Điện tử cơ bản - Tụ điện
Tụ điện là một thành phần thụ động có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng hiệu điện thế giữa các bản của nó. Nó chống lại sự thay đổi đột ngột của điện áp. Điện tích được lưu trữ dưới dạng hiệu điện thế giữa hai bản, có dạng dương và âm tùy thuộc vào hướng lưu trữ điện tích.
Một vùng không dẫn điện hiện diện giữa hai tấm này được gọi là dielectric. Chất điện môi này có thể là chân không, không khí, mica, giấy, gốm, nhôm, vv Tên của tụ điện được đặt theo chất điện môi được sử dụng.
Biểu tượng và Đơn vị
Đơn vị tiêu chuẩn cho điện dung là Farads. Nói chung, các giá trị của tụ điện có sẵn sẽ theo thứ tự là micro-farads, pico-farads và nano-farads. Ký hiệu của tụ điện như hình dưới đây.
Điện dung của tụ điện tỉ lệ thuận với khoảng cách giữa các bản tụ và tỉ lệ nghịch với diện tích các bản tụ. Ngoài ra, điện trở của vật liệu càng cao thì điện dung càng cao. Cácpermittivitycủa một phương tiện mô tả có bao nhiêu thông lượng điện được tạo ra trên một đơn vị điện tích trong phương tiện đó. Hình ảnh sau đây cho thấy một số tụ điện thực tế.
Khi đặt hai bản có cùng diện tích A và chiều rộng bằng nhau đặt song song với nhau cách nhau một khoảng d và nếu tác dụng một năng lượng nào đó vào bản thì điện dung của tụ điện song song đó có thể gọi là:
$$ C \: \: = \: \: \ frac {\ varepsilon_ {0} \: \: \ varepsilon_ {r} \: \: d} {A} $$
Ở đâu
C = Điện dung của tụ điện
$ \ varepsilon_ {0} $ = khả năng cho phép của dung lượng trống
$ \ varepsilon_ {r} $ = khả năng cho phép của môi trường điện môi
d = khoảng cách giữa các tấm
A = diện tích của hai tấm dẫn
Với một số hiệu điện thế đặt vào, điện tích đọng lại trên hai bản song song của tụ điện. Sự lắng đọng điện tích này xảy ra từ từ và khi điện áp trên tụ điện bằng với điện áp đặt vào, quá trình sạc sẽ dừng lại, khi điện áp đi vào bằng điện áp rời khỏi.
Tốc độ sạc phụ thuộc vào giá trị của điện dung. Giá trị của điện dung càng lớn thì tốc độ thay đổi điện áp trong các bản tụ càng chậm.
Hoạt động của một tụ điện
Tụ điện có thể được hiểu là một thành phần thụ động hai đầu có chức năng lưu trữ năng lượng điện. Năng lượng điện này được lưu trữ trong trường tĩnh điện.
Ban đầu, các điện tích âm và dương trên hai bản tụ điện ở trạng thái cân bằng. Không có xu hướng tụ điện bị sạc hoặc phóng điện. Điện tích âm được hình thành do sự tích tụ của các electron, còn điện tích dương được hình thành do sự suy giảm của các electron. Vì điều này xảy ra mà không có bất kỳ khoản phí bên ngoài nào được cung cấp, trạng thái này làelectrostatictình trạng. Hình dưới đây cho thấy tụ điện với các điện tích tĩnh.
Sự tích tụ và suy giảm của các electron theo các chu kỳ âm và dương khác nhau của nguồn điện xoay chiều, có thể được hiểu là “dòng điện”. Điều này được gọi làDisplacement Current. Hướng của dòng điện này tiếp tục thay đổi vì đây là dòng điện xoay chiều.
Sạc tụ điện
Khi có hiệu điện thế bên ngoài, điện tích được chuyển thành điện tích. Điều này xảy ra trong khi tụ điện đang sạc. Điện thế dương của nguồn cung cấp, hút các điện tử từ bản dương của tụ điện, làm cho nó trở nên dương hơn. Trong khi điện thế âm của nguồn cung cấp, ép các điện tử vào bản âm của tụ điện, làm cho nó trở nên âm hơn. Hình bên dưới giải thích điều này.
Trong quá trình sạc này, các điện tử di chuyển qua nguồn DC nhưng không di chuyển qua dielectric đó là một insulator. Sự dịch chuyển này là lớn, khi tụ điện bắt đầu tích điện nhưng giảm khi nó tích điện. Tụ điện ngừng sạc khi điện áp trên tụ điện bằng điện áp nguồn.
Hãy xem điều gì xảy ra với chất điện môi khi tụ điện bắt đầu tích điện.
Hành vi điện môi
Khi các điện tích tích tụ trên các bản của tụ điện, một trường tĩnh điện được hình thành. Cường độ của trường tĩnh điện này phụ thuộc vào độ lớn của điện tích trên tấm và tính cho phép của vật liệu điện môi.Permittivity là số đo của điện môi cho dù nó cho phép các đường tĩnh điện đi qua nó bao xa.
Chất điện môi thực chất là chất cách điện. Nó có các electron ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Chúng ta hãy quan sát cách chúng bị ảnh hưởng. Khi không có điện tích trên các bản, các êlectron trong chất điện môi chuyển động theo quỹ đạo tròn. Điều này được thể hiện trong hình bên dưới.
Khi sự lắng đọng điện tích xảy ra, các electron có xu hướng di chuyển về phía tấm tích điện dương, nhưng chúng vẫn tiếp tục quay như thể hiện trong hình.
Nếu điện tích tăng thêm, các quỹ đạo mở rộng hơn. Nhưng nếu nó vẫn tăng, chất điện môibreaks downchập tụ điện. Bây giờ, tụ điện đã được sạc đầy, nó đã sẵn sàng để xả. Chỉ cần chúng ta cung cấp một con đường để chúng đi từ bản âm sang bản dương là đủ. Các điện tử di chuyển mà không có bất kỳ nguồn cung cấp bên ngoài nào vì có quá nhiều điện tử ở một bên và hầu như không có bất kỳ điện tử nào ở bên kia. Sự mất cân bằng này được điều chỉnh bởidischarge của tụ điện.
Ngoài ra, khi tìm thấy một đường phóng điện, các nguyên tử trong vật liệu điện môi có xu hướng trở về trạng thái bình thường circular orbitvà do đó buộc các electron bị phóng điện. Loại phóng điện này cho phép các tụ điện cung cấp dòng điện cao trong một khoảng thời gian ngắn, giống như trong đèn flash máy ảnh.
Mã màu
Để biết giá trị của tụ điện, nó thường được dán nhãn như sau:
n35 = 0,35nF hoặc 3n5 = 3,5nF hoặc 35n = 35nF, v.v.
Đôi khi các dấu sẽ giống như 100K có nghĩa là, k = 1000pF. Khi đó giá trị sẽ là 100 × 1000pF = 100nF.
Mặc dù những dấu hiệu số này đang được sử dụng ngày nay, nhưng một bảng mã màu Quốc tế đã được phát triển từ lâu, để hiểu các giá trị của tụ điện. Các chỉ báo mã hóa màu sắc như được đưa ra bên dưới.
Dải màu | Chữ số A và B | Hệ số nhân | Dung sai (t)> 10pf | Dung sai (t) <10pf | Hệ số nhiệt độ |
---|---|---|---|---|---|
Đen | 0 | × 1 | ± 20% | ± 2.0pF | |
nâu | 1 | × 10 | ± 1% | ± 0,1pF | -33 × 10 -6 |
Đỏ | 2 | × 100 | ± 2% | ± 0,25pF | -75 × 10 -6 |
trái cam | 3 | × 1.000 | ± 3% | -150 × 10 -6 | |
Màu vàng | 4 | × 10.000 | ± 4% | -220 × 10 -6 | |
màu xanh lá | 5 | × 100.000 | ± 5% | ± 0,5pF | -330 × 10 -6 |
Màu xanh da trời | 6 | × 1,000000 | -470 × 10 -6 | ||
màu tím | 7 | -750 × 10 -6 | |||
Màu xám | số 8 | × 0,01 | + 80%, -20% | ||
trắng | 9 | × 0,1 | ± 10% | ± 1.0pF | |
Vàng | × 0,1 | ± 5% | |||
Bạc | × 0,01 | ± 10% |
Những dấu hiệu này được sử dụng để xác định giá trị của tụ điện.
Trong năm tụ điện dải này, hai dải đầu tiên biểu thị chữ số, dải thứ ba biểu thị hệ số nhân, dải thứ tư cho dung sai và dải thứ năm biểu thị điện áp. Chúng ta hãy xem một ví dụ để hiểu quá trình mã hóa màu sắc.
Example 1 - Xác định giá trị của tụ điện có mã màu vàng, tím, da cam, trắng và đỏ.
Solution- Giá trị của màu vàng là 4, màu tím là 7, màu cam là 3 thể hiện cấp số nhân. Màu trắng là ± 10 là giá trị dung sai. Màu đỏ thể hiện hiệu điện thế. Nhưng để biết định mức điện áp, chúng ta có một bảng khác, từ đó phải biết băng tần cụ thể mà tụ điện này thuộc về.
Do đó giá trị của tụ điện là 47nF, 10% 250v (điện áp cho dải V)
Bảng sau đây cho thấy cách xác định điện áp tùy thuộc vào băng tần của tụ điện.
Dải màu | Đánh giá điện áp (V) | ||||
---|---|---|---|---|---|
TYPE J | TYPE K | TYPE L | TYPE M | TYPE N | |
Đen | 4 | 100 | 10 | 10 | |
nâu | 6 | 200 | 100 | 1,6 | |
Đỏ | 10 | 300 | 250 | 4 | 35 |
trái cam | 15 | 400 | 40 | ||
Màu vàng | 20 | 500 | 400 | 6,3 | 6 |
màu xanh lá | 25 | 600 | 16 | 15 | |
Màu xanh da trời | 35 | 700 | 630 | 20 | |
màu tím | 50 | 800 | |||
Màu xám | 900 | 25 | 25 | ||
trắng | 3 | 1000 | 2,5 | 3 | |
Vàng | 2000 | ||||
Bạc |
Với sự trợ giúp của bảng này, định mức điện áp cho mỗi dải tụ điện được biết theo màu sắc cho trước. Loại xếp hạng điện áp cũng cho biết loại tụ điện. Ví dụ: loại J là tụ điện Tantali nhúng, loại K là tụ điện Mica, loại L là tụ điện Polystyrene, loại M là tụ điện dải điện phân 4 và loại loại N là tụ điện dải điện phân 3. Ngày nay, mã màu đã được thay thế bằng cách in đơn giản giá trị của các tụ điện như đã đề cập trước đây.
Phản ứng điện dung
Đây là một thuật ngữ quan trọng. Phản ứng điện dung là sự đối lập của tụ điện với dòng điện xoay chiều, hay đơn giản là dòng điện xoay chiều. Tụ điện chống lại sự thay đổi của dòng điện và do đó nó thể hiện một số đối lập có thể được gọi làreactance, vì tần số của dòng điện đầu vào cũng nên được xem xét cùng với điện trở mà nó cung cấp.
Symbol: XC
Trong mạch thuần điện dung, dòng điện IC leads điện áp áp dụng bằng 90 °
Hệ số nhiệt độ của tụ điện
Sự thay đổi tối đa trong Capacitancecủa tụ điện, trên một phạm vi nhiệt độ xác định, có thể được biết bằng hệ số nhiệt độ của tụ điện. Nó nói rằng khi nhiệt độ vượt quá một điểm nhất định, sự thay đổi điện dung của tụ điện có thể xảy ra được hiểu làtemperature coefficient of capacitors.
Tất cả các tụ điện thường được sản xuất với nhiệt độ chuẩn là 25 ° C. Do đó hệ số nhiệt độ của tụ điện được coi là các giá trị nhiệt độ cao hơn và thấp hơn giá trị này.