Hướng dẫn về Điện môi Tụ điện Gốm và Các Loại Khác

Tụ điện là một phần quan trọng của hầu hết các mạch điện tử. Nhưng chúng thực sự hoạt động như thế nào, và điều gì khiến chúng có thể hoạt động như vậy? Chúng là các thiết bị bị động lưu trữ năng lượng tiềm năng điện dưới dạng điện áp giữa hai dẫn điện được sạc điện và được tách biệt bởi một chất điện môi cách điện. Chất điện môi cách điện hạn chế dòng điện một chiều và cho phép dòng điện xoay chiều tạo ra dòng điện dịch chuyển qua hai bản cực do sự cực hóa trong điều kiện có áp dụng điện áp. Những linh kiện này được tìm thấy trong mọi thứ từ mạng lọc tương tự đến nguồn cung cấp điện và các thành phần số tốc độ cao.

Điều gì giúp tụ điện thực hiện chức năng mà chúng được dự định? Sức mạnh của trường điện trong điện môi tụ điện quyết định cách dòng điện dịch chuyển phát sinh qua thiết bị, do đó chúng ta có thể phân loại tụ điện dựa trên điện môi cách điện của chúng. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về việc phân loại điện môi tụ điện, bao gồm một phần dành riêng cho điện môi tụ điện gốm.

Điện Môi Tụ Điện Phổ Biến

Có nhiều loại điện môi tụ điện, mỗi loại có nhiều kích cỡ bao bì khác nhau. Một số vật liệu nói chung có hằng số điện môi cao hơn nhiều so với các loại khác, và chúng có thể được coi là có "mật độ dung lượng" cao hơn, nghĩa là chúng cung cấp dung lượng cao hơn trong các gói nhỏ hơn. Những nhà thiết kế đã từng nhìn vào bên trong của một nguồn cung cấp điện có lẽ đã thấy các gói tụ điện dạng radial lớn đứng dọc trên bảng mạch; đây là tụ điện điện phân, và chúng yêu cầu bao bì có kích thước như vậy để cung cấp các giá trị dung lượng cao.

Các điện môi tụ điện khác có những ưu điểm khác ngoài việc cung cấp mật độ dung lượng cao. Chúng có thể có điện áp đánh thủng rất cao, chúng có thể rất hữu ích cho AC vì chúng không yêu cầu cực tính cụ thể, hoặc chúng có thể có hệ số nhiệt độ rất thấp làm cho chúng trở thành lựa chọn tốt hơn cho các ứng dụng chính xác. Đây là một lý do tại sao bảng dữ liệu và ghi chú ứng dụng sẽ khuyến nghị chọn tụ điện dựa trên vật liệu điện môi của chúng thay vì dựa trên giá trị dung lượng thực tế. Trong những ứng dụng đó, giá trị tụ điện có thể ít quan trọng hơn so với các ưu điểm cụ thể của chính vật liệu điện môi tụ điện. Hãy nhớ điều này khi bạn thấy các khuyến nghị về tụ điện trong bảng dữ liệu hoặc ghi chú ứng dụng.

Các Loại Điện Môi Tụ Điện

Gốm

Điện dung của điện môi tụ điện gốm bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và điện áp áp dụng. Chúng cũng có giá trị dòng rò DC thấp hơn và điện trở mắc nối tiếp tương đương (ESR) thấp hơn. Tụ điện gốm thường không cực và do đó có thể được định hướng theo bất kỳ hướng nào trong bố cục PCB; đây là một lý do tại sao chúng được ưa chuộng trong các ứng dụng AC tần số cao và ứng dụng điện năng. Tuy nhiên, ESR thấp của chúng có thể cho phép các xung mạnh trong hệ thống điện, điều này có thể được tránh với một tụ điện có ESR kiểm soát.

Tụ điện gốm được làm bằng cách phủ hai mặt của một đĩa gốm nhỏ với một lớp phim kim loại (như bạc) và sau đó xếp chúng lại với nhau trong bao bì tụ điện. Một đĩa gốm đơn khoảng 3-6 mm có thể được sử dụng để đạt được điện dung rất thấp. Hằng số điện môi (Dk) của điện môi tụ điện gốm rất cao, vì vậy điện dung tương đối cao có thể được thu được trong bao bì nhỏ.

Điện môi dạng điện phân (tức là, tantalum, nhôm, v.v.) hoặc điện môi ôxít

Những tụ điện này được sử dụng trong các mạch điện mà yêu cầu dung lượng tụ điện rất cao. Tại đây, một dung dịch điện phân dạng bán lỏng như gel hoặc keo được sử dụng thay thế cho một lớp màng kim loại mỏng cực kỳ, đóng vai trò như cực âm. Chúng ổn định hơn về dung lượng tụ điện (ví dụ, dung sai chặt chẽ hơn và biến đổi nhiệt độ), và chúng ổn định hơn ở điện áp cao. Chúng có điện trở series tương đương (ESR) cao hơn so với tụ điện gốm và không có cực.

Film nhựa

Điện môi của những tụ điện này thường có giá trị Dk thấp hơn và do đó có kích thước lớn hơn, nhưng chúng rất hữu ích trong các mạch tần số cao. Tụ điện film là loại tụ điện phổ biến nhất, bao gồm một gia đình tương đối lớn các tụ điện với các đặc tính điện môi khác nhau. Do đó, có thể có một phạm vi rộng lớn các thông số vật liệu cho những tụ điện này.

Substrat PCB

Về mặt kỹ thuật, một PCB là một tụ điện lớn bất cứ khi nào nó chứa các lớp mặt phẳng liền kề lớn. Các mặt phẳng trong một PCB có thể cung cấp khoảng 50 pF/sq. in. dung lượng tụ điện với ESL rất thấp, đó là lý do tại sao tụ điện mặt phẳng thường là hình thức tụ điện hiệu quả nhất mà bạn có thể sử dụng để giảm nhiễu gói gây ra trong PDN của một PCB tốc độ cao.

Điện môi Tụ điện Gốm và Phân loại Dựa trên Độ Bền

Lớp của tụ điện gốm phụ thuộc vào độ cách điện của nó, quyết định điện áp đánh thủng trong điện môi tụ điện.

• Lớp 1: Tụ điện gốm lớp 1 thường được làm từ các phụ gia vật liệu ôxít của Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co và Sr. Những tụ điện này sẽ được chọn trong các ứng dụng yêu cầu một mạch AC tương đối không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Ví dụ có thể kể đến trong các mạch cộng hưởng như bộ lọc hoặc mạng ghép nối nơi mà sản phẩm cần có độ chính xác cao trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt.
• Lớp 2: Những tụ điện gốm này được làm từ vật liệu điện môi cơ sở titanat bari, có tính nhạy cảm với nhiệt độ. Những tụ điện gốm này có mật độ dung lượng cao, tức là bạn có thể đạt được dung lượng cao trong một thể tích nhỏ. Nói chung, tụ điện gốm lớp 2 được sử dụng cho các ứng dụng làm mịn, bỏ qua, kết nối và tách kết nối.
• Lớp 3: Nhóm này của điện môi tụ điện gốm cung cấp dung lượng cao so với vật liệu gốm lớp 2. Tụ điện lớp 3 được coi là lỗi thời và không còn được chuẩn hóa bởi IEC. Tụ điện gốm đa lớp lớp 2 hiện đại có thể cung cấp dung lượng cao hơn với độ ổn định và độ chính xác chặt chẽ hơn trong một gói nhỏ gọn hơn.

Lưu ý rằng các định nghĩa trên được chuẩn hóa trong IEC/EN 60384-1 và IEC/EN 60384-8/9/21/22. EIA có bộ định nghĩa riêng với bốn lớp điện môi tụ điện gốm. Mỗi lớp được ký hiệu bằng một số La Mã, vì vậy hãy nhớ điều này nếu bạn thấy các trang sản phẩm định nghĩa tụ điện là Lớp 3 so với Lớp III; những ký hiệu này không tương đương.

Hệ thống Mã hóa Tụ điện

Có một hệ thống mã hóa bằng chữ và số gồm ba ký tự được sử dụng để chỉ định tụ điện gốm, với hệ thống phụ thuộc vào lớp gốm. Các mã ký hiệu bổ sung trên vỏ của tụ điện có thể chỉ ra điện áp hoạt động định mức, dung sai và hệ số nhiệt độ.

Ví dụ, tụ điện gốm lớp 2 được phân loại theo giới hạn nhiệt độ hoạt động và độ nhạy của dung lượng với sự thay đổi nhiệt độ. Giá trị độ nhạy được đánh giá trong giới hạn nhiệt độ trên và dưới và không được đảm bảo ngoài những giới hạn này. Lưu ý rằng những mã này không phải là tên được đặt cho các vật liệu điện môi tụ điện gốm. Hợp chất gốm có thể là tên sản phẩm độc quyền hoặc tên hợp chất hóa học. Thay vào đó, những mã này được sử dụng để phù hợp với một khu vực ứng dụng với một mức dung sai yêu cầu.
Bảng dưới đây hiển thị các ký tự trong mã tên gọi 3 ký tự cho tụ điện gốm lớp 2 (X5R, X7R, v.v.).

Cách Tìm Tụ Điện Với Điện Môi Cụ Thể

Nếu bạn đang tìm kiếm các tụ điện với điện mô là chất điện phân, nhựa, hoặc thậm chí là polyester, bạn chỉ cần tìm kiếm chúng trong công cụ thư viện linh kiện PCB của mình. Dịch vụ như Octopart có thể hiển thị nhiều lựa chọn với các điện mô cụ thể, kích thước vỏ, kiểu lắp đặt, v.v. Có một số điểm chính cần xem xét khi chọn điện mô:

• Dung lượng và hệ số nhiệt độ: Cả hai điểm này nên được xem xét cùng nhau khi tìm kiếm linh kiện dựa trên điện mô.
• Độ chính xác: Điều này không giống như hệ số nhiệt độ; đó là sự biến thiên xung quanh giá trị dung lượng định mức (giống như trong các linh kiện thụ động khác).
• Tuổi thọ: Điện mô của tụ điện có giới hạn tuổi thọ, nơi mà dung lượng sẽ từ từ giảm theo thời gian và cuối cùng sẽ thay đổi vượt quá giới hạn được xác định bởi mức độ chính xác của thiết bị.
• Parasitics: ESL và ESR quan trọng đối với các ứng dụng tần số cao, trong một số ứng dụng điện năng liên quan đến chuyển mạch nhanh, hoặc tính toàn vẹn năng lượng cho hệ thống số.
• Kích thước vỏ: Đối với tụ chip và tụ điện phân hình trụ/radial, các vỏ lớn hơn cung cấp dung lượng lớn hơn. Những cái này có thể tuân theo một chỉ định tiêu chuẩn, như các mã vỏ SMD cho tụ chip. Các vỏ nhỏ hơn sẽ có kích thước pad nhỏ hơn, và do đó ESL nhỏ hơn.

Đối với tụ điện gốm, trong số các thông số kỹ thuật cơ bản này, chỉ có điểm 1 và 2 được chuẩn hóa dựa trên mã tên gọi 3 ký tự. Nếu bạn biết rằng một mã cụ thể sẽ hoạt động trong ứng dụng của mình, thì bạn có thể tìm kiếm theo mã. Các loại tụ điện khác không có hệ thống đặt tên chuẩn hóa giống như tụ điện gốm, vì vậy bạn có thể không tìm thấy tụ điện điện phân mà bạn cần nếu chỉ bắt đầu tìm kiếm bằng cách mã hóa các chữ cái.

Cuối cùng, đối với các ứng dụng công suất, điện áp đánh thủng là quan trọng. Lưu ý rằng các điện môi của tụ điện được đặc trưng theo sức mạnh điện môi của chúng, đó là cường độ trường điện cần thiết để phá vỡ điện môi. Điện áp đánh thủng là đặc thù của thiết bị và nó sẽ là thông số quan trọng khi thiết kế hệ thống công suất. Đừng quên xem xét thông số này khi thiết kế cho một nguồn cung cấp điện, và chắc chắn kiểm tra xem đánh giá đó áp dụng cho điện áp AC hay DC; đây là một sai lầm phổ biến có thể khiến hệ thống của bạn thất bại!

Dù bạn đang thiết kế một nguồn cung cấp hay một thiết bị không dây, bạn sẽ cần phải sử dụng tụ điện và có thể bạn cần phải chọn chúng dựa trên điện môi của tụ điện. Khi bạn đã tìm được các tụ điện cần thiết trong thiết kế của mình, hãy sử dụng công cụ thiết kế PCB trong CircuitMaker để chuẩn bị sơ đồ mạch và bố trí PCB của bạn. Tất cả người dùng CircuitMaker đều có thể tạo sơ đồ mạch, bố trí PCB và tài liệu sản xuất cần thiết để chuyển một ý tưởng thành sản phẩm. Người dùng cũng có quyền truy cập vào không gian làm việc cá nhân trên nền tảng Altium 365™, nơi họ có thể tải lên và lưu trữ dữ liệu thiết kế trên đám mây, và dễ dàng xem các dự án qua trình duyệt web trên một nền tảng an toàn.

Bắt đầu sử dụng CircuitMaker ngay hôm nay và chờ đón CircuitMaker Pro từ Altium mới.