Tụ gốm là gì?

Tụ gốm có tên gọi đầy đủ là tụ điện gốm (tên tiếng anh: ceramic capacitor), là một trong những loại tụ điện được sử dụng phổ biến, chúng sử dụng vật liệu gốm (ceramic), làm chất điện môi giữa hai bản kim loại của tụ điện.

Tụ điện gốm được thiết kế với giá trị điện dung cố định, ngay từ ban đầu (ta không thể điều chỉnh được điện dung của tụ, trong quá trình sử dụng). Chất điện môi là “gốm” ở đây không phải là loại gốm thông thường (gốm làm bát, bình gốm, đĩa,…), mà nó được thêm và các hợp chất đặc biệt, để đảm bảo sự ổn định, về khả năng cách điện, của chất điện môi.

Ưu điểm của tụ điện gốm bao gồm kích thước nhỏ gọn, khả năng chịu nhiệt độ cao, và hiệu suất ổn định ở tần số cao. Tuy nhiên, chúng có hạn chế về khả năng chịu điện áp thấp hơn so với một số loại tụ khác và có tỷ lệ biến đổi điện dung với nhiệt độ và điện áp khá lớn. Do đó, người thiết kế cần cân nhắc kỹ về ứng dụng cụ thể trước khi sử dụng tụ điện gốm.

Cấu tạo của tụ gốm

Xét về đặc điểm cấu tạo, tụ điện gốm được thiết kế với hai kiểu cấu tạo chính, gồm tụ gốm nhiều lớp và tụ gốm dạng đĩa (loại có 2 bản tụ).

Tụ gốm dạng đĩa

Tụ gồm dạng đĩa (Disc ceramic capacitor), được thiết kế với hai bản tụ kim loại song song với nhau, được ngăn cách bởi một lớp chất điện môi, và được ngăn cách bảo vệ bằng một lớp vỏ bên ngoài.

Tụ điện đĩa gốm có giá trị điện dung khoảng 10pF đến 100μF với nhiều mức điện áp khác nhau, từ 16V đến 15 KV trở lên.

Cấu tạo chi tiết bao gồm:

Bản tụ (Electrodes): Bao gồm hai tấm kim loại dẫn điện (thường là thiếc hoặc nhôm), chúng được đặt đối diện và song song với nhau. Phần không gian ở giữa hai bản tụ được ngăn cách bằng chất điện môi. Mỗi bản tụ được liên kết với một chân kết nối.
Chất điện môi (Dielectric Material): Chất điện môi là gốm kết hợp với một số hợp chất đặc biệt, là phần vật liệu ngăn cách giữa hai bản tụ, vừa có tác dụng cách điện, đồng thời giữ cho khoảng cách giữa bản tụ được cố định.
Vỏ bảo vệ (Outer Layer): Tùy theo từng loại tụ, lớp vỏ bảo vệ có thể, có các lớp bọc ngoài bằng nhựa, gốm hoặc epoxy để bảo vệ và cách điện cho tụ. Trên lớp vỏ ngoài cùng được đánh dấu các ký hiệu và thông số kỹ thuật, của tụ.
Chân tụ điện: Hai chân của tụ điện được nối với hai bản tụ, chúng được chế tạo từ vật liệu có khả năng dẫn điện (thường là nhôm), chân của tụ điện là bộ phận liên kết tụ với các linh kiện khác trong bảng mạch.

Tụ gốm nhiều lớp

Tụ gốm nhiều lớp còn được gọi là tụ điện MLCC (viết tắt của: Multi-layer Ceramic Capacitor). Về cơ bản loại tụ này vẫy sử dụng cùng một nguyên lý cấu tạo. Tuy nhiên cách bố trí, và kết cấu của bản tụ đặc biệt hơn.

Cấu tạo chi tiết bao gồm:

Bản tụ (Electrodes): Điểm đặc biệt của điện nhiều lớp đó là, hai bản tụ được thiết kế dưới dạng nhiều tấm mỏng xếp chồng lên nhau, và xen kẽ giữa hai bản âm và dương, kiểu thiết kế này làm tăng diện tích tương tác giữa hai bản tụ.
Chất điện môi (Dielectric Material): Chất điện môi vẫn là những chất liệu gốm, được lấp đầy vào giữa các bản tụ.
Chân kết nối: Chân kết nối của tụ được thiết kế tối giản, để có thể hàn trực tiếp vào bảng mạch.

Cách đọc tụ gốm

Các thiết bị tụ điện nói chung, để được sử dụng trong mạch điện cần, được tính toán và lựa chọn loại có thông số phù hợp. Tụ điện thông thường được in các thông số, mà người dùng cần biết lên trên thân tụ, tuy nhiên một số loại tụ có kích thước rất nhỏ, việc in tất cả các thông số lên thân tụ sẽ rất khó quan sát.

Vì thế người ta chỉ in lên đó những con số, được quy ước.

Chắc hẳn bạn thường thấy những con tụ được đánh các số ký hiệu 102, 103, 104,… Những loại tụ được ký hiệu bằng chữ số, đơn vị đo điện dung của chúng là picoFara (pF). Tiếp theo chỉ số của tụ được xác định thông qua công thức tính sau:

Tụ được ký hiệu với 3 số “abc”, công thức áp dụng sẽ là: ab * 10^c.

Ví dụ:

Tụ gốm 104, có điện dung là: 10 * 10^4 = 100000 (pF).
Tụ gốm 103, có điện dung là: 10 * 10^3 = 10000 (pF).

Đối với những tụ chỉ đánh dấu ký hiệu bằng 2 chữ số, chỉ số điện dung của chúng được đọc trực tiếp, và sử dụng đơn vị là picoFara (pF).

Đối với những tụ gốm được ký hiệu các chữ cái sau cùng, những chữ cái này thể hiện cho mức độ sai số của tụ.
Với: G là 2%, J là 5%, K là 10%,…

Ưu điểm và nhược điểm của tụ gốm

Tụ điện là loại linh kiện điện tử cơ bản được cung cấp với đa dạng chủng loại, mỗi loại tụ điện khác nhau, lại có những ưu điểm và hạn chế riêng, và tụ gốm cũng vậy.

Ưu điểm

Những ưu điểm của tụ điện gốm:

Kích thước nhỏ gọn: Tụ điện gốm có kích thước vật lý nhỏ gọn, cho phép tích hợp nhiều tụ vào không gian hạn chế.
Đáng tin cậy: Tụ điện gốm thường có tuổi thọ dài và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ và độ ẩm biến đổi.
Hiệu suất tốt ở tần số cao: Chúng thường hoạt động tốt ở tần số cao và có tổn thất điện năng thấp.
Giá thành thấp: Tụ điện gốm thường có giá thành thấp hơn so với một số loại tụ khác.

Nhược điểm

Một số nhược điểm của tụ điện gốm bao gồm:

Không có khả năng điều chỉnh điện dung: Điện dung của các loại tụ điện gốm, không có khả năng điều chỉnh, mà được giữ ở một ngưỡng cố định, và có sự biến đổi nhỏ theo thời gian hoặc điều kiện làm việc.
Giới hạn về điện dung: Với vật liệu của chất điện môi là gốm, tụ điện khó có thể đạt được mức điện dung cao, nếu có thì kích thước thường rất lớn.
Khả năng chịu điện áp thấp: Tụ điện gốm thường có khả năng chịu điện áp thấp hơn so với một số loại tụ khác, điều này có thể hạn chế ứng dụng của chúng trong các mạch yêu cầu điện áp cao.
Phạm vi sai số: Nếu so sánh với các loại tụ điện khác, tụ gốm có sai số cao hơn.

Ứng dụng của tụ gốm

Tụ gốm là một loại linh kiện điện tử quan trọng, trong nhiều ứng dụng liên quan đến điện tử và điện công nghiệp.

Các ứng dụng thường thấy của tụ điện bao gồm:

Nguồn điện laser cao áp và các ứng dụng công suất cao: Tụ điện gốm công suất cao thường được sử dụng, để cung cấp năng lượng cho các nguồn điện laser cao áp và các ứng dụng công suất cao khác, như bộ ngắt mạch điện và lò nung cảm ứng.
Bảng mạch in (PCB) và ứng dụng mật độ cao: Tụ gốm gắn trên bề mặt (MLCC) thường được sử dụng trong PCB và các ứng dụng yêu cầu mật độ cao vì chúng nhỏ gọn và hiệu suất ổn định.
Giảm nhiễu RF trên động cơ DC chổi than: Tụ điện đĩa gốm thường được sử dụng để giảm thiểu nhiễu RF trên động cơ DC chổi than.

Tụ gốm đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp ổn định và kiểm soát các thông số điện tử trong các mạch điện tử và điện lực, làm cho chúng trở thành một thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và công nghệ.