1. Tụ điện phân
Tụ điện phân là tụ điện được hình thành bởi lớp oxy hóa trên điện cực thông qua tác động của chất điện phân như một lớp cách điện, thường có dung lượng lớn. Chất điện phân là một vật liệu dạng lỏng, giống như thạch, giàu ion, và hầu hết các tụ điện phân đều có cực, nghĩa là khi hoạt động, điện áp ở cực dương của tụ điện cần phải luôn cao hơn điện áp ở cực âm.
Dung lượng cao của tụ điện phân cũng bị đánh đổi bằng nhiều đặc tính khác, chẳng hạn như có dòng rò lớn, độ tự cảm và điện trở nối tiếp tương đương lớn, sai số dung sai lớn và tuổi thọ ngắn.
Ngoài tụ điện phân cực, còn có tụ điện phân không phân cực. Hình dưới đây cho thấy có hai loại tụ điện phân 1000uF, 16V. Trong đó, loại lớn hơn là tụ điện không phân cực, còn loại nhỏ hơn là tụ điện phân cực.
(Tụ điện phân cực và không phân cực)
Bên trong tụ điện phân có thể là chất điện phân dạng lỏng hoặc dạng polymer rắn, vật liệu điện cực thường là nhôm (Aluminum) hoặc tantali (Tandalum). Dưới đây là cấu trúc bên trong của tụ điện phân nhôm phân cực thông thường, giữa hai lớp điện cực có một lớp giấy sợi tẩm chất điện phân, cộng với một lớp giấy cách điện cuộn thành hình trụ, được bịt kín trong vỏ nhôm.
(Cấu trúc bên trong của tụ điện phân)
Khi mổ xẻ tụ điện phân, có thể thấy rõ cấu trúc cơ bản của nó. Để ngăn ngừa sự bay hơi và rò rỉ chất điện phân, chân tụ điện được cố định bằng cao su làm kín.
Tất nhiên, hình vẽ cũng cho thấy sự khác biệt về thể tích bên trong giữa tụ điện phân cực và không phân cực. Ở cùng dung lượng và mức điện áp, tụ điện phân không phân cực có kích thước lớn hơn khoảng gấp đôi so với tụ điện phân cực.
(Cấu trúc bên trong của tụ điện phân cực và không phân cực)
Sự khác biệt này chủ yếu đến từ sự khác biệt lớn về diện tích điện cực bên trong hai tụ điện. Điện cực tụ điện không phân cực nằm ở bên trái và điện cực phân cực nằm ở bên phải. Ngoài sự khác biệt về diện tích, độ dày của hai điện cực cũng khác nhau, và độ dày của điện cực tụ điện phân cực mỏng hơn.
(Tấm nhôm tụ điện phân có nhiều chiều rộng khác nhau)
2. Nổ tụ điện
Khi điện áp mà tụ điện đặt vào vượt quá điện áp chịu đựng của nó hoặc khi cực tính của điện áp của tụ điện phân cực bị đảo ngược, dòng điện rò rỉ của tụ điện sẽ tăng mạnh, dẫn đến nhiệt độ bên trong tụ điện tăng lên và chất điện phân sẽ tạo ra một lượng lớn khí.
Để ngăn ngừa tụ điện nổ, có ba rãnh được ép ở phía trên của vỏ tụ điện, do đó, phía trên của tụ điện dễ bị vỡ dưới áp suất cao và giải phóng áp suất bên trong.
(Bể phun ở đầu tụ điện phân)
Tuy nhiên, một số tụ điện trong quá trình sản xuất, rãnh ép trên cùng không đạt tiêu chuẩn, áp suất bên trong tụ điện sẽ làm cho cao su đệm ở đáy tụ điện bị đẩy ra, lúc này áp suất bên trong tụ điện đột ngột được giải phóng, sẽ hình thành vụ nổ.
1, tụ điện phân không phân cực nổ
Hình bên dưới cho thấy một tụ điện phân không phân cực, có điện dung 1000uF và điện áp 16V. Sau khi điện áp đặt vào vượt quá 18V, dòng điện rò rỉ đột ngột tăng lên, nhiệt độ và áp suất bên trong tụ điện cũng tăng theo. Cuối cùng, gioăng cao su ở đáy tụ điện bị vỡ, các điện cực bên trong bị vỡ ra như bỏng ngô.
(tụ điện phân cực không phân cực bị quá áp)
Bằng cách nối một cặp nhiệt điện với tụ điện, có thể đo được quá trình nhiệt độ của tụ điện thay đổi khi điện áp tăng. Hình dưới đây cho thấy quá trình tăng điện áp của tụ điện không phân cực. Khi điện áp vượt quá giá trị điện áp chịu đựng, nhiệt độ bên trong tụ điện tiếp tục tăng.
(Mối quan hệ giữa điện áp và nhiệt độ)
Hình dưới đây cho thấy sự thay đổi dòng điện chạy qua tụ điện trong cùng một quá trình. Có thể thấy rằng sự gia tăng dòng điện là nguyên nhân chính gây ra sự gia tăng nhiệt độ bên trong. Trong quá trình này, điện áp tăng tuyến tính, và khi dòng điện tăng đột ngột, nhóm nguồn điện sẽ làm giảm điện áp. Cuối cùng, khi dòng điện vượt quá 6A, tụ điện sẽ nổ tung với một tiếng nổ lớn.
(Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện)
Do thể tích bên trong tụ điện phân không phân cực lớn và lượng chất điện phân lớn nên áp suất sinh ra sau khi tràn rất lớn, khiến bình giảm áp ở phía trên vỏ không bị vỡ và lớp cao su đệm ở phía dưới tụ điện bị thổi mở.
2, tụ điện phân cực nổ
Đối với tụ điện phân cực, điện áp được đặt vào. Khi điện áp vượt quá điện áp chịu đựng của tụ điện, dòng điện rò rỉ cũng sẽ tăng đột ngột, khiến tụ điện quá nhiệt và phát nổ.
Hình bên dưới minh họa tụ điện phân cực giới hạn, có dung lượng 1000uF và điện áp 16V. Sau khi quá áp, quá trình xả áp suất bên trong được thực hiện thông qua bình xả áp phía trên, giúp tránh hiện tượng tụ điện nổ.
Hình dưới đây cho thấy nhiệt độ của tụ điện thay đổi như thế nào khi điện áp tăng. Khi điện áp dần dần tiến đến điện áp chịu đựng của tụ điện, dòng điện dư của tụ điện tăng lên và nhiệt độ bên trong tiếp tục tăng.
(Mối quan hệ giữa điện áp và nhiệt độ)
Hình dưới đây là sự thay đổi dòng điện rò rỉ của tụ điện, tụ điện phân định mức 16V, trong quá trình thử nghiệm, khi điện áp vượt quá 15V, dòng rò rỉ của tụ điện bắt đầu tăng mạnh.
(Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện)
Qua quá trình thử nghiệm hai tụ điện phân đầu tiên, cũng có thể thấy giới hạn điện áp của tụ điện phân thông thường 1000uF này. Để tránh tụ điện bị đánh thủng điện áp cao, khi sử dụng tụ điện phân, cần phải chừa đủ biên độ theo biến động điện áp thực tế.
3，tụ điện phân mắc nối tiếp
Khi thích hợp, có thể đạt được điện dung lớn hơn và điện áp chịu được điện dung lớn hơn bằng cách kết nối song song và nối tiếp.
(bỏng ngô tụ điện phân sau vụ nổ quá áp)
Trong một số ứng dụng, điện áp được áp dụng cho tụ điện là điện áp xoay chiều, chẳng hạn như tụ ghép của loa, tụ bù pha dòng điện xoay chiều, tụ dịch pha động cơ, v.v., đòi hỏi phải sử dụng tụ điện phân không phân cực.
Trong sách hướng dẫn sử dụng của một số nhà sản xuất tụ điện cũng có ghi rằng tụ điện phân cực truyền thống được sử dụng theo phương pháp mắc nối tiếp, tức là mắc nối tiếp hai tụ điện với nhau nhưng cực tính ngược nhau để thu được hiệu ứng của tụ điện không phân cực.
(điện dung phân cực sau vụ nổ quá áp)
Sau đây là so sánh tụ điện phân cực trong ứng dụng điện áp thuận, điện áp ngược, hai tụ điện phân mắc nối tiếp thành ba trường hợp điện dung không phân cực, dòng điện rò thay đổi khi điện áp tăng.
1. Điện áp thuận và dòng điện rò rỉ
Dòng điện chạy qua tụ điện được đo bằng cách mắc nối tiếp một điện trở. Trong phạm vi điện áp cho phép của tụ điện phân (1000uF, 16V), điện áp đặt vào được tăng dần từ 0V để đo mối quan hệ giữa dòng điện rò rỉ và điện áp tương ứng.
(điện dung nối tiếp dương)
Hình sau đây cho thấy mối quan hệ giữa dòng điện rò rỉ và điện áp của tụ điện phân cực nhôm, đây là mối quan hệ phi tuyến tính với dòng điện rò rỉ dưới 0,5mA.
(Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện sau khi nối tiếp thuận)
2, điện áp ngược và dòng điện rò rỉ
Sử dụng cùng một dòng điện để đo mối quan hệ giữa điện áp định hướng được áp dụng và dòng điện rò rỉ của tụ điện phân, có thể thấy từ hình dưới đây rằng khi điện áp ngược được áp dụng vượt quá 4V, dòng điện rò rỉ bắt đầu tăng nhanh. Từ độ dốc của đường cong sau, điện dung ngược của tụ điện phân tương đương với điện trở 1 ohm.
(Mối quan hệ ngược chiều giữa điện áp và dòng điện)
3. Tụ điện nối tiếp
Hai tụ điện phân giống hệt nhau (1000uF, 16V) được kết nối ngược lại theo chuỗi để tạo thành tụ điện phân tương đương không phân cực, sau đó đo đường cong mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện rò rỉ của chúng.
(điện dung nối tiếp cực dương và cực âm)
Sơ đồ sau đây cho thấy mối quan hệ giữa điện áp tụ điện và dòng điện rò rỉ, bạn có thể thấy rằng dòng điện rò rỉ tăng lên sau khi điện áp được áp dụng vượt quá 4V và biên độ dòng điện nhỏ hơn 1,5mA.
Và phép đo này có chút ngạc nhiên, vì bạn thấy rằng dòng điện rò rỉ của hai tụ điện nối tiếp này thực sự lớn hơn dòng điện rò rỉ của một tụ điện duy nhất khi điện áp được áp dụng về phía trước.
(Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện sau chuỗi dương và chuỗi âm)
Tuy nhiên, do vấn đề thời gian, hiện tượng này không được kiểm tra lại. Có lẽ một trong những tụ điện được sử dụng là tụ điện của phép thử điện áp ngược vừa rồi, và bên trong tụ điện bị hỏng, nên mới tạo ra đường cong kiểm tra như trên.
Thời gian đăng: 25-07-2023
