Theo tính chât tụ điện được chia ra hai loại chính là tụ không phân cực (hình 1.30, a) và tụ phân cực (hình 1.30, b).
Theo đặc tính chia ra tụ có điện dung cô định và có tụ có điện dung biến đổi (variable capacitors) (hình 1.30, c).
Nhóm tụ không phân cực là loại phô biên nhát, kích thước nhỏ, đựợc câu tạo từ các lá kim loại mòng ngăn cách băng lớp điện môi như gốm (ceramic), mica, polystirene, polyeste, polycarbonate,...
Theo vật liệu lớp điện môi mà gọi tên các tụ điện tưorng ứng: tụ hóa (điện phân), tụ gôm (ceramic), tụ mica (silver mica), tụ polyester, tụ polystiren, tụ tatalum, tụ polycarbonate,....
Trên hình 1.31 mô tả hình dạng thực của một sô tụ điện thông dụng.
Nhóm tụ hóa hay tụ điện phân (hình 31, a) có cấu tạo gồm hai điện cực tách rời nhau nhờ một màng mỏng chât điện phân, khi đật vào điện áp một chiêu tác động lên hai điện cực sẽ hình thành một màng mỏng oxit kim loại không dân điện đóng vai trò lớp điện môi.
(/>) Tụ phimcực < dì én phim) (<■) Tụ hiền dồi
Hình 1.30. cấu tạo và hình dạng các loại tụ điện: (a) tụ không phản cực, (b) tụ phân cực, (c) tụ biến đổi
Linh kiện diện tử 39 Các ban cực thường là lá nhôm cùng bột dung dịch diện phân cuộn lại dạng hình ống dật trong vó nhôm, nhờ vậy tạo được diện dung lớn từ 0,1 pF den 4700ụF. Loại tụ này có kích thước lớn, điện áp làm việc thắp.
(a) Tụ hóa (điệnphân) (h) Tụ gồm (c) Tự mica
(d) Tụ polyester (j) Tụ tantalum (h)TụSMD
Hình 1,31. Hình dạng của một so tụ điện thông dụng
Đồ phân biệt cực tính dược đánh dấu trcn tụ, khi mắc tụ phải đúng cực tính, nếu nối ngược có thế làm hỏng lớp diện môi và làm hỏng tụ.
Tụ gốm (ceramic) là loại phổ biến nhất thường có dạng đĩa (cúc áo) hoặc dạng phiến gốm chữ nhật tráng kim loại (hình 1.31, b). Đây là loại tụ rè tiền, có giá trị diện dung từ lpF dến 1|1F, diện áp làm việc cao, nhưng có diện trở rò và dung sai lớn.
Tụ mica tráng bạc (silver mica capacitors) là loại chat lượng cao, dung sai nhỏ, có dãi điện dung từ IpF đến 100nF, dược dùng chủ yếu trong dài tần số cao (hình 1.31, c).
Tụ polystircnc (hình 1.31, e) dược làm từ các lá kim loại ngăn cách bằng lớp màng mòng polystircne cuộn lại dạng ống hoặc xếp thành lớp cách điện, là loại tụ cao tần có tốn hao thấp, độ ồn định cao, có giá trị từ 10pF đến 100nF với dung sai thấp cỡ ±1%. Tụ được dùng cho các mạch điều chinh, mạch lọc, tách sóng FM và các mạch diện tử yêu cầu dộ tin cậy và độ ồn định cao.
Tụ polycarbonate (hình 1.31, g) có dạng tấm chữ nhật, kích thước nhò, điện dung lớn tới 1 pF, tổn hao thấp, được thiết kế đặc biệt để dùng cho các loại mạch in bé.
Tụ polyester (hình 1.31, d) là loại tụ màng mỏng có trị so từ 0,01 pF đến 2,2pF và có kích thước lớn hơn tụ polycarbonate
40 Linh kiện điện tử
Hình 1.32.Siêu tụ điện
Tụ điện tantalum (hình 1.31, f) thuộc nhóm tụ phân cực có điện cực anode (+) được làm bằng tantalum mà trên nó hình thành một lóp oxit cách điện rất mòng, hoạt động như lớp điện môi của tụ điện. Chat điện phân rắn hoặc lòng phù trên bề mặt của lớp ôxit đóng vai trò như là điện cực cathode (-) thứ hai cùa tụ điện. Do lóp điện môi rất mòng và có hằng số điện môi cao nên tụ điện tantalum có thể tạo ra một điện dung lớn trên một thê tích nhỏ, nhờ vậy, tụ tantalum đặc biệt thích họp cho công nghệ dán SMD.
Ngoài ra còn loại tụ đặc biệt gọi là siêu tụ điện (supercapacitor hay ultracapacitor) được chế tạo theo công nghệ lớp kép nano hoặc công nghệ lớp kép lai như siêu tụ điện Lithium-Ion có mật độ điện dung siêu cao từ hàng chục, hàng trăm đến hàng ngàn Fara (hình 1.32).
1.2.3. Các thông số kỹ thuật của tụ điện 1.2.3. ỉ. Các thông so định mức
- Điện dung c (capacitance): đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ, đon vị đo là Fara (F). Các tụ thực tế chi có điện dung là các ước số của Fara (pico, nano hoặc micro Fara):
1 pF = 10*2F 1 nF = 10’9F 1 pF= 10'6F
- Điện áp làm việc wv (working voltage) (V): điện áp định mức đặt vào hai bản tụ mà không làm hỏng lớp cách điện.
- Dung sai (tolerance) (%): sai lệch giá trị điện dung thực tế so với giá trị danh định.
Hình 1.33. Tụ phẳng (a); tụ điện trong mạch một chiều (b)
Linh kiện điện từ 41 Điện dung cùa tụ điện có giá trị phụ thuộc vào kích thước, khoảng cách và vào bản chất lớp điện môi giữa hai bản tụ. Với một tụ điện phẳng (hình 1.33, a) điện dung được xác định theo công thức:
C = ££qỊ (1.22)
a
Trong đó: c - điện dung của tụ (F);
£ - hằng số điện môi lớp cách điện;
£ữ = 8,85.10'12 F/m - hằng sổ điện;
s - diện tích bản tụ (m2);
d - khoảng cách giữa hai bản tụ (m).
Trong mạch điện một chiều, tụ c được nạp điện (hình 1.33, b).
Điện tích định xứ và lưu trữ trên 2 bản tụ có cùng độ lớn, ngược dấu và có giá trị tỷ lệ với điện áp U:
Q = cu (1.23)
Các điện tích trái dấu tạo nên giữa hai bản tụ một điện trường E, có năng lượng:
W = ị-QU = = ịô?0^(ÊJ)2 =ịÊÊoE2-K (1.24)
2 2 2 ữd 2 0
V- Sd là thế tích không gian chứa điện trường trong lòng tụ.
Như vậy, một tụ điện khi đã nạp điện có mang năng lượng dưới dạng năng lượng điện trường. Năng lượng của tụ sẽ được giải phóng khi hai bàn tụ được nối với tải.
Trong mạch điện xoay chiều, tụ điện c được đặc trưng bằng dung kháng xc:
1.2.3.2. Điện dung, góc tốn hao và hệ số phăm chất của tụ điện
Mỗi tụ điện khi mắc trong mạch đều có tổn hao công suất do tồn thất năng lượng trên lớp điện môi của tụ. Tùy thuộc vào mức độ tồn hao mà tụ điện có hai sơ đồ tương đương sau:
42 Linh kiện diện tủ'
Hình 1.34. a) Tụ tôn hao ít; b) Tụ tốn hao nhiều
Dối với tụ tổn hao ít sơ đồ tương đương là một điện dung c mắc nối tiếp với một điện trờ tổn hao /?th (hình 1.34, a).
Dối với tụ tổn hao nhiều sơ đồ tương dương là một điện dung c mắc song song với một điện trở rò /?rô (hình 1.34, b).
Từ giàn đồ véc tơ ta thấy rằng: trong mạch tụ do tồn tại tổn hao nên độ dời pha (p giữa dòng điện I và điện áp u luôn luôn nhò hơn 90°, góc tốn hao ỗ =90°- (p.
Hệ sổ tổn hao được định nghía là tang của góc ô:
Tổn hao ít: tanỏ' = -^- = — (1-26)
ơc xc
Tốn hao nhiều: tan ó'= — =-^ (1-27)
Nghịch đáo của hệ số tốn hao gọi là hệ số phẩm chất Q của tụ điện:
e = tan ở <L28>
1.2.3.3. Cách ghi các thông so của tụ điện
Theo tiêu chuẩn IEC (International Electrotechnical Commission) quy ước ghi các thông số tụ điện như sau:
Ghi trực tiếp trên thân tụ;
Ghi bằng mã ký tự;
Ghi bằng mã màu (tương tự như diện trở).
Linh kiện điện từ 43 a) Ghi trực tiếp trên thân tụ
Với các tụ có kích thước lớn như tụ hóa thường ghi rõ giá trị điện dung và điện áp làm việc giới hạn trcn thân tụ (hình 1.35).
Hình 1.35. Tụ hóa
Ví dụ: 4700pF-25V; 10pF-50V; 22pF-450V; ... Ngoài ra còn đánh dấu cực tính phân cực của tụ (thường đánh dấu cực âm) cho người dùng khi mắc mạch cho đúng chiều phân cực.
Với các tụ đa dụng dạng đĩa mòng thường ghi dơn giàn giá trị diện dung bằng một hàng, ví dụ: 4n7 = 4,7 nF; n22 = 0,22 nF; 100n = 100 nF;
... (hình 1.36, a). Loại này thường có dung sai lớn từ 10 - 20%.
( 101J )
33000pF±10%
100V
100 OOOpF 35OV 100pF±5%
Hình 1.36. Ghi bằng mã ký tự b) Ghi bằng mã ký tự
Mã ký tự thường gồm 3 chữ số (chi điện dung) kết hợp với các chữ cái (chỉ dung sai) được áp dụng phổ biến đê ghi các thông số của tụ điện không phân cực như tụ gốm, tụ màng móng (hình 1.36, b).
44 Linh kiện điện tử Phần mã 3 chữ số đầu chi điện dung (tính ra pF), trong đó hai số đầu chỉ giá trị, số thứ 3 chỉ số mũ thập phân.
Chừ cái đi sau chì dung sai theo quy ước (bảng 1.3), nếu không có kèm chữ cái thì dung sai là 20% (hình 1.36, b).
Kí dụ:
333K: c= 33xlO3 pF = 33 nF ± 10%
101J: c= 10x10'pF = 100 pF ±5%
104: c= 10xl04pF= 100 nF ±20%
221: c = 22x 101 pF =220 pF ± 20%
Bảng 1.3.Mã hóa dưng sai của tụ [13]
Code A B c D E F G
Sai số ±0,05pF ±0,1 pF ±0,25pF ±0,5pF ±0,5% ±1,0% ±2,0%
Code H J K L M N p
Sai số ±2,5% ±5,0% ±10% ±15% ±20% ±30% 0-10%
Code Q s T u w V z
Sai số -10
-30% ±22% -10
-50%
-10 -75%
-10 -100%
-20 -5%
-20 -80%
Điện áp làm việc giới hạn của tụ quy ước ghi ở dòng thứ hai.
Vi dụ:
100V, 350 V (hình 1.36, b);
6 ky, 12 kN với tụ gốm (hình 1.37).
Neu không ghi thì giá trị điện áp làm việc nhỏ hon 50 V.
ỉỉình 1.37. Tụ gốm
Nhóm các tụ điện màng mỏng polyester (polyester film capacitor) như mica, polyester, polystyrene, ... thường được ghi bằng cách mã hóa với ba phân trên một dòng:
2G473J, 2G103K, 2A332J, 2A683J, ... (hình 1.38).
Linh kiện điện tử 45
Hình 1.38. Tụ màng mòng polyester Phần đầu chi điện áp làm việc:
Ví dụ :
2G = 400 V;
2A= 100 V;
2D = 200 V;
1H = 5O V;
Phần giữa chi giá trị điện dung:
Vi dụ :
104= 10xl04pF;
473 = 47x1 o3 pF.
Chữ cái sau cùng chi dung sai: A, B, c, ....Y, z với quy ước như trong bảng 1.3.
Ví dụ:
2A223J: wv = 100 V; c = 22x103pF ± 5%
Nhóm các tụ tantalum thì ghi giá trị điện dung, điện áp giới hạn và chỉ rõ cực tính chân cực (hình 1.39).
điện dung (2,2nF) điện áp giới hạn
(25V)
Hình 1.39. Tụ tantalum
điện cực (+)
-2'2
c) Ghi bắng mã màu
Tương tự như điện trở, các thông số tụ điện cũng được mã hóa theo luật màu. Quy tắc mã hóa được chi ra trên bàng 1.4.
Bảng 1.5 là mã hóa giá trị điện áp giới hạn với một số tụ chuyên dụng theo ký hiệu J, K, L, M, N. Cách đọc các thông số của vài loại tụ điện minh họa trên hình 1.40 và 1.41.
46 Linh kiện điện tử
A - số thứ 1 B - số thứ 2 c - hệ số nhân T - dung sai V - điện áp định mửc
(b) 390 pF±5%
A B CT
(c) 2200 pF±5%
(a) 47 000 pF±20%, 250V
Hình 1.40. Mã hóa thông sổ tụ bằng màu
10nF 20%
100V
A - số thứ 1 B - số thự 2 c - hệ sõ nhản T - dung sai V - điện áp định mức
47nF. 10%
250V
Hình 1.41. Mã hóa tụpolyseter kim loại Bảng 1.4. Bảng mã màu quy ước cho tụ điện [13]
Màu , A
Số thứ 1
B
Số thứ 2
C
Hệ số nhân
T
Dung sai
V
Điện áp giới hạn
Đcn 0 0 10° ± 20%
Nâu 1 1 101 ± 1%
Đỏ 2 2 102 ±2% 250 V
Cam 3 3 103 ±3%
Vàng 4 4 104 ±4% 400 V
Lục 5 5 105 ±5%
Lam 6 6 106
Tím 7 7 107
Xám 8 8 108 +80% -20%
Trắng 9 9 109 ± 10%
Vàng 10'1
Bạc 10'2
Linh kiện điện từ 47 Bảng 1.5.Báng mã màu quy ước điện áp giới hạn cho tụ điện [13]
Mã màu Diện ápgiói hạn (V)
J K L M N
Đen 4 100 10 10
Nâu 6 200 100 1.6
Đỏ 10 300 250 4 35
Cam 15 400 40
Vàng 20 500 400 6.3 6
Lục 25 600 16 15
Lam 35 700 630 20
Tím 50 800
Xám 900 25 25
Trắng 3 1000 2.5 3
Vàng 2000
Bạc
Ghi chủ: Các ký hiệu J, K, L, M. N tương ứng với các loại tụ sau:
J - Tụ tantalum (Dipped Tantalum Capacitors) K- Tụ mica (Mica Capacitors)
L Polystyrene Capacitors (Polystyrene Capacitors)
M - Tụ điện phân 4 vạch màu (Electrolytic 4 Band Capacitors) N - Tụ điện phân 3 vạch màu ( Electrolytic 3 Band Capacitors).