Tụ điện là linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi nhất, có sản lượng lớn nhất và không thể thay thế. Sản lượng tụ điện chiếm khoảng 40% tổng số linh kiện điện tử, trong đó tụ điện nhôm điện phân chiếm 36,8% sản lượng của ba loại tụ điện chính (tụ điện điện phân, tụ gốm và tụ phim hữu cơ). Trong 10 năm qua, tụ điện điện phân là một trong những linh kiện phát triển nhanh nhất ở Trung Quốc. Hiện tại, tổng sản lượng hàng năm của tụ điện điện phân trong nước gần 25 tỷ chiếc, với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm là 28%, chiếm 1/3 sản lượng tụ điện điện phân toàn cầu.
Trong quá trình phát triển, tụ điện nhôm điện phân đã cải tiến để phù hợp với các mạch tích hợp, mạch điện hoàn chỉnh và những loại tụ điện khác trong các ứng dụng điện áp cao, tần số cao, tuổi thọ dài và dung lượng nhỏ (như tụ gốm đa lớp, tụ phim kim loại hóa, tụ điện tantalum…). Bản thân tụ điện nhôm điện phân cũng liên tục được cải tiến và đổi mới. Đặc biệt, với sự phát triển của khoa học công nghệ, sự gia tăng nhu cầu xã hội, cải thiện môi trường và sự ra đời của các thiết bị mới, các ứng dụng trong lĩnh vực thu nhỏ, dạng chip, điện áp trung bình và cao, cũng như dung lượng lớn của tụ điện nhôm điện phân ngày càng mở rộng và có nhu cầu ngày càng cao. Do đó, tụ điện nhôm điện phân không chỉ không bị thu hẹp mà còn có sức sống mạnh mẽ hơn và không gian phát triển rộng lớn hơn, với tốc độ tăng trưởng nhanh hơn.
1. Cấu trúc và đặc điểm hiệu suất của tụ điện nhôm điện phân
Tụ điện nhôm điện phân được chế tạo từ lá nhôm cực dương đã bị ăn mòn và tạo màng oxit, lá nhôm cực âm cũng bị ăn mòn, được phân tách bằng giấy điện phân, cuộn lại, sau đó được ngâm tẩm với chất điện phân hoạt động và cuối cùng được niêm phong trong một vỏ nhôm. Các đặc điểm hiệu suất của nó được mô tả dưới đây.
1.1 Dung lượng trên mỗi đơn vị thể tích rất lớn
Dung lượng của tụ điện được tính theo công thức:
C=ε0εrSdC = varepsilon_0 varepsilon_r frac{S}{d}
Trong đó:
- ε0varepsilon_0 là hằng số điện môi chân không (hằng số),
- εrvarepsilon_r là hằng số điện môi tương đối của vật liệu điện môi (εr=8−10varepsilon_r = 8 – 10),
- SS là diện tích hiệu dụng của điện cực,
- dd là độ dày của vật liệu điện môi.
Đối với tụ điện nhôm điện phân, diện tích bề mặt của lá nhôm cực dương và cực âm có thể tăng lên hàng chục đến hàng trăm lần thông qua quá trình ăn mòn. Độ dày dd có thể được biểu diễn bằng:
d=αVfd = alpha V_f
với α≈1.4nm/Valpha approx 1.4nm/V và VfV_f từ 10V đến 600V, thì dd dao động từ 0.014μm đến 0.9μm, nhỏ hơn hàng chục đến hàng trăm lần so với các loại tụ điện khác. Do đó, dung lượng trên mỗi đơn vị thể tích của tụ điện nhôm điện phân lớn hơn gấp nhiều lần so với các tụ điện khác.
1.2 Dung lượng danh định rất lớn
Do tụ điện điện phân có cấu trúc dạng cuộn, nên dễ dàng tăng thể tích, giúp đạt được dung lượng danh định từ hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn microfarad một cách dễ dàng.
1.3 Có khả năng tự phục hồi
Bên trong tụ điện có chất điện phân. Khi lớp điện môi trên lá nhôm cực dương bị hư hỏng trong quá trình hoạt động, các ion O₂⁻, OH⁻ hoặc ion axit trong chất điện phân sẽ nhanh chóng di chuyển đến vị trí hư hỏng dưới tác động của điện trường, sửa chữa lớp màng oxit bị tổn hại và đưa tụ điện trở về trạng thái bình thường.
1.4 Cường độ điện trường làm việc cao
Trong quá trình hình thành lớp oxit cực dương, lớp màng oxit phát triển với tốc độ khoảng 1.4nm/V, dẫn đến cường độ điện trường khoảng 7×107V/cm7 times 10^7 V/cm, và trong trạng thái hoạt động là khoảng 5×107V/cm5 times 10^7 V/cm, cao hơn nhiều so với tụ điện gốm và tụ điện phim.
1.5 Giá thành cạnh tranh
Nguyên liệu chính để sản xuất tụ điện nhôm điện phân là các vật liệu công nghiệp thông thường, thiết bị sản xuất cũng là thiết bị công nghiệp phổ biến và mức độ tự động hóa cao, do đó chi phí sản xuất thấp, đặc biệt là chi phí sản xuất trên mỗi đơn vị dung lượng thấp hơn đáng kể so với các loại tụ điện khác.
2. Nhược điểm của tụ điện nhôm điện phân
2.1 Có cực tính và khả năng rò rỉ
Do tụ điện điện phân có cực tính, khi sử dụng cần chú ý kết nối đúng cực dương và cực âm. Nếu đấu ngược, không chỉ không sử dụng được mà còn gây dòng rò lớn, làm nóng bên trong tụ điện, phá hủy lớp màng oxit và dẫn đến hư hỏng. Ngoài ra, do được bịt kín bằng vỏ nhôm và nắp cao su, khi chất điện phân bay hơi do nhiệt, nó có thể thoát ra ngoài và sau thời gian dài, chất điện phân sẽ khô đi, làm tụ điện mất khả năng hoạt động.
2.2 Hệ số tổn hao cao, đặc tính nhiệt độ và tần số kém
Chất điện phân trong tụ điện nhôm điện phân là chất dẫn ion, có tốc độ di chuyển của ion chậm hơn nhiều so với electron, dẫn đến điện trở nối tiếp tương đương (ESR) cao hơn so với các tụ điện khác. Điều này khiến hệ số tổn hao lớn và đặc tính tần số kém.
2.3 Dễ bị lão hóa
Chất điện phân trong tụ điện có thể gây ăn mòn nhẹ lớp oxit cực dương và nắp cao su, đồng thời có thể xảy ra phản ứng hóa học giữa muối điện phân và dung môi theo thời gian, làm suy giảm hiệu suất của tụ điện.
3. Tiềm năng phát triển của tụ điện nhôm điện phân
Dù có một số hạn chế, tụ điện nhôm điện phân vẫn chiếm hơn 30% thị phần nhờ vào dung lượng cao và giá thành thấp. Sự phát triển của công nghệ điện tử, đặc biệt trong điện tử ô tô và công nghệ chuyển đổi tần số, đang làm tăng đáng kể nhu cầu sử dụng tụ điện nhôm điện phân.
3.1 Sự phát triển của vi mạch (IC) không thể thay thế tụ điện nhôm điện phân
Dù một số tụ điện nhỏ có thể được tích hợp vào vi mạch, nhưng bộ nguồn của mạch IC vẫn cần tụ điện nhôm điện phân. Hơn nữa, sự cải tiến về hiệu suất của tụ điện nhôm điện phân giúp mở rộng ứng dụng sang các lĩnh vực khác.
3.2 Xu hướng thu nhỏ mạch điện làm thay đổi mô hình tụ điện nhôm điện phân
Sự thu nhỏ của nguồn chuyển mạch và hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng cao khiến tần số hoạt động của nguồn ngày càng cao, đòi hỏi tụ điện có điện trở nối tiếp thấp hơn để lọc nhiễu hiệu quả.
3.3 Các loại tụ điện khác không thể thay thế hoàn toàn tụ nhôm điện phân
Dù tụ gốm, tụ phim và tụ tantalum có những ưu điểm riêng, nhưng tụ nhôm điện phân vẫn giữ vị thế quan trọng trong các ứng dụng điện áp trung bình và cao.
Tóm lại, với sự bùng nổ của ngành công nghiệp điện tử, tụ điện nhôm điện phân đang có cơ hội phát triển chưa từng có và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử toàn cầu.