Những Điều Họ Không Dạy Bạn Về Tụ Điện

Trong kỹ thuật, chúng ta thường áp dụng hàng trăm phương pháp tắt não để giữ cho độ phức tạp của các chủ đề mà chúng ta giải quyết ở mức có thể quản lý được.

Nếu chúng ta phải chạy một mô phỏng vật lý lượng tử mỗi khi chúng ta làm sáng một LED, chúng ta sẽ không bao giờ hoàn thành bất cứ việc gì. Tuy nhiên, nhiều trong số những phương pháp tắt não và quy tắc ngón tay này được tạo ra trong quá khứ, khi ngành công nghiệp điện tử hoàn toàn khác biệt so với bây giờ.

Hôm nay, chúng ta sẽ học cách quên đi những gì một tụ điện không phải là. Ngoài ra, chúng ta sẽ thảo luận cách sử dụng tụ điện, bằng cách xem xét điện tử hiện đại.

Điều Mà Một Tụ Điện Không Phải Là (Nữa)

Một trong những giả định phổ biến là vai trò chính của một tụ điện là lưu trữ điện tích, giống như một cái xô nước được lấp đầy bởi một cốc và được rút ra bằng một cốc khác cùng một lúc.

Nếu bạn từng tham gia vào một cuộc thảo luận về "dòng điện có chảy qua tụ điện không" và cuộc thảo luận trở nên giống như chính trị hơn là vật lý, bạn biết rằng những phép ẩn dụ thông thường không có ý nghĩa gì khi dòng điện xoay chiều được liên quan. Một tụ điện chỉ đơn giản là hai dẫn điện được tách biệt bởi một chất điện môi, và không đâu trong các giải thích vật lý cơ bản về tính chất của nó sẽ bạn tìm thấy một lời giải thích về việc bạn nên làm gì với nó.

Lưu trữ năng lượng chỉ là một trong số nhiều ứng dụng của tụ điện, bao gồm lọc, tạo hình, hoặc thay đổi tín hiệu điện và trở kháng. Chúng ta thường nghĩ đến đây là ứng dụng chính của nó bởi vì đó là ứng dụng đầu tiên của nó vào thời kỳ bình minh của điện một chiều và electroscope của William Gilbert — được phát minh vào thế kỷ 15.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Vai trò của Tụ điện

Các thuật ngữ như tụ điện giảm nhiễu và tụ điện lọc thường được sử dụng thay thế cho nhau — tôi đã mắc phải lỗi này không biết bao nhiêu lần.

Điều này dẫn đến nhiều sự nhầm lẫn, vì các ứng dụng khác nhau thường yêu cầu tụ điện với các thông số điện và vật lý khác nhau, như bao bì, điện áp định mức, ESR (Điện trở mắc nối tiếp tương đương), ESL (Độ tự cảm mắc nối tiếp tương đương), và hồ sơ tự cộng hưởng.

Tụ điện được đặt tên khác nhau không chỉ dựa trên công nghệ mà chúng được xây dựng (gốm, điện phân), mà còn dựa trên vai trò của chúng.

Các phần sau đây chứa một số vai trò phổ biến nhất mà tụ điện đảm nhận.

Component Management Made Easy

Manage your components, get real-time supply chain data, access millions of ready-to-use parts.

Learn More

Tụ điện Lọc

Vai trò của tụ điện lọc là chuyển năng lượng AC (dòng xoay chiều tần số cao hợp lý) từ một phần của bảng mạch của bạn sang một phần khác. Như bạn vừa đọc, không hề có chuyện nói về lưu trữ. Không hề! Tụ điện lọc hoàn toàn về dẫn điện, không phải lưu trữ.

Để điều này xảy ra, tụ điện phải được lựa chọn cẩn thận với trở kháng thấp nhất có thể tại các tần số quan tâm. Điều này có thể đạt được bằng cách khớp tần số tự cộng hưởng của nó với tín hiệu RF càng nhiều càng tốt.

Tần số tự cộng hưởng là tần số mà tại đó dung kháng và độ tự cảm nhiễu của tụ điện cộng hưởng, và tụ điện trình bày trở kháng thấp nhất có thể. Về mặt toán học, nó giống như dung kháng và độ tự cảm biến mất, chỉ còn lại điện trở loạt tương đương.

Đối với các tần số cao hơn tần số tự cộng hưởng, tụ điện bắt đầu cư xử ít giống tụ điện hơn và giống cuộn cảm hơn.

Điều Cần Lưu Ý

Một trong những sai lầm phổ biến nhất khi sử dụng tụ điện bypass để kiểm soát phát xạ điện từ (đặc biệt khi cố gắng bypass trên các mặt đất), là giới hạn việc đặt chúng chỉ tại nguồn của tiếng ồn mà chúng ta muốn giải quyết.

Where the World Designs Electronics

Break down silos and enhance collaboration across all aspects of electronics development

Find Out More

Trong DC điều này có vẻ hợp lý: ngắn mạch tín hiệu càng gần nguồn càng tốt để giảm giá trị của nó xuống mức thấp nhất có thể, giảm thiểu trở kháng (impedance) giữa ngắn mạch điện (tụ điện) và nguồn.

Trong AC, và đặc biệt là trong lĩnh vực RF, do bản chất sóng của tín hiệu điện, sự tăng nhanh về trở kháng giữa khu vực gần nguồn nhiễu của bạn và phần còn lại của mặt đất có thể là nguồn gây ra phản xạ. Điều này cũng có thể xảy ra trên các đường dẫn, vì trở kháng cao hơn của các via có thể phản xạ năng lượng RF.

Đó là những gì phản xạ là: năng lượng được phản xạ do trở kháng không khớp. Một lần nữa, điều này mâu thuẫn với mô tả truyền thống về “năng lượng được phản xạ do các đường dẫn không kết thúc”, điều này chỉ đúng một phần.

Khi sử dụng tụ bỏ qua, bạn nên cố gắng giảm trở kháng của các mặt đất và mặt nguồn bằng cách phân bố tụ điện trên các bảng mạch của bạn. Tùy thuộc vào tần số bạn muốn giải quyết, cấu trúc các lớp và vật liệu điện mô của PCB, bạn có thể muốn xem xét sử dụng tụ điện trong phạm vi picofarad đến nanofarad.

Tụ Điện Tách

Các bộ điều chỉnh tuyến tính như 7805 phổ biến có một vòng lặp phản hồi nội bộ so sánh điện áp đầu ra với một điện áp tham chiếu và điều chỉnh dòng điện tương ứng để duy trì một đầu ra ổn định.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

Trên lý thuyết, các bộ điều chỉnh tuyến tính có thể được sử dụng mà không cần tụ điện bên ngoài — ít nhất là nếu chúng ta bỏ qua bất kỳ vấn đề nào về dao động tự kích thích. Để có được một đầu ra ổn định, dòng điện được yêu cầu cần phải thay đổi với tốc độ đủ chậm để bộ điều chỉnh tuyến tính có thể theo kịp. Xét rằng hầu hết chúng được xây dựng dựa trên công nghệ BJT từ đầu những năm 80, những tốc độ đó không hề nhanh chút nào.

Tương tự, các bộ chuyển đổi DC-DC có tần số chuyển mạch cơ bản và không thể điều chỉnh đầu ra nhanh hơn tần số này.

Nhiều thiết bị kỹ thuật số hiện đại tạo ra các dòng xung với thành phần tần số hàng trăm megahertz, nhiều hơn nhiều so với bất kỳ bộ điều chỉnh nào có thể theo kịp (trừ khi chúng ta đang nói về các trình điều khiển laser-diode kỳ lạ).

Tụ điện giảm xung hoạt động trên ranh giới giữa các điện áp ổn định được điều chỉnh bởi mạch cung cấp điện DC và việc tiêu thụ dòng điện không liên tục của các thiết bị kỹ thuật số hiện đại.

Ngay cả một trở kháng nhỏ giữa nguồn cung cấp và thiết bị, khi đối mặt với một đỉnh dòng điện, sẽ nhanh chóng dẫn đến điện áp cung cấp nằm ngoài phạm vi chấp nhận được.

Cloud Storage and Version Control

Store your libraries and design data in one secure, accessible, and version-controlled space.

Learn More

Các tụ điện giảm xung hoạt động như kho lưu trữ năng lượng tạm thời tại chỗ, hiệu quả giảm trở kháng nguồn cho các giá trị từ vài megahertz đến vài trăm megahertz.

Đối với các tần số trên hàng trăm MHz, hầu hết các tụ điện SMD đều có trở kháng cao và không hiệu quả, các kỹ thuật như sử dụng dung lượng chôn trong lớp xếp chồng cần được áp dụng thay thế.

Điều Cần Lưu Ý

Tụ điện giải nhiễu chỉ hữu ích trong một dải tần số tương đối hẹp, chủ yếu do các hạn chế do tính chất nhiễu của chúng gây ra.

Tham số chính cần chú ý là, một lần nữa, tần số tự cộng hưởng. Tụ điện giải nhiễu chỉ hiệu quả ở các tần số thấp hơn tần số tự cộng hưởng của chúng.

Các quy tắc ngón tay cái sau thường hữu ích để chọn tụ điện nào sử dụng:

Manufacturing Made Easy

Send your product to manufacturing in a click without any email threads or confusion.

Learn More

• Từ DC đến ~Khz: không cần tụ điện, nguồn cung cấp điện có thể tự duy trì.
• ~Khz đến ~Mhz: giá trị cao của các tụ điện điện phân có lợi cho dải tần số thấp, nhưng trở kháng mắc nối cao của chúng hạn chế hiệu suất bằng cách gây ra tần số tự cộng hưởng thấp. Ở dải Mhz, nhiều tụ điện điện phân đã trở nên rất có tính cảm ứng.
• ~Mhz đến 200Mhz: tụ điện gốm, tùy thuộc vào điện môi, kích thước gói, và công nghệ chế tạo, thường phủ kín dải này.
• Trên 200Mhz: tụ điện gốm bắt đầu trở nên không hiệu quả. Trong tình huống này, bạn nên sử dụng kỹ thuật dung lượng chôn thay thế.

Tụ Điện Lớn

Tụ điện lớn được sử dụng để giữ điện áp ổn định trong suốt các chu kỳ mất điện và hỗ trợ nhu cầu dòng điện cao điểm, thường là loại điện phân do nhu cầu dung lượng cao cho vai trò này.

Hãy nghĩ về chúng như những bộ UPS (Nguồn cung cấp điện không gián đoạn) nhỏ xinh, hình trụ.

Những Điều Họ Không Dạy Bạn Về Tụ Điện Gốm

Tụ điện gốm chắc chắn là thành phần bị động quan trọng nhất trong ngành công nghiệp điện tử hiện nay, và dung lượng thể tích của chúng đã được cải thiện với tốc độ so sánh được với mật độ transistor trên silicon, cho phép nhiều thiết kế hiện đại có mật độ cao.

Chúng thực sự là một kỳ quan công nghệ, nhưng cũng có một số điểm lưu ý bạn cần biết.

Nhỏ hơn là Tốt hơn

Gốm là một vật liệu tuyệt vời, nhưng cũng rất giòn. Tụ điện gốm có thể bị nứt do uốn cong của bảng mạch PCB, ví dụ trong quá trình lắp ráp các bảng lớn hơn (hoặc các tấm), tách các bảng v-cut ra không đúng cách, hoặc nếu sản phẩm bị xử lý không cẩn thận trong quá trình vận chuyển.

Variant Manager

Meet demands of a globalized market that requires unique versions of your PCBs.

Learn More

Nứt do uốn cong là một hiện tượng nguy hiểm: nếu tụ điện được sử dụng trên đường dây điện có khả năng dòng điện cao, nó thường xuyên gặp sự cố chập mạch và gây ra hỏa hoạn.

Trái với quan điểm phổ biến, tụ điện nhỏ hơn có hiệu suất điện và cơ khí vượt trội. Chúng ít có khả năng bị nứt và có tần số tự cộng hưởng cao hơn.

Nếu sản phẩm của bạn cần độ tin cậy cao dưới áp lực cơ học, có một số kỹ thuật bạn có thể sử dụng để giảm thiểu loại hỏng hóc này.

• Không đặt tụ điện với cạnh dài cùng hướng với sự uốn cong của bảng mạch.
• Sử dụng tụ điện nhỏ hơn như 0402
• Sử dụng tụ điện có đầu mềm không bị chập khi có áp lực, và/hoặc tụ điện gốm có xếp hạng X2/Y2 chập mở
• Điều chỉnh đường dẫn xung quanh tụ điện để giảm bớt áp lực cơ học
• Giả sử bạn đã chọn tụ điện có khả năng mở khi bị hỏng, luôn sử dụng ít nhất hai tụ điện song song, để mạch của bạn có đủ dung lượng để tiếp tục hoạt động bình thường khi một trong số chúng bị hỏng

Điện môi Quan Trọng, Rất Nhiều

C0G, X7R… điện môi có tên gọi kỳ lạ và một loạt các tính chất đa dạng. Dưới đây là các đặc tính của chúng và thời điểm chúng tỏa sáng.

• C0G/NP0: Đây là loại tụ điện gốm cao cấp nhất trên thị trường. Thông thường, chúng có sẵn từ 1pF đến 100nF và có độ chính xác 5%. NPO đại diện cho positive-negative-zero, hình dạng của đồ thị hệ số của tụ điện, trông phẳng qua phạm vi nhiệt độ. Đây là loại bạn nên sử dụng khi cần giá trị chính xác và ổn định.
• X7R: Con ngựa làm việc của thời đại mới. Chúng có hệ số điện áp và nhiệt độ xuất sắc và phổ biến từ 100pF đến 22uF. Chúng là loại được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng giảm nhiễu và có phạm vi nhiệt độ rộng từ -55°C đến 125°C.
• X5R: Tương tự như X7R nhưng được đánh giá cho 85°C thay vì 125°C.
• Y5V: Có thể đạt giá trị dung lượng cực cao nhưng với đánh giá điện áp và nhiệt độ thấp (cho phép mất tới 82% dung lượng).
• Z5U: Tương tự như Y5V, tụ điện Z5U thể hiện hiệu suất điện áp và nhiệt độ kém và cực kỳ rẻ. Chỉ được đánh giá tới -10°C. Chỉ được sử dụng trong thiết bị tiêu dùng giá rẻ để giảm nhiễu.

Điều Cần Lưu Ý

Kết hợp tụ điện với các điện môi khác nhau có thể dẫn đến kết quả không mong muốn.

Manufacturer Part Search

Reduce design time by eliminating your component creation process.

Learn More

Ví dụ, tụ điện Z5U rất phải chăng và sử dụng điện mô titanat bari. Vật liệu này có hằng số điện mô cao, cho phép tỷ lệ dung lượng so với thể tích xuất sắc, và tần số tự cộng hưởng thường nằm trong khoảng từ 1MHZ đến 20 MHZ.

NPO hoạt động tốt hơn ở các tần số trên 10Mhz, vậy tại sao không kết hợp chúng để có được hiệu suất rộng tần số?

Thật không may, khi tụ điện Z5U và NP0 được kết nối song song, vật liệu có hằng số điện mô cao hơn làm giảm tần số cộng hưởng của NPO, và sự kết hợp này dẫn đến hiệu suất tổng thể tồi tệ hơn so với chỉ sử dụng tụ điện Z5U chất lượng tốt.

“Tại sao” tuy nhiên, chắc chắn nằm ngoài phạm vi trách nhiệm của tôi. Nếu bạn hiểu hiện tượng này, xin hãy viết thư cho tôi.

Hấp thụ Điện Mô

Nếu bạn nối tắt đầu ra của một tụ điện đã được sạc, bạn sẽ thấy mình đang có một tụ điện hoàn toàn đã xả ngồi trên bàn làm việc và nhìn bạn với ánh mắt buồn bã. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng xảy ra. Hầu hết các tụ điện, với ngoại lệ đáng chú ý duy nhất là tụ điện chân không, giữ lại một phần điện tích của chúng sau khi được xả.

Hiện tượng này xảy ra bởi vì các cực phân tử hướng ngẫu nhiên được sắp xếp theo thời gian bởi trường điện, và hướng mới tìm thấy của chúng được giữ lại ngay cả khi không có trường điện.

Tụ điện gốm có thể giữ lại tới 0.6% điện áp đã sạc cho NP0 và 2.5% cho X7R.

Điện dung Phụ thuộc vào Điện áp

Tụ điện Y5V có thể mất tới 82% điện dung của chúng ở điện áp định mức, trong khi tụ điện NP0 có phản ứng gần như phẳng.
Nếu bạn có các ứng dụng mà bạn cần thay đổi điện áp đầu ra, ví dụ qua nguồn điện áp có thể cấu hình theo tiêu chuẩn USB-PD mà Mark Harris đã thảo luận trong bài viết gần đây của mình, bạn có thể thấy mình đối mặt với hiệu suất mạch dường như không dự đoán được.

Các công cụ thiết kế trong Altium Designer^® bao gồm mọi thứ bạn cần để theo kịp với công nghệ mới. Hãy nói chuyện với chúng tôi hôm nay để tìm hiểu làm thế nào chúng tôi có thể nâng cao thiết kế PCB tiếp theo của bạn.