Giải thích các loại tụ điện

Trong bài đăng này, chúng ta sẽ tìm hiểu những điều cơ bản về tụ điện và cũng như các loại tụ điện khác nhau thường có trên thị trường và được sử dụng trong hầu hết các mạch điện tử.

Tổng quat

Tụ điện đơn giản là một bộ phận điện tử thụ động được thiết kế để lưu trữ điện tích.

Ở dạng vật lý, nó được làm bằng một cặp tấm kim loại hoặc điện cực được ngăn cách bởi một lớp cách điện hoặc chất điện môi. Đặt một điện áp một chiều qua các đầu của tụ điện ngay lập tức tạo ra sự khan hiếm điện tử trên bản dương và dư thừa điện tử trên bản âm, như được minh họa trong hình sau.

Sự tích tụ chênh lệch này của các điện tử làm phát sinh điện tích, tích lũy một mức cụ thể (dựa trên điện áp) mà sau đó vẫn ở mức đó. Nếu có liên quan đến dòng điện một chiều, chất cách điện bên trong tụ điện hoạt động giống như một hệ thống chặn dòng điện (tuy nhiên có thể là một dòng điện sạc thoáng qua nhỏ ngăn cản khi tụ điện được sạc đầy).

Khi sử dụng dòng điện xoay chiều trên tụ điện, điện tích tích lũy trong nửa chu kỳ xoay chiều sẽ đảo ngược với nửa chu kỳ thứ hai tiếp theo, điều này làm cho tụ điện cho phép dòng điện chạy qua nó một cách hiệu quả, như thể chưa bao giờ tồn tại cách điện điện môi.

Do đó, khi có sự tham gia của ac, một tụ điện đơn giản hoạt động giống như một thiết bị ghép nối. Bạn sẽ hầu như không tìm thấy bất kỳ mạch điện tử nào mang điện xoay chiều và không kết hợp một vài tụ điện, có thể để ghép nối hoặc để tối ưu hóa đáp ứng tần số chung của hệ thống.

Trong kịch bản được đề cập cuối cùng, một tụ điện được kết nối với một điện trở để tạo ra sự kết hợp RC. Sự xuất hiện sạc / phóng điện liên quan đến tụ điện cũng có thể được sử dụng trong các mạch khác nhau, ví dụ: , đèn flash điện tử chụp ảnh.

Cũng giống như điện trở, tụ điện có thể được cấu hình hoạt động với các giá trị cố định hoặc có thể điều chỉnh độ lớn của chúng. Tụ điện cố định là nền tảng chính của mạch (cùng với điện trở). Các tụ điện biến đổi chủ yếu nhằm mục đích tối ưu hóa các mạch điều chỉnh.

Các thông số hiệu suất của mọi tụ điện khác nhau và do đó các ứng dụng của chúng cũng khác nhau theo.

Một trong những dạng linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi là tụ điện điện tử. Ngoài ra, các tụ điện khác được sử dụng trong ngành công nghiệp bao gồm gốm, bạc mica, điện phân, nhựa, tantali, và những loại khác.

Mỗi loại tụ điện được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau tùy theo nhược điểm và ưu điểm của chúng.

Điều cốt yếu là phải chọn đúng loại tụ điện vì mạch mà tụ điện được sử dụng rất lớn bởi tụ điện.

Do đó, trong trường hợp không chọn đúng loại tụ điện để lắp vào mạch trên cơ sở các thông số của nó, nó có thể dẫn đến hoạt động không đúng hoặc bị lỗi của mạch.

Kiến thức cơ bản về tụ điện

Các quy luật vật lý về cơ bản chi phối các loại tụ điện khác nhau là giống nhau và được tuân theo một cách phù hợp.

Các luật cơ bản này xác định các thông số khác nhau của tụ điện như cách tụ điện hoạt động, giá trị của tụ điện , và điện dung của nó (lượng điện tích lớn nhất mà tụ điện sẽ giữ).

Do đó, lý thuyết cơ bản về việc chế tạo và hoạt động của tụ điện cho phép hiểu được các dạng tụ điện khác nhau và cách chúng có thể được sử dụng.

Lưu ý: Mặc dù đã có nhiều sự phát triển trong lĩnh vực điện môi, các định luật cơ bản về hoạt động của tụ điện vẫn không thay đổi và chúng được áp dụng cho đến nay.

Các loại tụ điện và điện trở

Như đã thảo luận ở trên, mặc dù các định luật cơ bản về hoạt động của tụ điện, các đặc tính của tụ điện khác nhau rất nhiều do cách thức cấu tạo của từng loại tụ điện.

Các đặc tính khác nhau mà các loại tụ điện khác nhau có được là do phần tử chính của chúng nằm giữa hai bản của tụ điện và được gọi là “chất điện môi”.

Hằng số điện môi của tụ điện có thể ảnh hưởng đến mức điện dung mà tụ điện có thể đạt được ở một thể tích cụ thể nhất định. Ngoài ra, có thể tìm thấy nhiều loại tụ điện khác nhau có bản chất phân cực trong đó điện áp chạy qua tụ điện chỉ chịu được ở một hướng duy nhất.

Mặt khác, có thể tìm thấy nhiều loại tụ điện khác nhau có bản chất không phân cực, trong đó điện áp chạy qua tụ điện được dung nạp theo cả hai chiều.

Tụ điện thường được đặt tên trên cơ sở bản chất của chất điện môi có trong tụ điện.

Đây là biểu hiện của các đặc tính chung mà tụ điện sẽ thể hiện cùng với các loại chức năng mạch khác nhau mà chúng có thể được sử dụng.

Tổng quan về tụ điện và các loại khác nhau của nó

Các hình thức thiết kế khác nhau được sử dụng cho các tụ điện không phân cực, gần như tất cả chúng đều có thể dễ dàng nhận ra từ kiểu dáng của tụ điện. Bạn không cần phải xem xét chi tiết liên quan đến các công trình thực sự. Mặc dù vậy, các tính năng cụ thể của chúng rất quan trọng vì chúng có thể quyết định sự đa dạng lý tưởng để làm việc cho một ứng dụng cụ thể.

Tụ điện không phân cực

1. Tụ điện giấy , thường có thể nhận dạng thông qua hình dạng hình ống của chúng, là loại rẻ nhất nhưng thường cồng kềnh. Nhiều hạn chế chính khác của chúng là chúng không phù hợp để sử dụng ở tần số cao trên 1 MHz, điều này thực tế hạn chế ứng dụng của chúng đối với các mạch âm thanh. Chúng thường được tìm thấy trong các giá trị từ 0,05 µF đến 1 hoặc 2µF, có điện áp hoạt động từ 200 đến 1.000 vôn. Các tụ điện điện môi bằng giấy tráng nhựa có thể có điện áp hoạt động lớn hơn rất nhiều.
2. Tụ gốm rất phổ biến trong các mạch âm thanh và rf nhỏ. Chúng khá rẻ và chúng có thể đạt được với nhiều giá trị khác nhau từ 1 pF đến 1 µF với điện áp hoạt động đáng kể và ngoài ra còn được nhận biết bởi độ rò rỉ rất thấp. Chúng có thể được sản xuất ở cả dạng đĩa và cấu trúc hình trụ và dưới dạng đĩa sứ kim loại hóa.
3. Tụ điện mica bạc đắt hơn tụ gốm nhưng chúng có khả năng làm việc tần số cao vượt trội và dung sai nhỏ hơn rất nhiều, vì vậy thường được coi là rất phù hợp cho các ứng dụng quan trọng. Chúng có thể được sản xuất với điện áp hoạt động cực cao.
4. Tụ điện polystyrene được tạo ra từ lá kim loại được phân tách bằng màng polystyrene, thường có lớp vỏ polystyrene tích hợp để đảm bảo tính chất cách nhiệt nâng cao. Chúng được biết đến với tổn thất tối thiểu với tần số cao, độ ổn định và nhất quán tuyệt vời. Giá trị có thể thay đổi từ 10 pF đến 100.000 pF, tuy nhiên điện áp làm việc thường giảm đáng kể khi giá trị điện dung tăng.
5. Tụ điện polycarbonate có xu hướng thường được sản xuất ở dạng các miếng hình chữ nhật có đầu cuối là dây dẫn có thể dễ dàng chèn vào các lỗ PCB. Chúng cung cấp giá trị cao (nhiều nhất là 1µF) ở kích thước cực nhỏ, cùng với các tính năng giảm tổn thất và điện cảm tối thiểu. Cũng giống như tụ điện polystyrene, điện áp hoạt động trở nên thỏa hiệp với các giá trị điện dung cao hơn.
6. Tụ phim polyester cũng được sản xuất để lắp ráp trực tiếp trong bảng mạch in, có giá trị từ 0,01 µF đến 2,2 µF. Chúng thường có kích thước lớn hơn so với các tụ điện polycarbonate. Độ tự cảm bên trong nhỏ của chúng cho phép chúng đặc biệt phù hợp cho các chức năng ghép và tách trong mạch điện tử. Giá trị của tụ phim polyester thường được đề cập với mã màu bao gồm 5 vòng màu.
7. Tụ phim Mylar có thể được coi là tụ điện dạng màng tiêu chuẩn, thường được tìm thấy với các giá trị từ 0,001 µF đến 0,22µF, có điện áp hoạt động lên đến 100 vôn một chiều.

Các loại tụ điện khác nhau đang được sử dụng trong hầu hết các mạch điện tử như sau:

Tụ gốm:

Tụ điện cụ thể là tụ gốm được sử dụng cho nhiều ứng dụng bao gồm cả RF và âm thanh.

Phạm vi giá trị của tụ điện gốm là từ vài picofarads đến 0,1 microfarads. Tụ gốm được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp vì nó là loại tụ điện rẻ và đáng tin cậy nhất hiện có.

Ngoài ra, một lý do khác cho việc sử dụng phổ biến và rộng rãi của nó là hệ số suy hao của tụ điện gốm rất thấp. Nhưng hệ số tổn hao của tụ điện cũng phụ thuộc vào chất điện môi được sử dụng trong tụ điện.

Các tụ điện gốm được sử dụng ở cả hai dạng gắn bề mặt và được dẫn bởi vì các đặc tính cấu tạo của tụ điện.

Tụ điện:

Một loại tụ điện có bản chất phân cực là tụ điện.

Các giá trị điện dung được cung cấp bởi tụ điện rất cao, nằm trong khoảng hơn 1µF. Tụ điện được sử dụng trong công nghiệp thường cho các ứng dụng được tiến hành ở tần số thấp như các ứng dụng tách rời, nguồn cung cấp điện và các ứng dụng ghép nối âm thanh.

Điều này là do các ứng dụng này có giới hạn tần số gần 100 kHz.

Tụ Tantali:

Một loại tụ điện khác có bản chất phân cực là tụ điện tantali. Mức điện dung do tụ tantali cung cấp ở thể tích của chúng là rất cao.

Một trong những hạn chế của tụ điện tantali là không có khả năng chịu đựng trong tụ điện tantali theo hướng phân cực ngược có thể dẫn đến nổ tụ điện khi tiếp xúc với ứng suất.

Một nhược điểm khác là nó có khả năng chịu đựng rất thấp đối với dòng gợn sóng và do đó chúng không được tiếp xúc với điện áp cao (chẳng hạn như điện áp cao hơn điện áp làm việc của chúng) và dòng điện gợn sóng cao. Các tụ điện tantali có sẵn ở cả hai dạng gắn bề mặt và gắn chì.

Tụ điện Mica bạc:

Mặc dù việc sử dụng tụ điện mica bạc đã giảm đáng kể trong thời đại hiện nay, nhưng độ ổn định mà tụ điện mica bạc mang lại vẫn rất cao cùng với độ chính xác cao và độ suy hao thấp.

Ngoài ra, có đủ không gian có sẵn trong các tụ điện mica màu bạc. Các ứng dụng mà chúng được sử dụng chủ yếu bao gồm các ứng dụng RF.

Các giá trị lớn nhất mà tụ điện mica bạc bị giới hạn là khoảng 100pF.

Tụ phim Polystyrene:

Các tụ điện màng polystyrene cung cấp tụ điện có khả năng chịu đựng gần bất cứ nơi nào cần thiết. Ngoài ra, các tụ điện này tương đối rẻ hơn so với các tụ điện khác.

Bánh kẹp điện môi hoặc các tấm có trong tụ điện màng polystyrene được cuộn lại với nhau, dẫn đến hình dạng của tụ điện ở dạng hình ống.

Vị trí của bánh sandwich điện môi và hình dạng của tụ điện hạn chế đáp ứng của tụ điện đối với các tần số cao do có thêm điện cảm và do đó chỉ đáp ứng ở tần số ít 100kHz.

Tính khả dụng chung của các tụ điện màng polystyrene là ở dạng các thành phần điện tử được pha chì.

Tụ phim Polyester:

Dung sai được cung cấp bởi tụ điện phim polyester là rất thấp và do đó những tụ điện này được sử dụng trong các tình huống khi cân nhắc trước là chi phí.

Mức dung sai của một tỷ lệ lớn các tụ điện màng polyester có sẵn là 10% hoặc 5% và điều này được coi là đủ cho một loạt các ứng dụng.

Tính khả dụng chung của các tụ điện màng polyester là ở dạng các thành phần điện tử được pha chì.

Tụ phim Polyester kim loại hóa

Loại tụ điện bằng phim polyester được tráng kim loại bao gồm các màng polyester được kim loại hóa và theo mọi nghĩa khác, nó tương tự như các tụ điện bằng phim polyester hoặc một dạng khác của nó.

Một trong những ưu điểm đạt được của màng polyester kim loại là nó làm cho các điện cực có chiều rộng rất nhỏ và do đó cho phép bọc tụ điện trong một gói có kích thước rất nhỏ.

Tính khả dụng chung của các tụ điện màng polyester được tráng kim loại là ở dạng các linh kiện điện tử được pha chì.

Tụ điện polycarbonate:

Các ứng dụng mà yêu cầu quan trọng và quan trọng nhất là hiệu suất và độ tin cậy cao, các ứng dụng này sử dụng các tụ điện polycarbonate.

Giá trị điện dung được giữ trong thời gian dài bởi các tụ điện polycarbonate vì mức độ chịu đựng của chúng rất cao. Mức dung sai cao như vậy đạt được là do tính ổn định của màng polycarbonate được sử dụng trong tụ điện polycarbonate.

Ngoài ra, hệ số tản nhiệt của tụ điện polycarbonate rất thấp và chúng có thể chịu được nhiệt độ ở phạm vi rộng mà vẫn ổn định.

Phạm vi nhiệt độ mà tụ điện này có thể chịu được là từ -55ºC đến + 125ºC. Mặc dù tất cả các đặc tính này, việc sản xuất và sản xuất tụ điện polycarbonate đã giảm đáng kể.

Tụ điện PPC hoặc Polypropylene:

Trong các loại tụ điện này, mức dung sai yêu cầu cao hơn mức mà tụ điện polyester có thể cung cấp, khi đó các tụ điện polypropylene được sử dụng trong những trường hợp này.

Vật liệu được sử dụng cho chất điện môi trong tụ điện polypropylene là một màng polypropylene.

Ưu điểm mà tụ điện polypropylene có so với các tụ điện khác là nó có thể chịu được điện áp rất cao trong một khoảng thời gian và do đó sự thay đổi mức điện dung do sự tăng và giảm điện áp trong một khoảng thời gian là rất thấp.

Tụ điện bằng polypropylene cũng được sử dụng trong trường hợp tần số được sử dụng rất thấp, chủ yếu là giới hạn tối đa trong khoảng 100kHz.

Tính khả dụng chung của tụ điện polypropylene là ở dạng các thành phần điện tử được pha chì.

Tụ thủy tinh:

Chất điện môi được sử dụng trong tụ điện thủy tinh được tạo thành từ thủy tinh. Mặc dù các tụ điện thủy tinh đắt tiền nhưng mức hiệu suất của chúng rất cao.

Khả năng hiện tại của RF của tụ thủy tinh là rất cao cùng với suy hao là cực kỳ thấp. Ngoài ra, không có bất kỳ tiếng ồn áp điện nào trong các tụ thủy tinh.

Tất cả những đặc tính này và một số đặc tính bổ sung của tụ thủy tinh làm cho chúng trở nên thích hợp và lý tưởng nhất cho các ứng dụng RF đòi hỏi hiệu suất cao.

Siêu tụ điện:

Các tên khác mà siêu tụ điện được biết đến là siêu tụ điện hoặc siêu tụ điện.

Các giá trị điện dung của các tụ điện này là rất lớn như vậy là tên của chúng. Các mức điện dung của siêu tụ điện gần bằng nhiều nghìn Farads.

Siêu tụ điện được sử dụng trong ngành công nghiệp để cung cấp nguồn lưu trữ bộ nhớ cùng với các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực ứng dụng ô tô. Các loại tụ điện chính khác nhau được bao gồm trong siêu tụ điện.

Cùng với chúng, có nhiều loại tụ điện khác nhau được sử dụng khi các ứng dụng có tính chất chuyên biệt.

Việc xác định các tụ điện chủ yếu được thực hiện thông qua các thông số của chúng như giá trị được đánh dấu trên các trường hợp của tụ điện. Để hiển thị các thông số một cách nhỏ gọn, việc đánh dấu các thông số được thực hiện dưới dạng mã.

VỐN CÓ THỂ BIẾN ĐỔI

Tụ điện biến thiên được chế tạo bằng các miếng kim loại xen kẽ, một bộ duy nhất được cố định và không di chuyển được và bộ còn lại có thể di chuyển được.

Các tấm được phân tách bằng chất điện môi có thể là không khí hoặc chất điện môi rắn. Chuyển động của một tập hợp các tấm làm thay đổi tiết diện tổng thể của các tấm, do đó làm thay đổi điện dung trên các tấm.

Ngoài ra, sự khác biệt tiêu chuẩn giữa các tụ điện điều chỉnh được sử dụng để thao tác lặp lại (ví dụ, để điều chỉnh một đài thu vô tuyến) và các tụ điện điều chỉnh dành cho việc thiết lập sơ bộ mạch điều chỉnh.

Tụ điều chỉnh có xu hướng lớn hơn, cấu trúc mạnh hơn và thường là loại điện môi không khí.

Tụ điện thường được xác định bằng chất điện môi mica hoặc màng có số lượng tấm giảm, trong đó điện dung được điều chỉnh bằng cách xoay một bu lông ở giữa để thay đổi biến dạng giữa các tấm và mica điện môi.

Do thực tế là chúng có kích thước nhỏ gọn hơn, thậm chí như vậy, đôi khi tụ điện điều chỉnh có thể được sử dụng giống như tụ điều chỉnh trên mạch radio FM có kích thước bỏ túi, mặc dù các tụ điều chỉnh mini độc quyền được sản xuất để lắp ngay trên PCB.

Khi nói đến việc điều chỉnh tụ điện, cấu trúc của cánh gạt cho biết cách thức mà điện dung thay đổi khi trục xoay được di chuyển.

Tất cả các thuộc tính này thường được phân loại theo một trong các mô tả sau:

1. Tuyến tính: trong đó mỗi độ quay trục chính tạo ra một sự thay đổi tương tự về điện dung. Đây là loại tiêu biểu nhất được chọn cho máy thu thanh.

2. Logarit: trong đó mỗi mức độ chuyển động của trục chính tạo ra một mức tần số thay đổi nhất quán của một mạch điều chỉnh.

3. Tần số chẵn: trong đó mọi mức độ chuyển động của trục chính cung cấp cùng một tần số biến thiên trong mạch điều chỉnh. 4. Định luật bình phương: trong đó độ biến thiên của điện dung tỉ lệ với bình phương góc chuyển động của trục chính.