủy tinh, không phải ở trong nước như những người khác đã giả định. Từ đó, thuật ngữ “battery” hay tiếng việt gọi là “pin” được thông qua. Sau đó, nước được thay bằng các dung dịch hóa điện, bên trong và bên ngoài bình layden được phủ bằng lá kim loại. Để lại một khoảng trống ở miệng để tránh tia lửa điện giữa các lá. Bình layden là bình tích điện đầu tiên có điện dung khoảng 1,11 nF (nano Fara).

Các tham số chính của tụ điện

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 rò điện, dải tần số làm việc, tổn hao điện môi, tiếng ồn,… và thường được nêu trong Catalog của linh kiện.

Điện dung

Vật thể nói chung đều có khả năng tích điện, và khả năng này đặc trưng bởi điện dung $C$ , xác định tổng quát qua điện lượng theo biểu thức:

C=Q/U

Trong đó:

C: điện dung, có đơn vị là farad;
Q: điện lượng, có đơn vị là coulomb, là độ lớn điện tích được tích tụ ở vật thể;
U: điện áp, có đơn vị là voltage, là điện áp ở vật thể khi tích điện.

Điện dung của tụ điện

Trong tụ điện thì điện dung phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức:

C=ε_rε₀S/d

Trong đó:

C: điện dung, có đơn vị là farad [F];
ε_r: Là hằng số điện môi hay còn gọi là điện thẩm tương đối (so với chân không) 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 do sự lão hóa vật liệu mà nhiều loại tụ có điện dung giảm theo thời gian. 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 áp làm việc

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

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 độlàm 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 rò 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 rò điện ohmic, còn các tụ tần cao thì có dòng điện xoáy.

Các loại Tụ điện

Tụ điện phân cực

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

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

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

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,…

Các kiểu tụ điện

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.
- 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.^[7]
  - 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.

Tụ gốm

Tụ giấy và tụ gốm là các tụ không phân cực và có trị số nhỏ < 470 NanoFara, còn tụ hoá thường có trị số lớn từ 0,47 Micro Fara đến hàng nghìn Micro Fara và tụ hoá có phân cực âm dương.

Tụ giấy và tụ gốm ( hình dẹt ) trị số được ký hiệu trên thân bằng ba số VD : 103J, 223K, 471J vv… Trong đó ba số đầu ký hiệu cho giá trị , chữ J hoặc K ở cuối kà ký hiệu cho sai số .

Cách đọc tụ gốm

Cách đọc như sau : hai số đầu giữ nguyên , số thứ 3 tương ứng với số con số 0 thêm vào sau và lấy đơn vị là Pico
VD: 103J sẽ là 10000 pico = 10 Nano hoặc 471K sẽ là 470 Pico
Có một cách ký hiệu khác VD .01J, .22K, nếu ký hiệu như vậy thì lấy đơn vị là Micro : .01J nghĩa là 0,01 Micro = 10 Nano, .022K là 0,022 Micro = 22 Nano

Ứng dụng của tụ gốm là gì

Tụ giấy và tụ gốm (trị số nhỏ) thường lắp trong các mạch cao tần.

Nhược điểm tụ gốm

Tụ giấy và tụ gốm hay hỏng ở dạng bị dò hoặc bị chập .

Cách kiểm tra tụ gốm trong mạch điện như thế nào

Với tụ giấy hay tụ gốm thì dùng thang 1K ohm hay 10K ohm để kiểm tra, Tụ tốt là sau khi phóng nạp kim đồng hồ phải trở về vị trí cũ , nếu kim không trở về hoặc lên = 0 ohm là tụ bị dò hoặc chập.

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 = 0 Ω 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.

Tụ hóa

Tụ Hóa là gì

Tụ hoá hay Tụ điện điện phân (tiếng Anh: electrolytic capacitor) là một loại tụ điện có phân cực. Nó có anode (+) được làm bằng kim loại đặc biệt được xử lý bề mặt để tạo lớp oxyt cách điện. Sau đó chất điện phân rắn hoặc không rắn (non-solid) được phủ lên mặt lớp oxyt để tạo ra cathode.

Do lớp oxy cách điện cực mỏng, tụ hoá đạt được điện dung lớn trên mỗi đơn vị thể tích so với nhiều loại khác, có ý nghĩa quan trọng trong các mạch có tần số thấp và cường độ dòng điện cao. Nó được dùng nhiều trong các bộ lọc cung cấp nguồn, nơi mà điện tích lưu trữ cần cho việc điều tiết điện áp ra và sự dao động của dòng điện, trong chỉnh lưu ngõ ra, và đặc biệt khi thiếu nguồn pin sạc để cung cấp dòng điện tần số thấp.

Ký hiệu tụ hóa

Cấu tạo tụ hóa

Tụ có anode (+) được làm bằng kim loại đặc biệt được xử lý bề mặt để tạo lớp oxyt cách điện. Sau đó chất điện phân rắn hoặc không rắn (non-solid) được phủ lên mặt lớp oxyt để tạo ra cathode. Chúng được cuộn lại, lắp các chân nối và đặt vào bên trong lớp bọc bằng nhôm hình trụ.

Chia theo vật liệu sử dụng thì có:

Tụ hóa nhôm: Là tụ phổ biến nhất
Tụ hóa tantali: Tụ điện tantali đắt hơn rất nhiều so với tụ điện bằng nhôm, và thường dùng với điện áp thấp, nhưng chúng có điện dung cao hơn rất nhiều trên mỗi đơn vị thể tích và được dùng cho các ứng dụng thu nhỏ như điện thoại di động.
Tụ hóa niobi
Tụ polyme, tụ OS-CON

Phân cực

Tụ điện điện phân có sự phân cực, không giống như hầu hết tụ điện khác. Điều này là do lớp aluminum oxide được giữ yên chỗ bởi điện trường, và khi đảo cực, nó sẽ hòa tan vào electrolyte. Điều này làm xảy ra đoản mạch giữa electrolyte và aluminum. Chất lỏng sẽ nóng lên và tụ điện có thể phát nổ. Lớp aluminium oxide là dielectric, và độ mỏng của lớp này, cùng với khả năng chịu đựng một điện trường với cường độ khoảng 10⁹ volts per metre, làm tạo ra dung tích cao của tụ điện. Các tụ điện hiện đại có van an toàn trên một mặt tròn để thông thoáng khí/chất lỏng nóng, nhưng tiếng nổ vẫn có thể lớn. Sự phân cực đúng đắn được viết ra trên gói bởi một lằn với dấu âm và có thể là những mũi tên, ký hiệu cực ngay cạnh đó âm hơn cực còn lại.

Tụ điện phân sẽ có hành vi giống như bất cứ tụ điện nào khác nếu cực bị nghịch đảo, cho đến điểm chúng bị hủy. Đây là lý do duy nhất cho yêu cầu về phân cực. Đa số vẫn chịu đựng nếu không có sự đảo cực (điện một chiều) hoặc chỉ điện xoay chiều, và có thể chịu sự đảo cực trong một khoảng thời gian, nhưng mạch điện nên được thiết kế sao cho không có sự đảo cực không đổi trong một lượng thời gian lớn. Một sự phân đúng cực không đổi sẽ làm tăng tuổi thọ của tụ điện.

Tụ điện MIS

Tụ điện MIS (hay metal-isolator-semiconductor) là một tụ điện đặc biệt được chế tạo gồm 3 lớp kim loại – điện môi – chất bán dẫn.

Nó có kết cấu như transistor MOS, nên từng gọi là tụ điện MOS. Tuy nhiên điện môi sử dụng có khi không phải oxit, mà dùng polyme. Mặt khác việc tìm kiếm các chất điện môi có hệ số điện môi k cao (High-κ dielectric) đang được thực hiện.

Các đặc trưng hoạt động

Trong nhiều trường hợp dùng chất bán dẫn silicon, thì thực hiện tạo lớp điện môi là oxyt silic bằng oxy hoá nhiệt, sau đó ngưng kết hơi kim loại để tạo điện cực.

Việc thu mỏng lớp điện môi làm tăng điện dung, nhưng không thể nhỏ hơn 10 nm. Đây là là khoảng cách bắt đầu xảy ra hiệu ứng đường hầm, và là “bức tường chắn” không vượt được về kỹ thuật.

Ứng dụng Tụ điện MIS

Tụ điện MIS được dùng trong các vi mạch hoặc các thiết bị điện tử tinh xảo cần đến thể tích linh kiện nhỏ, như điện thoại di động. Chúng được chế tạo sẵn ở dạng linh kiện hàn dán (SMD) hoặc tạo trên nền chung trong quá trình sản xuất vi mạch.