Bài giảng Điện tử cơ bản - Chương 3: Tụ điện - Cuộn cảm biến thế

Nội dung text: Bài giảng Điện tử cơ bản - Chương 3: Tụ điện - Cuộn cảm biến thế

1. CHƯƠNG 3: TỤ ĐIỆN – CUỘN CẢM BIẾN THẾ MỤC TIÊU THỰC HIỆN: Học xong bài này học viên cĩ khả năng: - Nắm được bản chất vật lý hoạt động của các linh kiện tụ điện, cuộn cảm, biến thế. - Tính tốn và ứng dụng tụ điện, cuộn cảm, biến thế vào trong các mạch điện – điện tử và vào trong thực tế.
2. PHẦN I. TỤ ĐIỆN I. Cấu tạo của tụ điện: Tụ điện gồm cĩ hai bản cực bằng kim loại đặt song song và ở giữa là một lớp cách điện (gọi là chất điện mơi).
3. II. ĐẶC TÍNH CỦA TỤ ĐIỆN ĐỐI VỚI NGUỒN DC 1. Điện dung (C) : chỉ khả năng chứa điện của tụ. Điện dung của tụ tùy thuộc vào cấu tạo và được tính bằng cơng thức :  : hằng số điện mơi S C =  S : diện tích bản cực (m2) d d : bề dày lớp điện mơi (m) Không khí khô Parafin Ebonit Giấy tẩm dầu Gốm Mica 1 2 2.7-2.9 3.6 5.5 4-5 1 μF = 10-6F 1nF = 10-9F 1pF = 10-12F
4. 2. Điện tích tụ nạp Nếu nối nguồn DC vào tụ với thời gian đủ dài thì tụ sẽ nạp đầy. Điện tích tụ nạp được tính theo cơng thức Q = C. V Q: điện tích (C) C: điện dung (F) V: điện áp nạp trên tụ (volt)
5. 3. Năng lượng tụ nạp và xả Dịng điện do tụ xả qua bĩng đèn trong thời gian đèn sáng chính là năng lượng đã được nạp trong tụ điện và tính theo cơng thức : K W: điện năng (J) 1 2 W = C.V C: điện dung (F) VDC 2 C Đ V: điện áp trên tụ (V)
6. 4. Điện áp làm việc Trên thân tụ, nhà SX cho biết mức điện áp giới hạn của tụ điện gọi là điện áp làm việc (WV: Working voltage). Điện áp đánh thủng (breakdown) là điện áp tạo ra điện trường đủ mạnh để tạo ra dịng điện trong chất điện mơi.
7. Điện áp đánh thủng tỉ lệ theo bề dày lớp điện mơi nên người ta dùng điện trường đánh thủng để so sánh giữa các chất điện mơi . E: điện trường (kV/cm) V V: điện áp (KV) E = d: bề dày điện mơi (cm) d Không khí khô Parafin Ebonit Giấy tẩm dầu Gốm Mica kV/cm 32 200-250 600 100-250 150-200 500
8. 5. Thơng số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện Khi sử dụng tụ điện phải biết hai thơng số chính của tụ là: ◼ Điện dung C (F) ◼ Điện áp làm việc WV (V) Phải chọn điện áp làm việc WV lớn hơn điện áp trên tụ VC theo cơng thức: WV ≥ 2VC
9. III. PHÂN LOẠI TỤ ĐIỆN ◼ Tụ cĩ phân cực tính dương và âm: Tụ hĩa và tụ Tan Tan. ◼ Tụ khơng phân cực tính, được chia làm nhiều loại (các loại tụ điện cịn lại).
10. 1. Tụ oxit hĩa ( tụ hĩa) Là loại tụ cĩ phân cực tính âm và dương. Tụ cĩ cấu tạo gồm hai bản cực bằng nhơm tách rời nhờ một màng mỏng chất điện phân. Khi sử dụng phải lắp đúng cực tính, nếu khơng lớp điện mơi sẽ bị phá hủy và làm hỏng tụ.
11. HÌNH DẠNG CỦA TỤ HĨA
12. 2. Tụ gốm ( tụ Ceramic) Là loại tụ khơng cĩ cực tính, cĩ trị số điện dung nhỏ (1pF đến 1 µF) nhưng điện áp làm việc lớn khoảng vài trăm voltage. Tụ gốm cĩ nhiều hình dang khác nhau và cĩ nhiều cách ghi trị số điện dung khác nhau.
13. HÌNH DẠNG CỦA TỤ GỐM
14. Ngồi ra, trị số điện dung của tụ điện cịn được kí hiệu bằng các vạch màu và vịng màu. Cách kí hiệu vịng màu của tụ điện cũng giống như cách quy ước của điện trở. Vịng A: hệ số nhiệt. Vịng B: số thứ nhất. Vịng C: số thứ hai. Vịng D: bội số. Vịng E: sai số.
15. 3. Tụ giấy Là loại tụ khơng cĩ cực tính. Tụ cĩ cấu tạo gồm hai bản cực bằng kim loại dạng băng dài, ở giữa là lớp điện mơi bằng giấy tẩm dầu và được cuộn lại dạng ống. Tụ giấy cĩ điện áp đánh thủng lớn lên đến vài trăm voltage.
16. CẤU TẠO VÀ HÌNH DẠNG TỤ GIẤY
17. 4. Tụ mica Là loại tụ khơng cĩ cực tính, cĩ điện dung nhỏ ( khoảng vài pF đến vài trăm nF) nhưng điện áp làm việc rất cao, lên đến trên 1000 V. Tụ này đắt tiền hơn tụ gốm vì sai số nhỏ, đáp tuyến cao tần tốt, độ bền cao. Trị số điện dung của tụ được ký hiệu bằng các chấm màu trên thân, cách đọc giống như đọc trị số điện trở.
18. CẤU TẠO - HÌNH DẠNG TỤ MICA
19. BẢNG MÃ QUY ƯỚC VẠCH MÀU CHO TỤ MI CA
20. 5. Tụ tan tan : Là loại tụ cĩ cực tính, cĩ kích thước rất nhỏ nhưng điện dung lớn, điện áp làm việc thấp chỉ vài chục voltage.
21. HÌNH DẠNG CỦA TỤ TAN TAN
22. 6. Tụ màng mỏng Là loại tụ khơng cĩ cực tính. Chất điện mơi là màng polyester (PE) hoặc polyetylen (PS). Tụ cĩ điện dung vài trăm pF đến vài chục µF, nhưng điện áp làm việc cao hàng ngàn volt
23. HÌNH DẠNG TỤ MÀNG MỎNG PE (PE FILM CAPACITOR) HÌNH DẠNG TỤ MÀNG MỎNG PS (PS FILM CAPACITOR)
24. 7. Tụ cĩ giá trị điện dung thay đổi: ◼ Điện dung thay đổi nhờ xoay trục vít để điều chỉnh phần diện tích trùng nhau giữa các phiến kim loại. ◼ Phần trùng nhau càng nhiều thì giá trị tụ càng tăng.
25. IV. ĐẶC TÍNH NẠP – XẢ CỦA TỤ ĐIỆN 1. Tụ nạp điện Khi mắc tụ với một nguồn điện, tụ sẽ nạp điện, bắt đầu từ 0V tăng dần VDC theo hàm mũ e với thời gian t. Điện áp tức thời trên hai đầu tụ: −t K R  vc (t) = VDC (1− e ) t: thời gian tụ nạp (s) VDC C e = 2,71828  = R C : hằng số thời gian tụ nạp (s)
26. Khi tụ nạp thì dịng điện giảm dần từ trị V số cực đại ban đầu là I = DC xuống trị số cuối cùng là 0A. R V −t i (t) = DC e  C R t: thời gian tụ nạp (s) e = 2,71828  = R C : hằng số thời gian tụ nạp (s)
27. V VDC /R VDC 0,99 0,95 0,98 0,8VDC 0,86 vC(t) 0,63 0,6VDC 0,4VDC 0,37 iC(t) 0,2VDC 0,14 0,05 0,02 0,01 τ 2τ 3τ 4τ 5τ t
28. 2. Tụ xả điện • Chuyển khĩa K qua vị trí 2, khi đĩ tụ xả điện qua điện trở R. Lúc này điện áp trên tụ sẽ giảm dần từ trị số VDC xuống đến 0V theo hàm số mũ với thời gian t. • Điện áp xả trên hai đầu tụ được tính theo cơng thức: −t  vC = VDC e • Dịng điện xả cũng giảm dần từ trị số cực đại V ban đầu là I = DC xuống trị số cuối cùng là 0A. R V −t i (t) = DC e  C R
29. V VDC /R VDC 0,8VDC 0,6VDC vC xả(t) 0,4VDC 0,37 i (t) 0,2VDC C xả 0,14 0,05 0,02 0,01 0 τ 2τ 3τ 4τ 5τ t
30. V. CÁC KIỂU GHÉP TỤ 1. Ghép nối tiếp – Khi ghép nối tiếp 2 tụ điện lại với nhau 1 1 1 = + C C1 C2 2. Ghép song song – Khi ghép song song hai tụ với nhau C = C1+ C2
31. VI. CÁC ỨNG DỤNG CỦA TỤ ĐIỆN 1. Tụ dẫn điện ở tần số cao 2. Tụ nạp xả điện trong mạch lọc
32. PHẦN II: CUỘN DÂY (CUỘN CẢM) 1. Cấu tạo Cuộn cảm cĩ cấu tạo gồm một dây dẫn điện cĩ bọc Sơn cách điện (emay, hay cịn gọi là dây điện từ) quấn nhiều vịng liên tiếp nhau trên một lõi. Lõi của cuộn dây cĩ thể là một ống rỗng (lõi khơng khí), sắt bụi hay sắt lá. Tùy loại lõi khác nhau mà cuộn cảm cĩ kí hiệu khác nhau.
33. KÍ HIÊU,CẤU TẠO VÀ HÌNH DẠNG CUỘN CẢM Lõi sắt Lõi sắt bụi Lõi khơng miếng khí Thường dùng Thường dùng trong Thường dùng trong mạch mạch dao động, trong mạch tần số thấp lọc, cộng hưởng cộng hưởng
34. 2. Các tham số của cuộn dây Hệ số tự cảm (điện cảm) L : đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng từ trường của cuộn dây. Hệ số tự cảm phụ thuộc vào số vòng dây n,tiết diện S, chiều dài l và vật liệu làm lõi n2 Cuộn dây khơng cĩ lõi: L = 4 S 10−7 l n2 L =  4 S 10−7 Cuộn dây cĩ lõi: r l L: hệ số tự cảm (H) l: chiều dài lõi (m). S: tiết diện lõi (m2) n: số vịng dây. μr: hệ số từ thẩm tương đối của vật liệu đối với chân khơng.
35. • Khi cho dịng điện I chạy qua cuộn dây cĩ n vịng dây sẽ tạo ra từ thơng Ф. Quan hệ giữa L với dịng điện I và từ thơng Ф là:  L = n L: hệ số tự cảm (Henry) I • Nếu giá trị dịng điện chạy trong cuộn dây thay đổi, từ trường phát sinh từ cuộn dây cũng thay đổi gây ra 1 sức điện động cảm ứng e trên cuộn dây và cĩ xu thế  đối lập lại dịng điện ban đầu e = −n t  − n e  Suy ra: = t = −  L  t n e = −L  t
36. 3. Năng lượng nạp vào cuộn dây Khi cho dịng điện chạy qua cuộn dây sẽ tạo ra năng lượng trữ dưới dạng từ trường. Năng lượng trữ được tính theo cơng thức: 1 W: năng lượng (J). W = LI 2 L: hệ số tự cảm (H). 2 I: cường độ dịng điện (A).
37. 4. Đặc tính nạp xã của cuộn dây: Khi đĩng khĩa K thì cuộn dây chống lại dịng điện do nguồn cung cấp VDC bằng cách tạo ra điện áp cảm ứng bằng với điện áp nguồn VDC nhưng ngược dấu nên dịng điện bằng 0A. Sau đĩ dịng điện qua cuộn dây tăng lên theo hàm số mũ: K t R V − i(t) = DC (1− e  ) R VDC L L hằng số thời gian nạp  = R điện của cuộn dây (s)
38. Ngược lại với dịng điện, điện áp trên cuộn dây lúc đầu bằng với điện áp nguồn VDC, sau đĩ điện áp giảm dần theo hàm số mũ e với thời gian, và được tính theo cơng thức: t −  v(t) = VDC e
39. V VDC V /R DC 0,99 0,95 0,98 0,86 0,8VDC i(t) 0,63 0,6VDC 0,4VDC 0,37 v(t) 0,2VDC 0,14 0,05 0,02 0,01 0 τ 2τ 3τ 4τ 5τ t
40. 5. CÁC CÁCH GHÉP CUƠN DÂY 1. Ghép nối tiếp: L1 VDC L2 L = L1 + L2 2. Ghép song song: 1 1 1 VDC = + L1 L2 L L1 L2
41. PHẦN III: BỘ BIẾN ÁP 1. Cấu tạo: Máy biến áp cĩ cấu tạo gồm hai hay nhiều cuộn dây (được tráng sơn cách điện quấn chung trên một lõi (mạch từ)
42. KÍ HIỆU, CẤU TẠO VÀ HÌNH DẠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP
43. 2. Nguyên lý hoạt động: Khi cho dịng xoay chiều cĩ điện áp V1, cường độ I1 vào Cuộn sơ cấp N1 từ trường biến thiên sẽ chạy trong mạch từ. Từ thơng qua cuộn thứ cấp N2 thay đổi, cảm ứng cho ra dịng điện xoay chiều cĩ điện áp V2.  V = e = −N 1 1 1 t  V = e = −N 2 2 2 t N1 là số vịng dây quấn cuộn sơ cấp. N2 là số vịng dậy quấn cuộn thứ cấp.
44. 3. Các tỉ lệ của biến áp a. Tỉ lệ về điện áp: V N 1 = 1 V2 N 2 b. Tỉ lệ về dịng điện I1 N2 N1.I1 = N2 .I 2 = I 2 N1 c. Tỉ lệ về tổng trở R N 1 = ( 1 )2 R2 N2
45. VII. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CUỘN DÂY 1. Micro điện động: Là linh kiện điện tử dùng để biến đổi chấn động âm thanh thành dịng điện xoay chiều (hay cịn gọi là tín hiệu xoay chiều). 2. Loa điện động: Là linh kiện điện từ dùng biến đổi dịng điện xoay chiều thành chấn động âm thanh.