Dòng điện rò rỉ tụ điện là gì và làm thế nào để giảm nó

Tụ điện là thành phần phổ biến nhất trong điện tử và được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng điện tử. Có rất nhiều loại tụ điện có sẵn trên thị trường để phục vụ các mục đích khác nhau trong bất kỳ mạch điện tử nào. Chúng có sẵn với nhiều giá trị khác nhau từ 1 Pico-Farad đến 1 tụ Farad và Siêu tụ điện. Tụ điện cũng có nhiều loại xếp hạng khác nhau, chẳng hạn như điện áp làm việc, nhiệt độ làm việc, dung sai của giá trị danh định và dòng điện rò rỉ.

Dòng điện rò rỉ của tụ điện là một yếu tố quan trọng đối với ứng dụng, đặc biệt nếu được sử dụng trong Điện tử công suất hoặc Điện tử âm thanh. Các loại tụ điện khác nhau cung cấp các xếp hạng dòng rò khác nhau. Ngoài việc chọn tụ điện hoàn hảo với độ rò rỉ thích hợp, mạch điện cũng phải có khả năng kiểm soát dòng điện rò rỉ. Vì vậy, trước tiên chúng ta nên hiểu rõ về dòng điện rò của tụ điện.

Mối quan hệ với lớp điện môi

Dòng điện rò của tụ điện có mối quan hệ trực tiếp với điện môi của tụ điện. Hãy xem hình ảnh dưới đây -

Hình ảnh trên là cấu tạo bên trong của Tụ điện phân nhôm. Tụ điện nhôm có một số bộ phận được đóng gói trong một bao bì chặt chẽ nhỏ gọn. Các bộ phận là cực dương, cực âm, chất điện phân, cách điện lớp điện môi, v.v.

Chất cách điện điện môi cung cấp cách điện cho tấm dẫn điện bên trong tụ điện. Nhưng vì không có gì hoàn hảo trên thế giới này, chất cách điện không phải là chất cách điện lý tưởng và có khả năng chịu cách điện. Do đó, một lượng dòng điện rất thấp sẽ chạy qua chất cách điện. Dòng điện này được gọi là dòng điện rò rỉ.

Chất cách điện và dòng điện có thể được chứng minh bằng cách sử dụng một tụ điện và điện trở đơn giản.

Điện trở có giá trị điện trở rất cao, có thể được xác định là điện trở cách điệnvà tụ điện được sử dụng để tái tạo tụ điện thực tế. Vì điện trở có giá trị điện trở rất cao nên dòng điện chạy qua điện trở rất thấp, thường tính bằng một số nano-ampe. Điện trở cách điện phụ thuộc vào loại chất cách điện điện môi vì các loại vật liệu khác nhau làm thay đổi dòng điện rò rỉ. Hằng số điện môi thấp cung cấp khả năng chống cách điện rất tốt, dẫn đến dòng điện rò rỉ rất thấp. Ví dụ, tụ điện loại polypropylene, nhựa hoặc teflon là ví dụ của hằng số điện môi thấp. Nhưng đối với những tụ điện đó, điện dung rất ít. Tăng điện dung cũng làm tăng hằng số điện môi. Tụ điện thường có điện dung rất cao và dòng điện rò rỉ cũng cao.

Các yếu tố phụ thuộc đối với dòng rò rỉ tụ điện

Dòng điện rò rỉ tụ điện thường phụ thuộc vào bốn yếu tố dưới đây:

1. Lớp điện môi
2. Nhiệt độ môi trường
3. Nhiệt độ lưu trữ
4. Điện áp đặt

1. Lớp điện môi hoạt động không bình thường

Cấu tạo tụ điện đòi hỏi một quá trình hóa học. Vật liệu điện môi là ngăn cách chính giữa các tấm dẫn điện. Vì chất điện môi là chất cách điện chính, nên dòng điện rò có những phụ thuộc chính với nó. Do đó, nếu chất điện môi được tôi luyện trong quá trình sản xuất, nó sẽ trực tiếp góp phần làm tăng dòng điện rò rỉ. Đôi khi, các lớp điện môi có tạp chất, dẫn đến sự yếu đi của lớp. Một chất điện môi yếu hơn làm giảm dòng điện, điều này tiếp tục góp phần làm chậm quá trình oxy hóa. Không chỉ vậy, ứng suất cơ học không phù hợp cũng góp phần vào sự suy yếu điện môi trong tụ điện.

2. Nhiệt độ môi trường

Tụ điện có định mức về nhiệt độ làm việc. Nhiệt độ làm việc có thể dao động từ 85 độ C đến 125 độ C hoặc thậm chí hơn. Vì tụ điện là một thiết bị có cấu tạo hóa học nên nhiệt độ có mối quan hệ trực tiếp với quá trình hóa học bên trong tụ điện. Dòng rò thường tăng khi nhiệt độ môi trường đủ cao.

3. Lưu trữ của Tụ điện

Tích trữ tụ điện trong thời gian dài mà không có hiệu điện thế sẽ không tốt cho tụ điện. Các nhiệt độ lưu trữ cũng là một yếu tố quan trọng đối với dòng rò. Khi các tụ điện được lưu trữ, lớp oxit bị tấn công bởi vật liệu điện phân. Lớp oxit bắt đầu tan trong vật liệu điện phân. Quá trình hóa học khác nhau đối với các loại vật liệu điện phân khác nhau. Chất điện phân gốc nước không ổn định trong khi chất điện phân gốc dung môi trơ đóng góp ít hơn dòng điện rò rỉ do giảm lớp ôxy hóa.

Tuy nhiên, dòng điện rò này là tạm thời vì tụ điện có đặc tính tự phục hồi khi đặt vào điện áp. Trong quá trình tiếp xúc với điện áp, lớp oxy hóa bắt đầu tái tạo.

4. Điện áp áp dụng

Mỗi tụ điện có định mức điện áp. Do đó, việc sử dụng tụ điện cao hơn điện áp định mức là một điều không tốt. Nếu điện áp tăng, dòng rò cũng tăng. Nếu điện áp trên tụ điện cao hơn điện áp định mức, phản ứng hóa học bên trong tụ điện tạo ra Khí và làm suy giảm chất điện phân.

Nếu tụ điện được lưu trữ trong một thời gian dài, chẳng hạn như trong nhiều năm, tụ điện cần được khôi phục về trạng thái làm việc bằng cách cung cấp điện áp danh định trong một vài phút. Trong giai đoạn này, lớp oxy hóa lại tích tụ và khôi phục tụ điện ở giai đoạn hoạt động.

Làm thế nào để giảm dòng rò rỉ tụ điện để cải thiện tuổi thọ của tụ điện

Như đã thảo luận ở trên, một tụ điện có sự phụ thuộc với nhiều yếu tố. Câu hỏi đầu tiên là tuổi thọ của tụ điện được tính như thế nào? Câu trả lời là tính thời gian cho đến khi hết chất điện phân. Chất điện phân được tiêu thụ bởi lớp oxy hóa. Dòng rò rỉ là thành phần chính để đo mức độ cản trở của lớp ôxy hóa.

Vì vậy, việc giảm dòng điện rò rỉ trong tụ điện là một thành phần quan trọng hàng đầu đối với tuổi thọ của tụ điện.

1. Sản xuất hoặc nhà máy sản xuất là nơi đầu tiên của vòng đời tụ điện, nơi các tụ điện được sản xuất cẩn thận để có dòng điện rò rỉ thấp. Cần phải có biện pháp phòng ngừa để lớp điện môi không bị hỏng hoặc bị cản trở.

2. Giai đoạn thứ hai là lưu trữ. Tụ điện cần được bảo quản ở nhiệt độ thích hợp. Nhiệt độ không thích hợp ảnh hưởng đến chất điện phân của tụ điện, làm giảm chất lượng lớp ôxy hóa. Đảm bảo vận hành tụ điện ở nhiệt độ môi trường thích hợp, nhỏ hơn giá trị lớn nhất.

3. Trong giai đoạn thứ ba, khi tụ điện được hàn trên bo mạch, nhiệt độ hàn là yếu tố then chốt. Bởi vì đối với tụ điện, nhiệt độ hàn có thể trở nên đủ cao, hơn nhiệt độ sôi của tụ điện. Nhiệt độ hàn ảnh hưởng đến các lớp điện môi trên các chân dẫn và làm suy yếu lớp oxy hóa dẫn đến dòng điện rò rỉ cao. Để khắc phục điều này, mỗi tụ điện đi kèm với một bảng dữ liệu trong đó nhà sản xuất cung cấp xếp hạng nhiệt độ hàn an toàn và thời gian tiếp xúc tối đa. Người ta cần phải cẩn thận về các xếp hạng đó để hoạt động an toàn của tụ điện tương ứng. Điều này cũng áp dụng cho các tụ điện của Thiết bị gắn trên bề mặt (SMD), nhiệt độ cao nhất của quá trình hàn nóng lại hoặc hàn sóng không được vượt quá định mức tối đa cho phép.

4. Vì điện áp của tụ điện là một yếu tố quan trọng, điện áp của tụ điện không được vượt quá điện áp định mức.

5. Cân bằng tụ điện trong kết nối Series. Kết nối loạt tụ điện là một công việc hơi phức tạp để cân bằng dòng điện rò rỉ. Điều này là do sự mất cân bằng của dòng điện rò rỉ phân chia điện áp và phân chia giữa các tụ điện. Điện áp phân chia có thể khác nhau đối với mỗi tụ điện và có thể có khả năng điện áp trên một tụ điện cụ thể có thể vượt quá điện áp danh định và tụ điện bắt đầu hoạt động sai.

Để khắc phục tình trạng này, hai điện trở có giá trị cao được thêm vào trên từng tụ điện để giảm dòng rò.

Trong hình ảnh dưới đây, kỹ thuật cân bằng được hiển thị trong đó hai tụ điện mắc nối tiếp được cân bằng bằng cách sử dụng điện trở có giá trị cao.

Bằng cách sử dụng kỹ thuật cân bằng, sự chênh lệch điện áp bị ảnh hưởng bởi dòng điện rò rỉ có thể được kiểm soát.