2. Tụ điện
2.3.1. Tụ oxit húa (thường gọi là tụ húa)
Tụ húa là tụ phõn cực tớnh, cú điện dung lớn từ 1F ữ 10.000F. Tụ được chế tạo với bản cực nhụm và cực dương cú bề mặt hình thành lớp oxit nhụm và lớp bọt khớ cú tớnh cỏch điện để làm chất điện mụi. Khi sử dụng phải chỳ ý đến cực tớnh, tụ húa cú điện ỏp làm việc thường nhỏ hơn 500V.
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 27 2.3.2. Tụ gốm (ceramic)
Tụ gốm cú điện dung từ 1pF đến 10F, là loại tụ khụng cú cực tớnh, điện ỏp làm việc cao đến vài nghìn volt. Về hình dỏng tụ gồm cú nhiều dạng nhưng chủ yếu là hình đĩa, tụ gốm cú nhiều cỏch ghi trị số khỏc nhau.
Quy ước về sai số của tụ là:
2.3.3.Tụ giấy
Là lọai tụ khụng cú cực tớnh gồm cú hai bản cực làm bằng kim loại dài, ở giữa cú lớp cỏch điện là giấy tẩm dầu và cuộn lại thành ống. Điện ỏp đỏmh thủng đến vài trăm volt
2.3.4.Tụ mica
Là loại tụ khụng cú cực tớnh, điện dung từ 1pF đến 1000F, điện ỏp làm việc rất cao trờn 1000V.
Tụ mica đắt tiền hơn tụ gốm vì ớt sai số, đỏp tuyến tần số tốt, độ bền cao. Trờn tụ mica cú sơn chấm màu để chỉ thị trị số điện dung và cỏch đọc giống như đọc trị số điện trở
2.3.5.Tụ màng mỏng
Là loại tụ cú chất điện mụi là chất polyester (PE), polyetylen (PS), điện dung từ vài trăm pF đến vài chục F, điện ỏp làm việc đến hàng nghìn volt.
2.3.6.Tụ tung tan
Là loại tụ cú phõn cực tớnh, điện dung cao, kớch thước nhỏ, điện ỏp làm việc thấp chỉ vài chục volt. Tụ tung tan thường cú dạng viờn.
2.4. Cỏc thụng số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện
Khi sử dụng tụ điện phải biết hai thụng số chớnh của tụ điện:
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 28
Điện dung của tụ là khả năng tớch điện của tụ điện C = ع.
d S
Trong đú: C là điện dung của tụ s là diện tớch bản cực ع là hằng số điện mụi
d là khoảng cỏch giữa hai bản cực (bề dày lớp điện mụi) Đơn vị của điện dung là Fara (F)
1F = 106àF = 109 nf = 1012 Pf
Hằng số điện mụi của một số chất điện mụi trụng dụng:
Chất điện mụi Hằng số điện mụi
Khụng khớ 1
Gốm 5,5
Mica 4 ữ 5
Ebonit 2,7 ữ 2,9
Parapin 2
2.4.2. Đặc tớnh của tụ đối với dũng một chiều
Giữa hai bản cực của tụ là lớp cỏch điện nờn khụng cú dũng điện một chiều chạy qua. Do I = 0 nờn R = →
I U
. Như vậy tụ cú sức cản là vụ cực ohm đối với dũng điện một chiều.
Điện tớch nạp tụ tỉ lệ thuận với điện ỏp và năng lượng nạp tụ tỉ lệ với bình phương điện ỏp. Tuy nhiờn, ta khụng thể tăng điện ỏp nạp tụ lờn quỏ cao vì khi điện ỏp đặt vào tụ tăng cao sẽ sinh ra một lực điện trường đủ mạnh làm cho cỏc electron bị bức xạ thành electron tự do xuất hiện dũng điện chạy qua điện mụi, lỳc đú tụ sẽ bị đỏnh thủng. Điện ỏp của điện mụi tỉ lệ theo bề dày của điện mụi nờn thường người ta chỉ cho trị số điện trường đỏnh thủng theo cụng thức:b
d U E= Trong đú:
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 29
E – điện trường (kV/cm) U – điện ỏp (kV)
D – bề dày của điện mụi (cm)
- Điện thế nạp của tụ tăng theo hàm số mũ: UC(t) = UDC(1 – e-t/ﺡ)
Trong đú: UC(t) là điện thế nạp tức thời của tụ UDC là điện ỏp nguồn DC nạp cho tụ ﺡ = RC là hằng số thời gian
- Dũng điện nạp ban đầu I = UDC/R sau đú giảm I = 0 theo hàm số mũ IC(t) = UDC/R.e-t/ﺡ
- Khi tụ phúng điện, điện thế của tụ giảm theo hàm số mũ: UC(t) = UDC .e-t/ ﺡ
2.4.3 Đặc tớnh của tụ đối với dũng điện xoay chiều
Ta cú cụng thức tớnh cường độ dũng điện là: t I Q t Q I = = .
Đối với tụ điện, điện tớch nạp tụ được tớnh theo cụng thức Q = C.U C.U = I.t It
C U = 1. .
Điện nạp trờn tụ là sự tớch tụ của dũng điện nạp vào tụ theo thời gian t. Đối với dũng điện xoay chiều hình sin, trị số tức thời của điện ỏp là:
u(t) = Um.sint
Hệ thức liờn hệ giữa dũng điện i(t) và điện ỏp uc là:
t U C d d t i m t q . .cos ) ( = = (gọi Im = C.Um) + = 2 sin ) ( t I t i m
Như vậy, dũng điện i(t) trờn tụ cũng là một tri số thay đổi theo dũng điện xoay chiờu hỡnh sin.
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 30
Điện ỏp tức thời của dũng điện xoay chiều hình sin được biểu diễn theo cụng thức:
t U t u( )= msin và + = 2 sin ) ( t I t i m
So sỏnh biểu thức u(t) với biểu thức tớnh điện ỏp trờn tụ ta cú:
fC I C I U m m m = = 2
Đõy là điện ỏp cực đại được nạp trờn tụ. - Sức cản của tụ đối với dũng AC Định luật ohm ỏp dụng trờn điện trở cho ta cụng thức :
I U R= . Áp dụng với điện ỏp xoay chiều ta cú:
C I U C I U m m m m 1 = = .
So sỏnh hai trường hợp ta thấy
C
1
cú ý nghĩa là điện trở, đối với tụ điện gọi là dung khỏng ký hiệu XC. Ta cú: fC C XC 2 1 1 = = Trong đú: XC – dung khỏng () f – tần số (Hz) C – điện dung (F)
Dung khỏng XC của tụ điện tỉ lệ nghịch với tần số f và điện dung C. Dung khỏng cũng cú đơn vị tớnh là ohm như điện trở.
2.4.4. Điện thế làm việc của tụ điện
Khi nạp điện, điện tớch của tụ nạp tỉ lệ thuận với điện thế. Điện thế nạp vào tụ khụng tăng quỏ cao vì khi tăng điện thế cao sẽ sinh ra một lực điện trường mạnh làm bức xạ cỏc điện tử thành cỏc điện tử tự do. Xuất hiện dũng điện chạy qua chất điện mụi, điện mụi bị đỏnh thủng thì tụ hỏng. Điện thế tạo ra điện trường đủ mạnh núi trờn làm điện thế đỏnh thủng tụ.
Do đú khi sử dụng tụ điện để nạp và phúng thìđiện ỏp một chiều phải bộ hơn điện ỏp đỏnh thủng: Uđỏnh thủng = E . d
Như vậy: Trờn mỗi tụ điện cho biết điện ỏp giới hạn của tụ gọi là điện ỏp làm việc của tụ.
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 31 2.5. Phương phỏp kiểm tra chất lượng tụ điện
- Kiểm tra chất lượng của tụ điện ta dựng đồng hồ Megaụm để kiểm tra giỏ trị điện dung. Quỏ trình đo cũng giống như thao tỏc đo điện trở.
B ước 1: Cắm hai que đo vào hai vị trớ của tụ điện trờn đồng hồ.
B ước 2: Sử dụng thang đo ụm hợp lý.
Bước 3: Đặt hai que đo lờn hai cực của tụ, đồng thời quan sỏt và ghi lại giỏ trị hiển thị trờn mặt đụng hồ
Gọi kết quả đo được bằng đồng hồ vạn năng là R1.
Gọi giỏ trị xỏc định bằng mó húa hay số thực trờn thõn của linh kiện là R2. Quỏ trình kiểm tra sẽ xảy ra một trong cỏc trường hợp sau:
+/ Nếu R1 = ( ≈) R2 thì linh kiện đú cũn tốt.
+/ Nếu R1> R2 thì linh kiện đú bị khụ → tụ bị hỏng. +/ Nếu R1< R2 thì linh kiện đú bị rũ rỉ → tụ bị hỏng. +/ Nếu R1 =0 thì linh kiện đú bị thủng → tụ bị hỏng
- Dựng đồng hồ vạn năng để kiểm tra quỏ trình phúng nạp của tụ (ỏp dụng tụ phõn cực)
Bước 1: Dựng đồng hồ thang đo ụm hợp lý. Nếu giỏ trị điện dung của tụ nhỏ thì dựng giỏ trị thang đo lớn, nếu giỏ trị điện dung của tụ lớn thì dựng thang đo nhỏ
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 32 Bước 2: Dựng phần kim loại đồng nối tắt hai cực của tụ để tụ phúng hết điện
Bước 3: Đặt hai que đo lờn hai cực của tụ điện, đồng thời quan sỏt quỏ trình di chuyển của tụ. Quỏ trình đo sẽ xẩy ra một trong cỏc trường hợp sau:
- Nếu kim đồng hồ tiến về vị trớ 0 sau đú kim tra từ từ về vị trớ ∞, chứng tỏ chất lượng tụ đú cũn tốt
- Nếu kim đồng hồ tiến về vị trớ 0 và nằm ngay tại vị trớ 0, chứng tỏ tụ đú bị chập → chất lượng tụ đú bị hỏng
- Nếu kim đồng hồ tiến về vị trớ 0 sau đú kim trả từ từ về vị trớ ∞ được khoảng nửa đường rồi dừng lại, chứng tỏ tụ bị rũ rỉ → tụ đú chất lượng kộm
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 33
- Nếu kim đồng hồ chỉ ở vị trớ ∞, chứng tỏ tụ bị khụ → tụ đú bị hỏng
Chỳ ý: Nếu tụ cú giỏ trị điện dung càng lớn thì dựng giỏ trị thang đo ụm càng nhỏ và ngược lại.
2.6. Cỏc kiểu ghộp tụ điện 2.6.1. Tụ điện ghộp nối tiếp 2.6.1. Tụ điện ghộp nối tiếp
Tụ điện ghộp nối tiếp: điện dung là C1, C2 cú dũng điện nạp I nờn điện tớch hai tụ nạp được sẽ bằng nhau do Q = I.t.
Điện tớch nạp vào tụ được tớnh theo cụng thức : Q = C1U1 = C2U2 1 1 C Q U = ; 2 2 C Q U =
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 34
Gọi c là tụ tương đương của tụ C1, C2 ghộp nối tiếp thì: Q = C.U C Q U1 = Mà U = U1 + U2 2 1 C Q C Q C Q = + do đú 2 1 1 1 1 C C C = +
Cụng thức tớnh tụ điện ghộp nối tiếp cú dạng như cụng thức tớnh điện trở ghộp song song.
Ngoài điện dung tụ cũn cú một thụng số kỹ thuật quan trọng là điện ỏp làm việc của tụ điện tương đương. Để tớnh điện ỏp làm việc cho tụ điện tương đương được đơn giản nờn chọn cỏc tụ điện ghộp nối tiếp cú cựng thụng số C và WV.
2.6.2. Tụ điện ghộp song song
Điện tớch nạp vào tụ C1 là : Q1 = C1U Điện tớch nạp vào tụ C2 là :
Q2 = C2U
Gọi điện dung C là điện dung tương đương của hai tụ C1, C2 và Q là điện tớch nạp vào tụ C thì :
Q = Q1 + Q2
CU = C1U + C2U = (C1 + C2).U C = C1 + C2
Cụng thức tớnh điện dung tương đương của cỏc tụ điện ghộp song song cú dạng như cụng thức tớnh điện trở ghộp nối tiếp.
Trong trường hợp ghộp song song, điện ỏp làm việc khụng thay đổi, do đú nờn chon cỏc tụ ghộp song song cú điện ỏp làm việc bằng nhau.
2.6.3. Tụ điện ghộp hỗn hợp
Tương tự như ghộp điện trở
2.7. Cõu hỏi và bài tập ụn tập
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 35
Cõu 2 : Hóy trình bày phương phỏp kiểm tra cực tớnh và chất lượng của tụ điện ? Cõu 3 : Cho C1 = 20F, C2 = 50F, C3 = 33F, C4 = 100F, C5 = 47F. Hóy xỏc định điện dung tương đương của mạch trong cỏc trường hợp sau:
a. C1 nt C2 nt C3 ntC4 ntC5
b. C1 // C2 // C3 //C4 //C5
c. (C1 nt (C2 nt C3 // C4 )) //C5
3. Cuộn cảm
3.1. Cấu tạo và phõn loại 3.1.1. Cấu tạo
Cuộn cảm là một dõy dẫn điện cú bọc bờn ngoài lớp sơn cỏch điện – khỏc với dõy dẫn thụng thường – thường là dõy điện từ quấn nhiều vũng liờn tiếp trờn một lừi sắt. Nhưng lừi của cuộn cảm cũng cú thể là một ống rỗng (lừi khụng khớ, sắt bụi hay sắt lỏ tựy loại lừi mà cuộn cảm cú kớ hiệu như hình vẽ :
Cuộn cảm lừi sắt lỏ dựng cho dũng điện xoay chiều tần số thấp, lừi sắt bụi cho tần số cao và lừi khụng khớ cho tần số rất cao.
Khi cuộn cảm cú lừi thì cường độ từ trường lớn hơn rất nhiều so với cuộn cảm lừi khụng khớ. Tỷ số giữa từ trường khi cú lừi và khi khụng cú lừi là hệ số từ thẩm tương đối của vật liệu làm lừi ().
Khi cho dũng chạy vào cuộn cảm, dũng điện sẽ tạo ra một từ trường đều trong lừi cú chiều xỏc định theo quy tắc vặn nỳt chai. Lừi cú chiều dài trung bình là l cường độ từ trường sinh ra trong lừi là H thì
n.I = H.l Trong đú: n – số vũng dõy quấn I – cường độ dũng điện
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 36
l – chiều dài trung bình lừi từ H.l – gọi là từ ỏp
Do lừi cú hệ số từ thẩm tương đối nờn cường độ từ cảm B được tớnh là : B = .H = .
l I n.
Trong biểu thức , n, l là hằng số nờn H và B chỉ thay đổi theo I. Nếu IDC thỡ H và B là từ trường đều, nếu IAC thì H và B cú cường độ thay đổi và chiều của từ trường cũng thay đổi theo chiều của dũng điện AC.
3.1.2. Phõn loại
3.2. Cỏc thụng số kỹ thuật của cuộn cảm 3.2.1. Hệ số tự cảm (độ tự cảm) L 3.2.1. Hệ số tự cảm (độ tự cảm) L
Dũng điện chạy trong cuộ dõy sẽ sinh ra một từ trường. Khi từ trường di chuyển trong cuộn dõy sẽ sinh ra một sức điện động cảm ứng.
Để tớnh mối quan hệ giữa dũng điện và từ trường, người ta đưa ra hệ số tự cảm của cuộn cảm L L = n. e = - n . t = -L. t I
Hệ số tự cảm L tuỳ thuộc vào cấu tạo của cuộn cảm và được xỏc định dợa vào cụng thức :
L = 4Π.10-7.àr.n2.s/l Trong đú :
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 37
n : Số vũng dõy
l : Chiều dài của dõy dẫn s : Tiết diện dõy dẫn
3.2.2. Đặc tớnh của cuộn cảm đối với dũng điện một chiều
Khi cấp nguồn một chiều, trờn cuộn dõy sinh ra một điện thế cảm ứng bằng điện thế nguồn cung cấp nhưng ngược dấu nờn dũng điện iL = 0. Sau đú iL tăng theo hàm số mũ : IL = UDC(1-e-t/ﺡ)/R
Với ﺡ = L/R là hằng số thời gian của cuộn dõy
3.2.3. Đặc tớnh của cuộn cảm đối với dũng điện xoay chiều
- Biờn độ cực đại
Dũng điện xoay chiều cú biờn độ tức thời dược tớnh theo cụng thức : u(t) = Um sin t và i(t) = Imsint
So sỏnh biẻu thức u(t) và cụng thức tớnh điện ỏp uL trờn cuộn cảm ta cú Um = .L.Im = 2f.L.Im
Đõy là điện ỏp cực đại trờn cuộn cảm.
- Sức cản của cuộn cảm đối với dũng AC Theo định luật ohm ta cú :
I U
R = . Áp dụng trờn cuộn cảm đối với AC ta cú :
fL L I U I L U m m m m = . = =2
So sỏnh hai trường hợp ta thấy L cú ý nghĩa như là điện trở, đối với cuộ dõy gọi là cảm khỏng, ký hiệu là XL. Ta cú : fL L XL = =2 Trong đú : L – hệ số tự cảm (H) ; f – tần số (Hz) ; XL - cảm khỏng () Cảm khỏng XL tỉ lệ với tần sồ và hệ số tự cảm L. cảm khỏng cũng cú đơn vị là như điện trở.
- ỏp dụng định luật ohm vào mạch thuần cảm
Trong một mạch điện chỉ cú cuộn cảm và nguồn xoay chiều, ta cú thể dựng định luật ohm để tớnh toỏn cỏc thụng số của mạch. Giả sử nguồn điện xoay chiều cú :
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 38
us(t) = Umsint
Dũng điện vào vuộn dõy trể pha hơn 90o nờn :iL(t) = Imsin(t - 90o) Biờn độ cực đại là : L U X U I m L m m . = = Biờn độ hiệu dụng : 2 . 2 . 2 m m L m L I L U X U X U I = = = =
3.3. Phương phỏp kiểm tra chất lượng cuộn cảm
- Kiểm tra giỏ trị điện cảm của cuộn dõy ta dựng đồng hồ Megaụm, cỏc thao tỏc cũng giống như cỏc thao tỏc dựng đồng hồ Megaụm để đo điện dung của tụ, nhưng đơn vị là Henri ( H )
- Kiểm tra chất lượng của cuộn cảm ta dựng đồng hồ Megaụm để kiểm tra giỏ trị điện cảm. Hoặc dựng đồng hồ vạn năng để kiểm tra chất lương của cuộn cảm, quỏ trình đo sẽ xẩy ra một trong cỏc trường hợp sau: