Caùc tuï ñieän thoâng duïng nhaát laø tuï ñieän moâi khoâng khí, mica, giaáy, maøng chaát deûo vaø goám, vaø keå theâm tuï ñieän hoaù hoïc (goïi taét laø tuï hoaù).. Chuù yù laø cöïc t[r]
Trang 1Bài 2: TỤ ĐIỆN.
I Tụ điện cố định:
1 Cấu tạo của tụ điện:
Về cơ bản tụ điện gồm hai bản cực kim loại đối diện nhau và phân cách ở giữa chất cách điện mà còn được gọi là chất điện môi (dielectric) Chất điện môi có thể là không khí, chất khí, giấy (tẩm), màng hữu cơ, mica, thủy tinh hoặc gốm, mỗi loại có hằng số điện môi khác nhau, khoảng nhiệt độ và độ dày khác nhau
2. Khái niệm chung:
• Trị số điện dung C: khả năng chứa điện của tụ điện được gọi là điện dung
(C)
- Theo quan điểm vật liệu: Điện dung C (Capacitor hay Condenser) của tụ điện tùy thuộc vào cấu tạo và được tính bởi công thức:
S C d
ε
=
Với: C: điện dung {F}
S: diện tích của bản cực {m2}
D: khoảng cách giữa hai bản cực {m}
ε: là hằng số điện môi và ε ε ε= r 0(εr là hằng số điện môi tương đối; ε0 là hằng số điện môi không khí, 12
0 8.85 10
ε = − (F/m)
- Theo quan điểm lý thuyết mạch: tỷ số giữa điện tích Q và điện áp đặt vào 2 vật dẫn (hay bản cực) U
Q C U
= hay Q = C.U Với: Q: điện tích có đơn vị là C (colomb)
C: điện dung có đơn vị là F (Fara), Fµ , nF, pF
U: sụt áp ở hai bản cực có đơn vị là V (volt)
- Theo quan điểm năng lượng: tụ là kho chứa điện và lượng điện năng chứ`a trong tụ được xác định:
2
1
.
2
W= C V
Năng lượng tĩnh điện J tính theo Ws (Wast giây) hoặc J (Joule) được cho bởi
Điện cực Điện
môi
Trang 2Sau đây là các giá trị hằng số điện môi của một số chất cách điện thông
dụng để làm tụ điện:
Vật liệu Hằng số điện môi tương
đối εr Điện trường đánh thủng (KV/cm)
Trong bảng trên cho thấy có giá trị điện trường cực đại mà ở đó điện môi
không bị đánh thủng Điện trường cực đại này còn gọi là điện áp đánh thủng; vì
điện áp đánh thủng tăng khi độ dày điện môi tăng nên tụ điện cố định mức điện
áp càng cao thì hai bản cực càng cách xa hơn
• Độ chính xác: Biểu thị mức độ chênh lệch trị số thực tế của điện dung so
với trị danh định của nó, có kí hiệu như sau: G= 2%, ,I J = 5%,K = 10%,M = 20%
Đối với các tụ không ghi giá trị sai số thì mặc định là 10%
• Điện áp làm việc WV (Working Volt): Là điện áp mà tụ có thể chịu được
khi làm việc lâu dài WV có các cấp như sau: 16V, 25V, 35V, 50V, 63V, 85V,
100V, 160V, 200V, 400V…
Nếu tụ không ghi giá trị WV thì mặc định là 50V
Lưu ý: khi sử dụng không nên để tụ vượt quá giới hạn này, nếu không thì chất điện môi của tụ có thể bị đánh thủng Thường chọn WV > 2Vc
• Mạch tương đương của tụ điện:
Ngoài tụ điện ra thì thực tế nó còn có điện trở và điện cảm như trong mạch
tương đương sau:
Rs: điện trở nối tiếp
Rp: điện trở song song
• Điện trở tương đương nối tiếp (ESR).
ESR: là điện trở AC của tụ điện phản ánh cả điện trở nối tiếp Rs và điện
trở song song R ở tần số cho trước để mất mát trên các phần tử
L RS
RP C
Trang 3này có thể được biểu diễn bằng mất mát của 1 điện trở duy nhất R trong mạch tương đương
• Mất mát điện môi tanγ :
Trong thực tế thì tụ điện có mất mát do sự phân cực hóa điện môi trong tụ điện và điện trở của các dây dẫn Quan hệ giữa hệ số phẩm chất Q và tgγ
100
Q
tgγ
=
• Hệ số công suất pF (Power Factor) hay thừa số công suất: định nghĩa mất mát điện trong tụ khi làm việc với điện áp AC Trong tụ điện lý tưởng thì dòng điện sớm pha hơn điện áp 900 PF được định nghĩa là tỉ số giữa điện trở tương đương nối tiếp R và tổng trở Z của tụ điện và
PF thường có đơn vị là%
• Hệ số tiêu tán DF (dissipation Factor) hay thừa số tiêu tán: DF là tỉ số của điện trở tương đương nối tiếp R với dung kháng Xc và thường có đơn
vị là% DF xấp xỉ bằng PF khi PF 10%
• Hệ số phẩm chất Q (Quality Factor) hay thừa số phẩm chất Q 1
DF
= Thường
áp dụng cho các tụ điện trong các mạch điều hợp
• Dòng điện rĩ DC hay dòng điện rò: là dòng điện chạy qua tụ điện khi có đặt điện áp DC vào tụ
• Điện trở cách điện (Isulation resistance): là tỷ số của điện áp đặt vào tụ
điện với dòng rĩ và thường được biểu diễn bằng MΩ
Ký hiệu của tụ điện trong sơ đồ mạch:
Tụ ghép song song: C td =C1 +C2 +
Tụ ghép nối tiếp:
td
C =C +C +
Chức năng của tụ điện:
Có hai chức năng chính:
• Nạp hay xả điện: chức năng này áp dụng cho các mạch làm bằng phẳng
mạch định thì…
• Ngăn dòng điện DC: chức năng này được áp dụng vào các mạch lọc để trích
ra hay khử đi các tần số đặc biệt
3 Phân loại tụ điện cố định:
a Theo điện môi của tụ điện:
Tụ điện cố định Tụ điện biến đổi
Tụ điện tinh chỉnh
Trang 4* Tụ điện giấy dầu cách điện.
* Tụ điện màng chất dẻo (plastic) hay chất dẻo kim loại, polystyrene,…
* Tụ điện mica
* Tụ điện gốm: 1 lớp hay nhiều lớp
* Tụ điện điện giải (còn gọi là tụ điện điện phân): nhôm, chứa khí…
b Theo ứng dụng của tụ điện:
* Chính xác: mica, thủy tinh, gốm, màng polystyrene,…
* Bán chính xác: màng chất dẻo, màng chất dẻo kim loại Mylar…
* Đa dụng: gốm, tụ điện điện giải cxide nhôm, oxide tantalum…
* Vi điện tử: gốm, oxide tantalum…
* Máy phát: gốm, mica, thủy tinh, chân không, chứa khí …
4 Các tụ điện tiêu biểu:
Các tụ điện thương mại thường được phân loại theo điện môi Các tụ điện thông dụng nhất là tụ điện môi không khí, mica, giấy, màng chất dẻo và gốm, và kể thêm tụ điện hoá học (gọi tắt là tụ hoá) Bảng sau cho thấy các đặc tính tiêu biểu của các tụ điện thông dụng:
Điện môi Cấu tạo Điện dung Điện áp đánh
thủng (Volt) Không khí Các bản đan xen kẻ 10 – 40pF 400 (khe không khí
0.02 inch)
Điện giải Tantalum 0.047 - 330 Fµ 6 - 50
Mica Các tấm xếp lại 140 – 5000pF 500 – 20.000
Giấy Màng được cuộn 0.001 - 1 Fµ 200 - 1600
Màng chất
dẻo Cuộn lại hoặc được kim loại hóa 100pF - 100 Fµ 50 - 600
Ngoại trừ tụ hoá ra, các tụ điện khác được nối vào mạch không cần quan tâm đến cực tính Chú ý là cực tính của nạp xác định cực tính của điện áp trên tụ điện Tụ phân cực còn gọi là tụ DC
Tụ hóa
Trang 5Một số tụ điện thông dụng:
1 Tụ hóa: (có cực tính) được chế tạo với bản cực nhôm và cực dương có bề
mặt hình thành lớp Oxit nhôm và lớp bột khí có tính cách điện để làm chất điện môi giá trị: 1µF 10.000µF
2 Tụ gốm: (không cực tính) giá trị 1 pF 1µF
3 Tụ giấy (không cực tính): Hai bản cực là các băng kim loại dài, ở giữa có
lớp cách điện là giấy tẩm dầu và cuộn lại thành ống Điện áp đánh thủng đến vài trăm Volt
4 Tụ mica (không cực tính) pF -> nF Điện áp làm việc rất cao.
Tụ được sơn chấm màu để chỉ giá trị điện dung
5 Tụ màng mỏng: pF µF (không có cực tính): Chất điện môi là polyester (PE), polyetylen (PS) Điện áp làm việc rất cao
6 Tụ tang: (có cực tính) 0.1µF 100µF
5 Cách đọc trị số tụ:
Loại tham số quan trọng nhất của tụ điện là trị số điện dung (kèm theo dung sai) và điện áp làm việc của nó Chúng có thể được ghi trực tiếp, ghi bằng qui ước chữ số
a Đối với tụ điện có cực (tụ DC).
Các cực được ghi bằng dấu + hoặc dấu -
Đơn vị điện dung: Fµ , Fµ D, MFD, UF
Điện áp làm việc: VDC (volt DC) được ghi trực tiếp bằng chữ số
VD: 10 Fµ /16 VDC, 470 Fµ /15VDC, 5 Fµ /6VDC
b Các loại tụ màng mỏng:
Nếu không ghi đơn vị thì qui ước đơn vị là pF
VD: 47/630 có nghĩa là 47pF, điện áp làm việc là 630V
Nếu số đầu có dấu chấm thì đơn vị là Fµ
VD: 1 có nghĩa là 1 Fµ
.47 có nghĩa là 47 Fµ
Trường hợp ghi bằng chữ số:
VD:123K -> 12 *103 pF, K là sai số ( hay dung sai)
Ký tự chỉ dung sai: G= 2%;J = 5%;K = 10%;M = 20%
VD: 473 -> 47.000pF = 0.47 Fµ
223 -> 22.000pF = 0.22 Fµ
c Các trường hợp khác:
Được qui ước bằng bảng màu (thường được áp dụng cho tụ mica, tụ giấy)
Trang 6• Tụ bị rỉ: chất điện môi bị biến chất nên một phần dòng điện DC đi qua.
• Tụ bị giảm trị số: chất điện môi bị mất chất lượng (rắn), khô (lỏng)
• Tụ bị đứt: do dây nối ra chân tụ bị đứt
2 Kiểm tra tụ cố định có trị số > 0.1 Fµ (tụ hoá)
VOM ở thang đo R x100, hay Rx1000, đưa que đen vào đầu +, đỏ vào đầu – của tụ Nếu:
• Kim lên nhanh rồi từ từ trả về : tụ tốt
• Kim lên rồi đứng yên: tụ rỉ
• Kim lên rồi dừng lại ở vị trí 0: tụ bị chấp
• Kim không lên: tụ đứt
• Kim chỉ hơi nhích lên rồi chạy về vị trí Tụ khô
Tụ có trị số càng lớn: kim lên càng nhiều, về rất chậm
Lưu ý: trước đó phải xả điện tích trong tụ bằng cách chập hai chân tụ vào nhau
3 Kiểm tra tụ có điện dung nhỏ (<0.5 Fµ )
Do có trị số nhỏ, nên không thể dùng VOM để kiểm tra vì thời gian tụ nạp và xả quá nhanh Nên dùng phương pháp đo nóng như sau:
Dùng nguồn DC 12V nối với mạch như hình vẽ Dùng VOM ở thang đo VDC, chọn tầm đo thích hợp Nếu:
• Kim lên từ từ về 0: tụ tốt
• Kim lên bằng điện áp nguồn: tụ nối tắt
• Kim lên < 10V: tụ rỉ
• Kim không lên: tụ đứt
4 Đối với tụ có trị số thay đổi:
Dùng VOM ở trị số Rx100 hay Rx1K Dùng 2 đầu que đo đưa vào hai cực của biến tụ, xoay Nếu:
• Kim chỉ 00 suốt quá trình xoay: tụ tốt
• Kim nhảy 1 vài vị trí: tụ bị chạm
VI Các ứng dụng của tụ điện.
- Tụ dẫn điện ở tần số cao: tách tín hiệu tần số cao và tần số thấp ra để đưa vào 2 loa bổng và trầm
VOM +
-+
-VDC
C
Trang 7- Tụ nạp xã điện trong mạch lọc: qua mạch lọc có chứa tụ tín hiệu xoay chiều sẽ được liên tục và ít bị méo