5. CONDENSATOARE

Condensatorul electric este definit [7] ca un sistem format din dou suprafee conductoare (armturi) ncrcate cu sarcini electrice egale n valori absolute i de semne contrare, ntre care se afl un dielectric.

Dac la bornele unui condensator se aplic o tensiune electric constant, printr-o rezisten de limitare, prin circuitul va trece un curent care descrete exponenial. La aplicarea unei tensiuni variabile n timp (de exemplu: sinusoidal) la bornele condensatorului, n circuit se stabilete un curent de deplasare a crui valoare depinde de capacitate (direct proporional).

Condensatoarele se caracterizeaz prin nmagazinarea energiei electrice, prin acumularea de sarcin electric la o anumit diferen de potenial n cmp electric constant, iar n regim variabil se caracterizeaz printr-o reactan capacitiv.

5.1. Generaliti. Clasificarea condensatoarelor

n decursul timpului s-au ncercat diverse variante de construcie a condensatoarelor, folosind o varietate mare de materiale dielectrice i de forme ale armturilor. Acesta, deoarece nu exist un dielectric perfect care s poat fi utilizat n mod universal n orice condiii de lucru: frecven, tensiune, temperatur, fiabilitate, gabarit, etc.

Raportul dintre valoarea sarcinii electrice Q a unei armturi i diferena de potenial dintre armturi U=V1-V2 reprezint capacitatea electric a condensatorului. Simbolurile folosite pentru condensatoare sunt prezentate n figura 5.1, pentru condensatoare fixe: a) nepolarizate, b), c) polarizate, condensatoare reglabile: d) variabile, e), f) semireglabile. Expresia capacitii electrice a condensatorului este:

CQ

U= (5.1)

Noiunea de capacitate se poate interpreta ca proprietatea sistemului armturi-dielectric de a

acumula energie electric We:

WC U

e = 2

2 (5.2)

n regim variabil, ntre tensiunea u c de la bornele condensatorului i curentul i care strbate condensatorul exist relaia:

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 122

uC

i dtc = 1

(5.3)

Capacitatea C a unui condensator plan este dat de relaia:

CS

d

S

dr=

=

0 (5.4)

unde: =0 r - permitivitatea electric absolut; 0 =permitivitatea electric a vidului; r = permitivitatea relativ a dielectricului; S = suprafaa armturilor condensatorului; d = distana dintre armturi.

Unitatea de msur a capacitii electrice este faradul [F]. Un condensator electric are capacitatea de un farad [1F], dac la o diferen de potenial de 1V ntre armturi, se ncarc cu o sarcin electric de 1C. Deoarece, faradul este o unitate de msur prea mare pentru construciile practice de condensatoare, se utilizeaz submultiplii acestuia:

1F=10-6 F; 1nF=10-9 F; 1pF=10-12 F.

Clasificarea condensatoarelor se poate face dup urmtoarele criterii: Dup modul de construcie se ntlnesc condensatoare fixe la care valoarea este stabilit n procesul de fabricaie, reglabile i variabile la care valoarea se poate modifica n procesul utilizrii ntre anumite limite; Dup natura dielectricului: gaz, lichid, solid (organic, anorganic); Dup tipul de dielectric: aer, hrtie, folie plastic, ceramic, mic, sticl, oxid metalic, etc. Dup valoarea tensiunii nominale: de joas tensiune (U500V).

n funcie de modul de realizare practic se ntlnesc mai multe variante constructive de condensatoare, dintre care cele mai utilizate sunt (tabelul 5.1) urmtoarele:

Varianta de condensator plan se ntlnete n construcia condensatoarelor cu capaciti de valori mici i medii, avnd ca dielectric: aer, materiale ceramice, mic, sticl, etc. Aceste condensatoare au inductivitate parazit mic, fiind destinai circuitelor de radiofrecven i decuplrii etajelor cu tranzistoare.

a) b) c)

d) e) f)

Fig.5.1. Simbolizarea condensatoarelor

CONDENSATOARE 123

Varianta multistrat, care const din mai multe condensatoare tip plan (n condensatoare plane) conectate n paralel. Se pot obine, n acest fel, valori mai mari ale capacitii, la caracteristici apropiate de cele ale condensatoarelor plane. Varianta de condensator cilindric se ntlnete la construcia condensatoarelor cu dielectrici materiale ceramice i oxizi metalici (condensatoarele electrolitice). Varianta de condensator bobinat se ntlnete la construcia condensatoarelor cu dielectrici, care se pot compacta prin roluire, aa cum sunt foliile din hrtie i din materiale plastice. Datorit modului de realizare (prin bobinare) aceste condensatoare prezint inductiviti parazite, ceea ce face ca domeniul de frecven n care se pot utiliza s fie limitat. Micorarea inductivitilor parazite, determinate de nfurarea armturilor, se obine n unele cazuri prin decalarea lateral a armturilor i scurcircuitarea prin metalizare a capetelor acestora (varianta neinductiv).

Tabelul 5.1. Forme constructive de condensatoare Varianta

constructiv Form Relaii de calcul

PLAN

CILINDRIC

BOBINAT

d

SC r = 02

d

SC r

0=

d

S

d

S

i

e

r

D

Dln

lC

= 0

2

Metalizare

Neinductiv Inductiv

2d

S

l

Di De

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 124

MULTISTRAT

O construcie compact a condensatoarelor (tabelul 5.1) se obine prin:

bobinarea armturilor mpreun cu dielectricul; conectarea n paralel a mai multor condensatoare plane (varianta multistrat); folosirea de materiale dielectrice caracterizate printr-o valoare mare a permitivitii

relative r (de exemplu: polimeri i ceramice feroelectrice).

5.2. Caracteristicile condensatoarelor. Parametrii

Caracteristicile condensatoarelor depind n cea mai mare msur de cele ale materialului

dielectric folosit. Obinerea unui condensator cu gabarit specific redus (raport gabarit / capacitate), care s poat funciona la o anumit valoare a tensiunii, implic folosirea de materiale dielectrice la care: permeabilitatea electric relativ r, rezistivitatea de volum v i rigiditatea dielectric Estr trebuie s aib valori ct mai mari posibil. Proprietile electrice ale dielectricilor pentru condensatoare n varianta ideal i real se prezint n tabelul 5.2. Tabelul 5.2 Proprietile electrice ale dielectricilor de condensator

Proprieti ideal real

r foarte mare () 2 104

rezistivitatea [ m] foarte mare () 1010 1018

Estr[kV/cm] foarte mare () 100 15.000 n afar de proprietile electrice ale dielectricilor acestea trebuie s aib proprieti tehnologice, adic s se poat prelucra sub form de benzi sau folii de grosimi ct mai reduse (de ordinul m). Astfel, pentru construcia condensatoarelor se folosesc urmtoarele categorii de materiale:

- aer sau gaze; - ulei; - materiale solide (hrtie, folii din materiale plastice, ceramic) - oxizi metalici i pelicule semiconductoare.

La realizarea condensatoarelor fixe se utilizeaz de obicei, dielectricii solizi. Aceste condensatoare se pot mprii n dou grupe:

- condensatoare avnd dielectrici sub form de folii sau benzi subiri (hrtie, folie plastic, mic, etc.) i cu suprafaa mare a armturilor;

- condensatoare cu suprafa mic a armturilor, dar cu dielectrici cu permeabilitate foarte mare (condensatoarele ceramice i electrolitice).

Pentru condensatoare variabile i semivariabile funcia de dielectric o ndeplinete aerul sau materiale solide: mica, ceramica, folii din materiale plastice. Cele mai bune caracteristici electrice se obin la cele cu dielectric aer.

d

SnC r

0=

S

CONDENSATOARE 125

Parametrii principali ai condensatoarelor sunt:

Capacitatea nominal (Cn) corespunde valorii pentru care a fost fabricat condensatorul, valoare care este marcat, de obicei, pe corpul condensatorului. Valoarea nominal se determin n condiii specificate: o anumit valoare a tensiunii i frecvenei tensiunii alternative aplicate la borne, temperatura de 200 C, etc. Valorile capacitii nominale ale condensatoarelor sunt valori normate, situate n serii de valori, la fel ca la rezistoarele fixe.

Pentru obinerea unei capaciti specifice ct mai mari (capacitate /volum) este necesar ca

raportul r S

d

s aib valoare mare, respectiv permitivitatea dielectricului i suprafaa

armturilor s aib valori ridicate, iar grosimea d a dielectricului ct mai mic. Marcarea valori nominale la condensatoare se face, ca i la rezistoare, att n clar, prin imprimarea valorii capacitii nominale pe corpul condensatorului sau codificat (codul culorilor conform recomandrilor CEI-62 sau prin simboluri alfanumerice normalizate internaional sau specifice unui anumit productor). Tolerana capacitii nominale (%) indic abaterile maxim admisibile ale valorii reale a capacitii de la valoarea nominal. La valorile nominale Cn 1F (condensatoare electrolitice), se folosesc, uzual, valorile nominale: 1; 2; 3; 4; 5; 8; 16; 25, 32; 50; 100F etc. cu tolerane ntre -40% +100%.. Indicarea toleranei se face n funcie de modul de marcare al valorii nominale, respectiv n clar sau n cod.

De exemplu: la condensatoarele ceramice marcate n codul culorilor (cu 5 benzi) tolerana este codificat prin ultima band colorat, astfel: verde=5%; alb=10%; negru=20%. Tensiunea nominal (Vn) reprezint valoarea maxim a tensiunii continue sau alternative (valoare efectiv) maxime la care condensatorul nu se strpunge la o funcionare ndelungat. Dielectricul, prin natura sa, caracterizat prin rigiditatea dielectric Estr a materialului i prin grosime, determin valoarea maxim a tensiunii ce se poate aplica la bornele condensatorului. La depirea intensitii cmpului electric Estr apare fenomenul de strpungere al dielectricului ( E U dstr str= ) i prin aceasta n majoritatea cazurilor condensatorul iese din funciune.

Strpungerea gazelor este condiionat de fenomenul de ciocnire i ionizare. Dac energia cinetic a ionilor liberi din gaz, sub influena cmpului electric, crete pn la o anumit limit, acetia pot prin ciocnire cu moleculele gazului ali ioni. n acest fel conductivitatea gazului crete foarte mult. Strpungerea gazului se produce brusc, dac cmpul electric din condensator este uniform. Dac cmpul electric este neuniform strpungerea este precedat de descrcri pariale (efect corona). Rigiditatea dielectric a gazului crete odat cu creterea presiunii gazului.

Strpungerea dielectricilor solizi poate fi de trei tipuri: strpungere electric, strpungere termic i strpungere electrochimic. Strpungere electric const n apariia unei avalane de electroni n corpul solid i se caracterizeaz printr-un timp foarte scurt (10-710-8s), procesul fiind independent de energia termic. Dielectricul se distruge iniial printr-un canal ngust. Strpungerea electrochimic apare n condiii de temperatur ridicat i umiditate mrit.

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 126

Valorile tensiunii nominale la care se realizeaz condensatoarele fixe sunt valori tipizate. Astfel, pentru tipurile constructive de condensatoare se folosesc uzual n circuite electronice (de joas tensiune), urmtoarele valori:

6, 12, 16, 25, 63, 70, 125, 250, 350, 450, 500, 650, 1000V. Se realizeaz ns pentru circuitele de nalt tensiune i condensatoare avnd tensiuni

nominale de ordinul kVzeci kV. Valoarea tensiunii alternative Umax este limitat de puterea activ maxim Pmax, putere

determinat de pierderile n dielectricul condensatorului, pe care o poate disipa condensatorul. Valoarea puterii disipate maxime Pmax depinde de volumul condensatorului i de temperatura ambiant [20]. Tangenta unghiului de pierderi (tg) reprezint raportul dintre puterea activ i puterea reactiv a condensatorului determinat i msurat n condiii specificate (de tensiune, de frecven a tensiunii alternative aplicate la borne i de temperatur, etc.). La funcionarea cu tensiune sinusoidal cu pulsaia , condensatorul avnd rezistena de pierderi Rp (n dielectric i n izolaie - schema echivalent paralel) tangenta unghiului de pierderi tgp sau cu r (schema echivalent serie) tgs se determin, n funcie de schema echivalent, cu una din relaiile:

tgC Rp p

=1

; tg r Cs = (5.5)

Unghiul reprezint complementul (abaterea) unghiului de defazaj dintre tensiunea i curentul din circuitul unui condensator real. Un condensator real se apropie cu att mai mult de un condensator ideal (tg=0), cu ct tangenta unghiului de pierderi tg are o valoare mai mic. Valorile uzuale ale unghiului se situeaz ntre cteva minute pn la cteva grade. Inversul tangentei unghiului de pierderi tg poart numele de factorul de calitate al condensatorului Q (Q=1/tg). Puterea disipat P n condensator n regim sinusoidal este:

tgPP R = (5.6) unde, puterea reactiv IUPR = se calculeaz cu valorile efective ale tensiunii i curentului. Tangenta unghiului de pierderi (tg) pentru condensatoare cu dielectric folie (plastic, hrtie) depinde de frecvena de lucru f conform relaiei:

tg tg K f < + 0 (5.7)

Valorile tipice pentru mrimile de calcul folosite n relaia (5.7), la condensatoarele de putere cu polipropilen - cod MKP, styroflex - cod KS , poliester metalizat - cod MKT i hrtie metalizat - cod MP sunt indicate n tabelul 5.3 (codificarea tipului de condensator este conform CEI). Tabelul 5.3 Valorile tipice pentru mrimile de calcul tg0 i K

CONDENSATOARE 127

Tip condensator

MKP i KS MKT MP

tg0 (0,2...0,8).10-3 10.10-3 13.10-3

K (10...30). 10-3 Modificarea proprietilor electrice ale dielectricului cu temperatura sau cu frecvena cmpului electric aplicat, determin i modificri ale tg n funcie de aceste mrimi. Variaia pierderilor cu temperatur tg =f(T), respectiv cu frecvena tg =f[f(Hz)] se indic de ctre productori, de obicei sub form grafic, pentru tipurile constructive de condensatoare [14], [22]. Rezistena de izolaie (Riz) corespunde rezistenei electrice dintre armturi, valoare ce se obine prin raportul dintre tensiunea continu aplicat condensatorului i curentul care l parcurge, msurat la un minut de la aplicarea tensiunii, la temperatura de 200C. La condensatoarele cu Cn>0,1F se indic n locul rezistenei de izolaie, constanta de timp

nizs CRT = (s). Aceast mrime este corelat cu timpul de ncrcare sau de descrcare al unui

condensator. Dac se are n vedere legea de descrcare (ncrcare) a unui circuit RC, dup un interval de timp t3 Ts tensiunea la bornele sale este sub 5% din valoarea tensiunii de ncrcare (descrcare). La condensatoarele cu dielectrici din oxizi metalici (condensatoare electrolitice) n locul rezistenei de izolaie se indic curentul de fug If. Acesta reprezint curentul de conducie care trece prin condensator n regim permanent, cnd ntre terminale se aplic o tensiune continu, curent msurat dup un timp specificat, din momentul aplicrii tensiunii (1min. sau 5 min.). Rezistena de izolaie variaz mult de la un condensator la altul, chiar pentru acelai tip de dielectric. La legarea n serie a condensatoarelor, acestea trebuie legate n paralel cu rezistene de egalizare, deoarece n caz contrar tensiunile de pe condensatoare s-ar repartiza proporional cu rezistenele de izolaie, ceea ce ar duce la strpungerea condensatorului cu rezisten de izolaie mai mare. Coeficientul de temperatur al capacitii T reprezint variaia relativ a capacitii la variaia corespunztoare a temperaturii:

TC

C

n

T

= [1/0C] (5.8)

unde: C - reprezint variaia capacitii;

T - reprezint variaia temperaturii (din domeniul temperaturilor de utilizare). Un dielectric de condensator, se caracterizeaz pe lng tensiunea de strpungere, prin

dependena (stabilitatea) permitivitivitii de temperatur. Aceast caracteristic se include n coeficientul de variaie a capacitii de temperatur c[% K-1]. (relaia 5.8). n unele cazuri, exprimarea coeficientului de temperatur T se face n ppm/0C (pri per milion/ grd, 1ppm= 10-6

). Pentru condensatoarele ceramice, marcate n codul culorilor, cu 4 sau 5 benzi, coeficientul de temperatur se codific prin prima band (ncepnd dinspre terminale), aa cum se indic in tabelul 5.10.

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 128

Pentru funcionare normal un condensator trebuie s se utilizeze n gama de temperaturi nominale indicat de productor, respectiv intervalul temperaturilor nominale. Acest interval, care depinde de natura dielectricului este de obicei asimetric (minmax): (-100C; +700C) pentru condensatoare cu hrtie cerat i polistiren; (-400C; +850C) pentru condensatoare cu hrtie uleiat, cu mylar i ceramice; (-250C; +850C) pentru condensatoare electrolitice cu aluminiu (Al2O3); (-400C; +1000C) pentru condensatoare cu policarbonat metalizat. (-400C; +1250C) pentru condensatoare electrolitice cu aluminiu Al2O3 i cu tantal (Ta2O5).

La conectarea n paralel a dou condensatoare C1 i C2, avnd coeficienii de temperatur T1 i T2 coeficientul de temperatur al ansamblului TP se determin cu relaia:

21

2211

CC

CC TTTP +

+=

(5.9)

iar pentru aceleai condensatoare legate n serie coeficientul de temperatur TS:

21

1221

CC

CC TTTS +

+=

(5.10)

n tabelul 5.4 se indic principalele caracteristici electrice ale unor materiale dielectrice,

frecvent utilizate n construcia condensatoarelor fixe: permitivitivitatea relativ r., tangenta unghiului de pierderi tg, coeficientul de temperatur al permitivitii , rezistivitatea n curent continuu dc, frecvena maxim de utilizare fmax, rigiditatea dielectric Estr. i temperatura maxim de funcionare Tmax. S-au folosit urmtoarele abrevieri: PET-poliester (hostafan, mylar, melinex, polietilentereftalat), PC- policarbonat (macofol), PS- polistiren (styroflex), PP- polipropilen , X7R i X5U- codul dielectricilor ceramici care au la baz titanatul de bariu.

Tabelul 5.4 Caracteristici ale unor dielectrici pentru condensatoare

Dielectrici r tg* T [K-1]106

dc [cm]

fmax [MHz]

Estr [MV/m]

Tmax [0C]

Hrtie 6 0,01 +250 4 1015 0,5 120 100 Mic 5-8 0,0001 +30 1017 1000 500 200 Al2O3 8,5 6 10

4

390 85

Ta2O5

27,3

0,1-0,05*

2 106

1500

200

PET 3,2 0,004 +125 4 1017 2 160 125 PC 2,8 0,002 +50 2. 1017 1 180 150 PS 2,4 0,0001 -200 4. 1017 2500 75 70

Polimeri

PP 2,3 0,0005 -150 4 1017 340 90 X7R 1800 0,02 1000- 1014 25 1535 85 NPO 60 0,001 +300 1014 70 1535 85

Ceramici

Tip 1 Z5U 6000 0,03 1000 1013 2 1535 85

CONDENSATOARE 129

Ceramici Tip 2

7 .102 104

1012 1535 85

Valoarea tg este determinat la frecvena de 1kHz, iar la electrolitici * la 50 Hz.. Categoria climatic caracterizeaz comportarea condensatorului la aciunile mediului ambiant. Se definesc urmtoarele caracteristici climatice: rezistena la variaii rapide de temperatur, rezistena la ciclul climatic i rezistena la cldur umed de lung durat. Se indic printr-un format din trei grupe de cifre, dispuse astfel: primul grup indic gradul de severitate la ncercarea la frig; al doilea grup indic gradul de severitate pentru ncercarea la cldur uscat; al treilea grup de cifre indic gradul de severitate pentru proba de cldur umed de lung durat. Valorile primelor dou grupe coincid, de obicei, cu extremitile intervalului temperaturilor de lucru minmax. De exemplu:

40/100/21 reprezint gama de temperatur -400C...+1000C, 21 de zile. Condensatoare reglabile (variabile sau ajustabile) se caracterizeaz, n mare parte, prin aceiai parametrii ca i cele fixe, dar i prin parametrii suplimentari legai de modificarea capacitii i anume: - Legea de variaie a capacitii C=C(Cmin, Cmax, ) este o caracteristic a condensatoarelor variabile (tabelul 5.11). Legea de variaie exprim dependena capacitii de valorile limit Cmin, Cmax i unghiul de rotaie . Aceast lege de variaie, care poate fi: liniar, exponenial, variaie liniar pentru frecvena de acord a unui circuit acordat LC, variaie liniar pentru lungimea de und de unui circuit acordat LC, se stabilete prin construcie, n funcie de utilizrile condensatoarelor variabile (tabelul 5.11). - Momentul de acionare-reprezint valoarea cuplului mecanic necesar pentru acionarea elementului de comand al rotorului.

- Rezistena de contact - reprezint rezistena electric ntre terminalul de mas i rotor.

5.3. Modelarea condensatoarelor Condensatorul real se caracterizeaz, pe lng capacitatea electric C (determinat de geometria constructiv, natura dielectricului - relaia 5.4) i prin elemente parazite ale cror valori depind de varianta constructiv a condensatorului i de tehnologia de fabricaie.

Schema echivalent a condensatorului real (fig.5.2) conine: capacitatea C=rC0 (C0 capacitatea fr dielectric ntre armturi) n paralel cu rezistenele de pierderi: Rp a materialului dielectric (Rp =1 C tg ), rp - rezistena stratului de protecie. n serie se introduce rezistena armturilor i a terminalelor rs, mpreun cu L inductivitatea echivalent a terminalelor i a armturilor. Aceast schem poate fi transformat, prin conectarea elementelor, ntr-o schem echivalent serie sau paralel. (fig. 5.3 i fig. 5.5). Inductivitatea parazit L se datoreaz legturilor electrice din interiorul condensatorului, precum i cmpului magnetic din condensator.

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 130

Fig. 5.2. Schema echivalent a condensatorului real

Impedana complex Z 12

a condensatorului real, avnd schema echivalent din figura 5.2 i

innd seama de expresia (5.5), se determin cu relaia:

+

+

+

+

++=++

++=

2

121

1

11

11

tgCr

Cj

tgCr

j

LjrtgC

rCj

LjrZ

p

p

s

p

s (5.11)

Notnd:

tg = 1

r Cp - tangenta unghiului de pierderi n rezistena paralel;

( )++= 21 tgtgCC Pe capacitatea echivalent; esS Crtg = - tangenta unghiului de pierderi n rezistena serie.

Impedana complex ia forma:

( )

( )

e

ePS

ee

ps

LC

Cj

tgtgtgCCj

tgtgjLjrZ

2

12

1

111

+++

=

++++=

(5.12)

Prin identificarea relaiei (5.12) cu schema echivalent serie a condensatorului (fig.5.3.a), rezult parametrii schemei echivalente serie:

e

eS

LC

CC

=

21 ;

e

CS C

tgR

= cu tgtgtgtg SP ++=

Schema echivalent serie (fig. 5.3.a) a condensatorului real conine rezistena RS n serie cu capacitatea CS. Impedana echivalent serie sZ a condensatorului se pune sub forma:

sss Cj

RZ

+=1

(5.13)

rp

rS L

C Rp

tgCRp

=

1

CONDENSATOARE 131

a.) Comportarea cu frecvena a condensatorului real

Notnd cu eLC

10 = pulsaia proprie de rezonan, capacitatea echivalent serie rezult:

2

0

1

= eSC

C (5.14)

Din relaia (5.14) se observ c capacitatea echivalent serie erS CC i crete odat cu

creterea frecvenei. Capacitatea echivalent serie poate fi considerat egal cu capacitatea

echivalent Ce pentru frecvene mult mai mici dect pulsaia de rezonan

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 132

Avnd n vedere aceste dependene, n funcie de domeniul de frecven al circuitului n care se utilizeaz, se alege tipul de condensator la care elementele parazite sunt minime. Pentru a uura aceast alegere unii productori de componente [14], [22] indic dependena frecvenei de rezonan de valorile capacitii f0=f(Cn) pentru diferite lungimi ale terminalelor. Prin identificarea elementelor schemei echivalente serie cu cele ale schemei echivalente paralel (fig.5.5), prin egalarea impedanelor complexe ale acestor scheme, rezult parametrii schemei echivalente paralel.

Pentru condensatorul real (cu pierderi) la care, n domeniul frecvenelor de lucru se poate neglija inductivitatea parazit, se folosete una din cele dou scheme echivalente (serie fig. 5.3. sau paralel fig. 5.5.).

La alegerea condensatoarelor pentru anumite circuite trebuie s se in seama de comportarea acestora cu frecvena, aa cum se indic n figura 5.6.

b.) Calculul tensiunii alternative maxime Valoarea tensiunii alternative a unui condensator (Vc.a.) corespunde, de obicei, valorii

tensiunii efective cu frecvena de 50 sau 60 Hz la 200C. Valoarea maxim a tensiunii alternative cu alt frecven Umax, la care poate funciona un condensator se poate determina n funcie de puterea disipat (relaia 5.6), care nu trebuie s depeasc puterea limit Pmax.

Fig.5.5. a.) Schema echivalent paralel b.) Diagrama de fazori Fig. 5.5. a) Schema echivalent paralel b) Diagrama de fazori

U

RP

CP

a)

c

c jCpU

I

U

U / RP b)

Electrolitici

Hrtie

Poliester

Polistiren

100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 f[Hz]

Ceramici

Fig. 5.6 Domeniul de utilizare al condensatoarelor n funcie de frecven

CONDENSATOARE 133

Puterea disipat ntr-un condensator real are loc n rezistena echivalent de pierderi (RS- schema serie figura 5.3. sau paralel RP schema paralel figura 5.5.). Pentru schema echivalent serie puterea P este dat de relaia:

2IRP S = (5.16)

iar, curentul I2 prin condensator, dup nlocuire ( tg= RS C ) se obine:

2

222

222

222

222

22

111 tg

UC

CR

UC

CR

UI

SS

+

=

+

=

+

= (5.17)

Puterea disipat P n dielectricul condensatorului este:

( ) 2222222

222

1UCCRUCRtgUC

tg

UCRP SSS ==+

=

(5.18)

Aproximarea fcut, n aceste calcule (CS C) este posibil, pentru frecvene mai mici

dect frecvena de rezonan

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 134

lucru se ine seama doar la temperaturi ridicate ale mediului ambiant. Depirea puterii disipate maxim admise duce la distrugerea dielectricului prin strpungere termic. Puterea disipat se poate determina cu relaia (5.16) n funcie de: frecven, tensiune i tg. Dac nu se cunoate tg la frecvena de lucru, calculul se poate efectua cu partea final a aceleiai relaii.

Factorul (RS C) este o mrime care depinde de frecven i de aceea, aceast valoare se indic (n datele de catalog ale productorului de ex. Philips, [20]) sub form grafic pentru seria constructiv de condensatoare.

Se observ (fig.5.7) c n domeniul frecvenelor joase (domeniul I,

CONDENSATOARE 135

Philips). De exemplu: HPA 30.24 4,2 F10% 220Vca 25/085/21 HPA - condensator cu hrtie uleiat pentru c.a. (fabricaie ICEP Curtea de Arge), 30.24 - reprezint varianta constructiv, parametrii Cn i Vn: 4,2 F10% 220Vca i 25/085/21 - categoria climatic. Tensiunea nominal Vn se marcheaz n clar pe corpul condensatorului, indicnd: valoarea tensiunii continue - Vdc, Vcc sau tensiune alternativ - Vrms, Vca.- valoare efectiv. Tensiunea aplicat condensatorului (valoare de vrf sau suma dintre componenta continu i alternativ) trebuie s fie inferioar tensiunii nominale Vn (la 50Hz cu-20%). Tangenta unghiului de pierderi (tg) are o valoare relativ mare (ordin 10-2), comparativ cu alte variante constructive, fiind determinat la frecvena de 50Hz sau 1kHz. Rezistena de izolaie (Riz) se determin cu urmtoarele tensiuni de msur U ( la 20

0C) [14]: - U=101V pentru Vn

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 136

Fig.5.8 Construcia condensatoarelor cu hrtie a) Mod de bobinare b) Seciune prin bobina cu armturi suprapuse c) Seciune prin bobina cu armturi decalate

Utilizrile condensatoarelor cu hrtie sunt urmtoarele: la circuitele de curent continuu i de curent alternativ de joas frecven,: filtrare, cuplare, decuplare, circuite de limitare a curentului i de compensare a factorului de putere la lmpile cu descrcri n gaze, etc.

b) Condensatoare cu dielectric hrtie metalizat (codificare: MP - metallised paper).prezint avantajul unui gabarit mai mic, comparativ cu cele cu hrtie la aceiai capacitate, deoarece armturile se obin prin metalizare direct pe dielectric (hrtia de condensator). Grosimea foarte redus a armaturilor face ca acestea s se poat vaporiza datorit cldurii degajate n cazul unui scurtcircuit (cauzat de incluziuni cu rezistivitate redus) i prin aceasta se elimin poriunea defect (autoprotecie). Condensatoare cu hrtie metalizat au urmtoarele pri componente: armturile sunt pelicule metalice subiri (zecimi de micron), care se depun n vid pe hrtie lcuit n prealabil. dielectricul este format din dou benzi de hrtie metalizat, aezate astfel nct armturile s fie decalate (fig.5.7.c), n vederea metalizri capetelor (pentru reducerea inductivitii parazite). Tehnologia de realizare const din bobinarea benzilor de hrtie metalizat. Dup bobinare i sudarea terminalelor, condensatorul se supune unei tensiuni progresiv cresctoare (mai mare dect Un) n scopul eliminri zonelor de scurtcircuit dintre armturi, datorit imperfeciunii dielectricului. Aceste poriuni sunt scoase din circuit prin nclzirea i vaporizarea peliculei din zona defect (prin efect Joule-Lenz). Protecia mecanic i climatic se realizeaz asemntor cu cea de la condensatoarele cu hrtie impregnat.

c) Condensatoare cu dielectric mixt folosesc alturi de hrtie o folie de material plastic, ceea ce permite obinerea de caracteristici superioare fa de condensatoarele cu hrtie: rezistena de izolaie, tangenta unghiului de pierderi, rigiditate dielectric. Sunt realizate din urmtoarele componente: armturi: benzi subiri de aluminiu; dielectricul: hrtie impregnat mpreun cu o folie din material plastic (polietilen,

polipropilen, etc.). Protecia mecanic i climatic se realizeaz n tuburi de aluminiu nchise la capt cu rondele din pertinax placat cu cauciuc prevzute cu capse pentru trecerea terminalului sau etanate cu rini epoxidice. Utilizrile condensatoarelor cu dielectric mixt sunt, n special, la circuitele cu component pusatorie a curentului (circuitele de impulsuri), datorit inductanei proprii de valoare redus.

c)

Hrtie

Al

Hrtie

Hrtie

a)

b)

CONDENSATOARE 137

5.4.2. Condensatoare cu pelicule plastice

Condensatoare cu pelicule din materiale plastice s-au rspndit n ultimul timp, datorit

perfecionrii tehnologiilor de fabricaie, care au permis obinerea unui raport calitate-pre mai bun, comparativ cu alte categorii de dielectrici. Dielectricul este format dintr-o pelicul (film plastic) din materiale termoplaste polare: policarbonat, polietilentereftalat (mylar), rini poliamidice sau nepolare: polistiren (stiroflex), polipropilen, polietilen, etc.

Deoarece materialele plastice nu prezint incluziuni sau goluri, ca hrtia de condensator, se poate folosi ca dielectric o singur folie de material plastic. Aceste folii pot fi obinute sub forma unor pelicule subiri cu grosimi de ordinul micronilor. De asemenea, rezistena de izolaie i rigiditatea dielectric prezint valori mai ridicate dect la hrtie.

Caracteristicile unor materiale dielectrice utilizate n construcia condensatoarelor cu folie plastic cum ar fi: permeabilitatea r, tangenta unghiului de pierderi tg , coeficientul de temperatur T, domeniul temperaturilor de lucru i rezistivitatea sunt indicate n tabelul 5.5.

Tabelul 5.5 Caracteristici ale unor materiale dielectrice plastice Materialul dielectric

r tg T [K-1] [0C] [ m]

Polistiren 2,58 (2-3)10-4 -100 -300 -60 +60 (+85) 1017 - 1018

Polietilen 2,25 5 10-4 -550 -700 -60 +85 (+90) 1016 - 1017 Politetrafloretilen

2,05 (1-2)10-4 -100 -120 -60 +200 (+250) >1017

Polietilentereftalat

3,2 20 10-4 +500 -60 +150 1016 - 1017

Armturile se realizeaz din folii de aluminiu, staniu, sau din pelicule metalice obinute prin depunerea in vid pe suprafaa dielectricului. Prin metalizarea armturilor, ca la condensatoarele cu hrtie metalizat, se obine reducerea gabaritului, rezultnd capaciti specifice mari. Tehnologia de realizare a acestor condensatoare se aseamn cu cea a condensatoarelor cu hrtie (bobinare), dar datorit structurii mai compacte a dielectricului plastic, comparativ cu hrtia , se folosete o singur folie. La varianta constructiv cu armturile decalate, la capetele bobinei acestea se metalizeaz (fig.5.8.c). Parametrii caracteristici Capacitatea nominal [Cn] a condensatoarelor cu pelicule din material plastic (cu film plastic) se situeaz n domeniul de valori cuprinse ntre civa picofarazi pn la ordin microfarazi. Valoarea nominal corespunde (uzual) seriilor de valori E6E24 (tabel 1.2 - cap.1). Variaia capacitii nominale cu temperatura i frecvena este n funcie de tipul dielectricului. Aceste dependene se

prezint grafic sub forma: [ ] ( )CC

f Tn

namb% = i [ ]

C

Cfn

n

% = (f[Hz]).

Marcarea valorii nominale se face n clar, alturi de varianta constructiv codificat printr-un cod literar sau numeric. Tensiunea aplicat condensatorului (valoare de vrf sau suma dintre componenta continu i alternativ) trebuie s fie inferioar tensiunii nominale Vn (la 50Hz cu -20%). La condensatoarele la care se indic tensiunea continu nominal Vc ,valoarea de vrf maxim a tensiunii alternative

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 138

Umax trebuie s respecte indicaiile productorului. Valoarea tensiunii alternative Umax este limitat de puterea maxim Pmax pe care o poate disipa condensatorul. Valoarea Pmax depinde de dimensiunile condensatorului i de temperatura ambiant (relaia 5.14) (de ex. la styroflex Un

CONDENSATOARE 139

250- tensiunea nominal n V. Toleranele capacitilor nominale sunt cuprinse, n general, ntre 10%, 20% ; limitele indicate corespund seriilor E12 i E6. Tensiunea nominal Vn se indic n clar sau codificat (ultima band colorat). Valorile uzuale sunt: 100V, 160V, 250V, 400V, 630V, 1000V . Valoarea maxim a tensiunii alternative (valoare efectiv) depinde de puterea disipat maxim Pd (relaia 5.6), valoare care nu poate fi depit. Astfel, la f=50-60Hz Umax0,33F. Coeficientul de temperatur al capacitii c este relativ mare, condensatoarele fiind folosite pn

la max. 70- 750C. De obicei, se prezint dependena [ ] ( )CC

f Tn

namb% = .

Utilizrile condensatoarele cu dielectric folie de poliester metalizat polietilenterftalat: n echipamentele electronice industriale i n aparatura de larg consum (radioreceptoare, televizoare, etc.), dar mai ales la cuplarea dintre etaje sau decuplri n aparatura electronic la joas frecven.

b.) Condensatoare cu polistiren (codificare KS (CEI)- sau PS-styroflex [14]) se caracterizeaz prin pierderi dielectrice mici i stabilitate bun cu temperatura i frecvena. Sunt formate din urmtoarele pri componente: Armturile se realizeaz din folii de aluminiu sau staniu; Dielectricul este format din una sau mai multe folii de polistiren (r=2,5...2,6). Numrul de folii utilizate depinde de tensiunea nominal a condensatorului. Terminalele realizate din conductoare de cupru cositorite se fixeaz prin sudare prin puncte n cursul procesului de bobinare (la bobinarea automat). Tehnologia de realizare a condensatoarelor cu polistiren (styroflex) este asemntoare cu cea a condensatoarelor cu hrtie impregnat i const n bobinarea armturilor mpreun cu folia (foliile) din polistiren cu lime mai mare dect limea armturilor (fig. 5.9). Dup bobinare, condensatorul este supus unui proces termic n urma cruia poliesterul polimerizeaz i asigur etanarea condensatorului. n aceast faz, condensatorul obinut se prezint sub form cilindric, avnd culoare argintie datorit armturilor de aluminiu care se pot vedea prin dielectricul transparent. Pentru condensatoarele cu polistiren cu gam extins de temperatur se utilizeaz pentru protecie capsule paralelipipedice de bachelit, n care se introduce condensatorul propriu-zis, iar apoi se ermetizeaz cu rin epoxidic.

Ghidaj pentru folii

Role polistiren

Role aluminiu

Bobina condensatorului

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 140

Fig. 5.9 Explicativ la bobinarea condensatoarelor cu polistiren

Parametrii caracteristici Capacitatea nominal [Cn] a condensatoarelor cu polistiren (styroflex) se situeaz, n mod obinuit, n domeniul 47pF...100nF. Marcarea capacitii nominale Cn i a toleranei t[%] se face n clar. Capacitile nominale cuprinse ntre limitele indicate, corespund seriilor E48, E24, E12, E6. Tensiunea nominal Vn se indic n clar sau se codific prin culoarea unei extremiti a condensatorului, situat lng terminalul legat la armtura exterioar. Aceast culoare este imprimat nainte de bobinare pe extremitatea uneia din rolele de polistiren (fig.5.9). Corespondena tensiunii nominale cu culoarea marcat, conform [14], este indicat n tabelul 5.6.

Tabelul 5.6 Codificarea tensiunii nominale la condensatoarele cu polistiren (styroflex)

Culoare Albastru Galben Rou Verde Negru Vn c.c.[V] 25 63 160 250 630

Pentru Vn=1000V marcajul se face att cu negru ct i prin inscripionarea acestei valori pe corpul condensatorului. Valoarea tensiunii continue maxime, care se poate aplica condensatoarelor cu polistiren (styroflex), se reduce proporional cu temperatura de funcionare, de obicei, peste 400C. Tangenta unghiului de pierderi (tg) este mai mic dect la condensatoarele cu poliester metalizat cu aproximativ un ordin de mrime. Aceast valoare se determin la temperatura ambiant i se indic pentru domeniile de valori ale capacitii nominale. Astfel, pentru condensatoarele din seria PS valorile tg sunt: - tg 100V. Coeficientul de temperatur al capacitii c are valoare redus i negativ; astfel la condensatoarele din seria PS, c=(-60...-220)10-6/0C. Utilizrile condensatoarelor cu styroflex: n circuitele electronice n care sunt necesare condensatoare cu pierderi reduse, respectiv:

- radioreceptoare, televizoare i aparatur de telecomunicaii (circuitele oscilante de intrare i de acord, filtre de medie frecven, circuitele de baleaj pe orizontal folosite n televiziune, etc.);

- aparatura de msurare digital (circuite de impulsuri, integratoare cu un domeniu larg al constantei de timp, etc.).

CONDENSATOARE 141

5.4.3. Condensatoare ceramice

Condensatoare ceramice folosesc drept dielectrici materiale ceramice, avnd diferite

compoziii. Aceste condensatoare au armturi plane (disc, plachet) sau cilindrice (tubulare), caracterizndu-se astfel, prin valori mici ale inductanei parazite, mult mai redus dect la condensatoarele bobinate. n funcie de numrul de straturi condensatoarele ceramice se realizeaz cu un singur strat de dielectric - monostrat sau cu mai multe - multistrat.

a.) Condensatoare ceramice monostrat Sunt formate din urmtoarele pri componente: Armturile - pelicule de argint depuse pe o parte i pe alta a unui suport ceramic; Dielectricii - prin forma lor determin i forma final a condensatorului. n funcie de compoziia lor, dielectricii pot avea coeficient de temperatur definit (tip I) sau nedefinit (tipurile II i III), determinnd o clasificare similar i pentru condensatoarele ceramice. Formele acestor dielectrici sunt: disc, plachet sau cilindric.

Caracteristicile principalilor dielectrici ceramici se indic n tabelul 5.7.

Tabelul 5.7. Caracteristicile electrice ale dielectricilor ceramici

Parametrul Diel. ceramic tip I Diel. ceramic tip II Diel. ceramic tip III

r 5...220 2.103...104 >105

c[ppm/0C] -750...250 nedefinit nedefinit

tg

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 142

Dielectricii ceramici de tipul II (grupa a-II-a) au la baz titanaii i zirconaii de bariu sau stroniu (MgTiO3, SrTiO3, CaTiO3 , CaZrO3) cu permitivitate foarte mare (r>500), dar prezint dezavantajul unei instabiliti mari a permeabilitii electrice i a pierderilor dielectrice cu temperatura i frecvena.

Dielectricii ceramici de tipul III (grupa a-III-a) au la baz materiale feroelectrice, compoziii ale titanatului de bariu, care se supun unui tratament termic. Aceti dielectrici se caracterizeaz printr-o anumit temperatur limit, numit punct Curie, peste care polarizarea spontan nceteaz.

Titanatul de bariu are punctul Curie situat la temperatura de 1200C. de asemenea permeabilitatea electric este influenat i de valoarea cmpului electric aplicat. Din acest motiv, aceti dielectrici se folosesc numai la tensiuni mici. Prin oxidare n atmosfer reductoare aceste compoziii formeaz la suprafaa ambelor pri ale materialului un strat superficial oxidat, care constituie dielectricul. Cu aceste straturi dielectrice, de grosime foarte mic este posibil obinerea unei capaciti specifice mari. Suprafeele exterioare ale dielectricilor astfel obinui se metalizeaz i apoi, pe acestea se conecteaz terminalele. Capacitatea echivalent rezultant este dat de cele dou condensatoare nserate prin rezistena stratului semiconductor de titanat, care se afl ntre ele.

Condensatoarele realizate cu dielectricii ceramici de tipul III se caracterizeaz prin: dimensiuni reduse, deoarece permitivitatea electric a stratului superficial este foarte mare; tg are valori mici i lent cresctoare cu tensiunea aplicat; tensiunea nominal sczut (n general, Vn< 25V); tolerana valorii nominale este larg (n general, -20%...+100%).

Utilizrile specifice ale condensatoarelor ceramice, alturi de gama de valori sunt indicate n tabelul 5.8.

Tabelul 5.8 Utilizrile condensatoarelor ceramice Tipul condensator Valori nominale Cn Utilizri

Ceramic tip I

0,8pF...1nF

circuite electronice profesionale i industriale

pentru nalt frecven Ceramic tip II 33pF...100nF circuite de cuplare i

decuplare

Ceramic tip III

4,7nF...470nF circuite de cuplare i decuplare, circuite de

deparazitare, etc.

Tehnologia de realizare a condensatoare ceramice este diferit de cea a condensatoarelor cu dielectric folie (hrtie, plastic), prezentate anterior. In primul rnd, deoarece aceste condensatoare nu sunt bobinate, ele fiind plane sau cilindrice.

Principalele faze tehnologice ale realizrii condensatoarelor ceramice monostrat pot fi rezumate dup cum urmeaz: obinerea ceramicii dielectrice: substanele constituente sunt dozate, amestecate, mcinate, pulberea obinut se amestec cu liani i prin presare, turnare sau laminare se obine forma de disc, plachet sau tubular cu dimensiuni impuse de valoarea capacitii i de tensiunea nominal;

CONDENSATOARE 143

depunerea armturilor din argint (prin serigrafiere i apoi fixarea peliculei prin descompunerea termic a unui compus al argintului) pe feele discului sau plachetei sau n interiorul i exteriorul tubului (forma tubular); lipirea terminalelor (srm de cupru cositorit); ncapsularea (protecia mecanic i climatic) - cu rin termodur; sortare i marcare. Forma i structura condensatoarelor ceramice monostrat, varianta plan, se prezint n figura 5.11.

Parametrii caracteristici principali ai condensatoarelor ceramice uzuale, conform [14], sunt indicai n tabelul 5.9. Capacitatea nominal [Cn] a condensatoarelor ceramice se marcheaz n clar sau n codul culorilor (fig. 5.12), astfel: banda 2, 3 - cifre semnificative; banda 3 multiplicator (10n); banda 5 tolerana [t %].

Tabelul 5.9. Caracteristici ale condensatoarelor ceramice Nr.crt

Parametrul

Condensator ceramic tip I

Condensator ceramic tip II

1. Cn 0,8pF...1nF 33pF...100nF 2.

t [%] pt. Cn10pF: 5%, 10%, 20%

10%; 20% -20%...+80% -20%...+50%

3. tg 30G

La condensatoarele ceramice, marcate n codul culorilor, cu 5 benzi se codific: coeficientul de temperatur T prin prima band colorat, benzile 2, 3 valoarea, 4 multiplicator, iar 5 - tolerana (fig. 5.12.a). Aceste condensatoare se mai codific cu iniiala P (pozitiv) sau N (negativ) a variaiei coeficientului de temperatur T urmat de valoarea numeric a acestuia (n ppm) aa cum se indic n tabelul 5.10.

2 3 4 5

1 2 3 4 5

a) b)

Terminal Strat de rin

Strat de argint

Dielectric

Strat de argint c)

Fig. 5.11 Condensatoare ceramice monostrat. a) disc; b) plachet; c) seciune printr-un condensator ceramic.

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 144

Fig. 5.12 Explicativ la marcarea condensatoarelor ceramice

Tabelul 5.10 Codificarea coeficientului de temperatur i a toleranei la condensatoare ceramice Culoare Negru Maro Rou Porto-

caliu Gal-ben

Ver-de

Albas-tru

Vio-let

Auriu Nr. benzii

Cod NP0 N033 N075 N150 N220 N330 N470 N750 P100

1 c [ppm/0C

]

0 -33 -75 -150 -220 -330 -470 -750 +100

5 Tolerana [%]

20 1 2 5

La condensatoarele marcate n clar coeficientul de temperatur se indic printr-un cod numeric sau cod literar, specific productorului de componente electronice.

b) Condensatoare ceramice multistrat Condensatoarele ceramice multistrat sunt caracterizate printr-o capacitate specific mare, proprieti electrice, mecanice i climatice bune, ceea ce permite utilizarea lor n majoritatea aplicaiilor n locul celor, cu pelicule plastice styroflex i mylar.

Prezint urmtoarele avantaje: form paralelipipedic cu volum i dimensiuni reduse; inductan foarte mic; posibilitatea de realizare de condensatoare "cip" (fr terminale). Singurul dezavantaj l constituie preul de cost, care este mai mare dect la condensatoarele cu dielectric plastic.

Dielectricul utilizat poate fi mprit n dou categorii, la fel ca la condensatoarele monostrat: dielectricul de tip I - material ceramic tip NPO, CG i COG se caracterizeaz printr-o bun stabilitate cu temperatura, pierderi mici, capacitate specific medie; dielectricul de tip II - avnd la baz materialele ceramice X7R, 2C1, Z5U, 2F4 (indicative de cod pentru materiale ceramice) se caracterizeaz printr-o capacitate specific mare, pierderi ceva mai mari i o stabilitate cu temperatura mic (C C = 20 55%.... % ). Tehnologia de realizare a condensatoare ceramice multistrat este asemntoare parial cu cea de la condensatoare ceramice monostrat, dar n acest caz se realizeaz dou tipuri de armturi: armturi stnga (impare) i dreapta (pare), care prin suprapunere (sandwich) formeaz un monobloc paralelipipedic -" bara" (fig.5.13). Aceast bar conine un numr mare de "cipuri" (condensatoare) din care n urma debitrii se obin ansamblurile la care se conecteaz n paralel armturile (prin scurtcircuitare) pare pe o parte i cele impare pe cealalt parte. Scurcircuitarea se realizeaz cu ajutorul unei pelicule metalice (past de PdAg i tratare termic). Urmeaz testarea i sortarea automat a condensatoarelor. Se obin condensatoare cip (nencapsulate) pentru anumite utilizri, iar la cealalt variant constructiv se conecteaz terminale i se ncapsuleaz.

CONDENSATOARE 145

Utilizri specifice au condensatoarele ceramice multistrat nencapsulate (neprotejate i fr terminale) n: circuitele integrate hibride, circuite electronice realizate n tehnologia SMD, electronica auto, tehnica medical precum i n alte microcircuite. Condensatoarele ceramice multistrat ncapsulate (cu terminale) se pot folosi n aceleai aplicaii ca i condensatoarele ceramice monostrat (cuplare ntre etaje, decuplare, etc.).

Parametrii caracteristici principali ai condensatoarelor ceramice multistrat uzuale sunt indicai n tabelul 5.11.

Tabelul 5.11 Caracteristici ale condensatoarelor ceramice multistrat Tipul cond.

Cn

t[%]

Vn[V]

Riz []

tg c

[ppm/0C]

Tip I 3,3pF... 27nF

1... 20 25...200 >10.109 < 15.10-4 30

Tip II

100pF...

1F

5... 20

50...200

>4.10-9 pt. Cn100s pt. Cn

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 146

Armtura exterioar este cea care se fixeaz prin cositorire sau cu urub i piuli la masa electric a circuitului electronic. Armtura interioar este conectat electric la conductorul filiform sau cu un ochi circular la capt strbate tubul ceramic dintr-o parte n cealalt (fig.5.13.). Avnd n vedere rolul acestor condensatoare, dielectricul folosit este, n general de tip II, care permite obinerea unei capaciti specifice mari. Parametrii caracteristici

- Capacitatea nominal Cn , uzual 2,5pF.10nF; - Tensiunea nominal Vn :ca la condensatoarele ceramice, dar uzual: 250V, 350V; - Tangenta unghiului de pierderi: tg10.000 M.

Forma tipic a unui condensator de trecere se prezint n figura 5.14.

Fig.5.14 Construcia unui condensator de trecere

5.4.4. Condensatoare cu mic

Condensatoarele cu mic folosesc drept dielectric mica, care este unul dintre cele mai bune

materiale dielectrice. Mica este un silicat de aluminiu care conine n afar de SiO2 i Al2O3 i oxizi ai altor metale i grupe hidroxid. Prin aplicaiile lor, cele mai importante tipuri de mic sunt mica muscovit i mica flogopit. Mica muscovit are proprieti mai bune pentru dielectrici de condensator fa de mica flogopit. Mica muscovit (k[Si3Al3O10](OH)2) are o structur cristalin i se caracterizeaz prin: r=6,57, stabilitate mare a permitivitii cu temperatur, rezisten de izolaie ridicat, rigiditate dielectric mare. Mica prezint i dezavantaje, deoarece cliveaz uor n folii de 25...100m i prin metalizare i se reduc n timp proprietile electrice, datorit migrrii ionilor metalici.

Condensatoarele cu mic se realizeaz n varianta plan, cu unul sau mai multe straturi, asemntor cu condensatoarele ceramice monostrat sau multistrat. Se folosesc folii de mic argintate ntre care se elimin interstiiile prin presare. Alt variant constructiv folosete armturi metalice care, n acest caz, sunt din folii de staniu, cupru electrolitic sau aluminiu, dispuse alternativ ntre straturile de dielectric (varianta multistrat).

Dei, prezint caracteristici electrice bune, aceste condensatoare datorit preului de cost mai ridicat sunt tot mai mult nlocuite de condensatoarele ceramice i de cele cu pelicule plastice.

5.4.5. Condensatoare electrolitice

Armtura exterioar

Armtura interioar

i

Dielectric ceramic

Traseu de curent

Parte de lipire la mas

CONDENSATOARE 147

Condensatoarele electrolitice reprezint o categorie de condensatoare cu o larg utilizare ntr-

o serie mare de circuite electrice i electronice. Ele difer fa de celelalte tipuri de condensatoare (cu hrtie, film plastic, ceramice, etc.) prin dielectric, armturi i prin unele performane. Sunt, n general, condensatoare polarizate i de aceea simbolizarea condensatoarelor electrolitice se face cu indicarea polaritii (+) sau (-) (la cele polarizate) armturilor (fig.5.1.b, c).

Dielectricul condensatoare electrolitice este format din pelicule de oxizi metalici (Al2O3, Ta2O5, Mb2O5, TiO2), care se depun pe o armtur metalic. Metalul constituie una dintre armturi, iar cealalt armtur n contact cu dielectricul este un electrolit, de unde provine i denumirea acestor condensatoare. Cei mai utilizai dielectrici sunt: oxidul de aluminiu (Al2O3) i de tantal (Ta2O5), care se caracterizeaz prin proprieti dielectrice bune:

- permitivitate dielectric relativ r mare: Al2O3 cu r 8 i Ta2O5, cu r 27; - rigiditate dielectric bun; - posibilitatea tehnologic a obinerii unor straturi de grosimi mici (sub 1m)

Aceste caracteristici permit obinerea unor capaciti specifice foarte mari (de ordinul sutelor de F/cm3). Tensiunile nominale nu depesc 450...500V, domeniu pn la care condensatoarele electrolitice nu au concuren n ceea ce privete capacitatea specific. Peliculele de material dielectric i menin proprietile numai la polarizarea direct a jonciunii metal-oxid (plusul sursei aplicat pe metal - armtura anod). La inversarea polaritii are loc un proces electrochimic de oxidare a catodului, proces nsoit de nclzirea condensatorului. Se pot realiza i condensatoare electrolitice nepolarizate, dar cele polarizate sunt mai rspndite. Armtura anod (electrodul pozitiv (+)) este realizat dintr-o folie de aluminiu - folia anod, respectiv din folii sau din pulbere de tantal. Dielectricul const din pelicula de oxid care se formeaz prin oxidarea armturii anodice. Pentru mrirea capacitii specifice, anodul de aluminiu nainte de oxidare se supune unei operaii de asperizare (mrirea suprafeei armturii), iar tantalul sub form de pulbere este supus unui proces de sinterizare. Electrolitul are rolul celei de a doua armturi, acesta poate fi: lichid, lichid impregnat ntr-un material poros, sau solid (strat semiconductor). Dup felul electrolitului utilizat, condensatoarele electrolitice se mpart n: umede, semiuscate i cu electrolit solid. Varianta umed este mai puin rspndit datorit unor dezavantaje: probleme de etanare, rezisten mare a electrolitului i dependena rezistenei de temperatur. Varianta semiuscat prezint avantaje legate de rezistena mai mic a electrolitului, lipsa problemelor de etanare i pericol mai sczut de solidificare a electrolitului la temperaturi joase. Aceast variant este frecvent utilizat la condensatoarele electrolitice cu aluminiu, iar cea cu electrolit solid la cele cu tantal. Armtura catod (electrodul negativ (-)) la varianta semiuscat este format de electrolitul mbibat ntr-un strat de hrtie poroas n contact cu a doua folie de aluminiu - folia catod.

Durata de via a condensatoarelor electrolitice depinde de meninerea caracteristicilor electrice a dielectricului i a electrolitului. La aceste condensatoare productorul trebuie s marcheze i anul fabricaiei. Stocarea fr tensiune a condensatoarelor electrolitice, mai ales la temperaturi ridicate le afecteaz calitatea. La condensatoarele cu oxid de aluminiu neutilizate electrolitul atac n timp stratul de oxid. Pstrarea ndelungat (1-2 ani) face s creasc mult curentul rezidual, dar dup aplicarea tensiunii aceasta scade n decurs de cteva minute (fenomen de reformatare).

La condensatoarele cu oxid de tantal temperatura ridicat favorizeaz formarea unui strat de oxid de tantal cristalin ntre anod (tantal) i dielectric (oxid de tantal amorf). Sub influena

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 148

temperaturii, are loc creterea cristalelor de oxid, care strpung stratul amorf de oxid, scond condensatorul din funcie. n general, condensatoarele pot fi inute cel puin un an, fr tensiune fr a se modifica fiabilitatea, dac se respect condiiile de depozitare.

Clasificri ale condensatoarelor electrolitice se poate face dup urmtoarele criterii: a) n funcie de tensiunea nominal, Vn: - de joas tensiune, Vn100V; b) n funcie de construcie: - de tensiune continu (polarizate); - de tensiune alternativ (nepolarizate); c) n funcie de cerinele de utilizare: - de uz general; - de uz industrial (ndelungat "long life"); d) n funcie de execuia mecanic - construcie n tub metalic; - construcie n tub de plastic;

- variant miniatur, normal i varianta de mare capacitate. Parametrii caracteristici

Capacitatea nominal [Cn] se caracterizeaz printr-o gam larg de valori Cn=0,522.000F i tensiuni nominale pn la 500 V. Aceast mrime [Cn] reprezint valoarea capaciti msurat n urmtoarele condiii: tensiunea de msur: < 0,5V; frecvena: 100Hz i temperatura: 200C. Capacitatea nominal prezint uoare variaii cu temperatura i frecvena. Curbele tipice de variaie ale capacitii cu temperatura i frecvena se prezint n cataloagele productorilor [14], [20]. Domeniul de temperatur este limitat, datorit modificrii caracteristicilor electrolitului, situndu-se ntre 25+700C la condensatoarele de uz general i 40+850C la variantele pentru uz industrial . Toleranele capacitii nominale sunt, n general nesimetrice, cuprinse ntre limitele: 10%...+100%; 20%...+50%; 10%...+5%. Tensiunea nominal Vn corespunde tensiunii indicate pe corpul condensatorului, (tensiune continu) care se poate aplica n limitele domeniului temperaturilor de lucru. n cazul suprapunerii unei tensiunii alternative trebuie ca suma dintre tensiunea continu i valoarea de vrf a tensiunii alternative s nu depeasc tensiunea nominal. Tangenta unghiului de pierderi tg este mare, ea situndu-se ntre 0,1...0,4, i depinde att de temperatur ct i de frecven. n locul tg, la aceste condensatoare se indic valoarea maxim admisibil a curentului alternativ prin condensator (limitarea prin tensiunea de funcionare sau prin frecven-fig.5.6). Curentul de fug If (de conducie) reprezint curentul prin condensator, cnd la bornele condensatorului se aplic o tensiune continu de o anumit valoare. Curentul de fug este proporional cu produsul Cn. Vn, depinznd de tehnologie i de temperatur, deoarece oxidul metalic folosit ca dielectric este semiconductor. Dependena curentului de fug de capacitate se exprim prin relaia:

I K C V If n n= + 0 (5.19)

CONDENSATOARE 149

unde, K este o constant care depinde de schema de msurare, iar I0 reprezint curentul rezidual.

- pentru condensatoarele "long life": I C Vf n n= 0 01, ;

- pentru condensatoarele de uz general: I C Vf n n= 0 05, ;

Variaia curentului de fug cu temperatura, tensiunea i frecvena se indic, de obicei, sub form grafic [14], [22]. Schema echivalent pentru condensatoarele electrolitice polarizate este prezentat n figura 5.15.

Elementele schemei echivalente corespund din punct de vedere funcional cu: Cs - capacitatea echivalent serie; cuprinde capacitatea anod - catod; Riz rezistena de izolaie a condensatorului (a dielectricului); Rs rezistena echivalent serie, care include rezistenele: terminalelor, contactelor,

armturilor, dielectricului i electrolitului; L inductana echivalent; D diod, ce simbolizeaz comportarea unidirecional a dielectricului; rezistena de izolaie

a dielectricului se anuleaz, dac se inverseaz polaritatea tensiunii aplicate.

a) Condensatoare electrolitice cu aluminiu se caracterizeaz printr-o gam larg de valori, atingnd cele mai mari valori care se realizeaz n practic (pn la zeci de mii de F). Aceste condensatoare sunt obinute prin bobinare cu o tehnologie de fabricaie asemntoare cu cea a condensatoarelor cu hrtie. Varianta semiuscat este cea mai rspndit. Procesul tehnologic al condensatoarelor electrolitice cu oxid de aluminiu, de tip semiuscat, cuprinde urmtoarele faze principale: pregtirea foliilor de aluminiu pentru armturi; folia anod cu grosime de 20120m se asperizeaz mecanic i chimic pentru creterea suprafeei efective de (1,5...20) ori mai mare dect suprafaa lor geometric; oxidarea foliei anodice; fixarea terminalelor de folii prin sudur prin termocompresie sau cu ajutorul ultrasunetelor; bobinarea condensatorului, care se efectueaz cu: armtura anod asperizat mpreun cu dou folii de hrtie (de grosime pn la 100m), care constituie suportul n care se va impregna electrolitul i folia catodic din aluminiu pur (neasperizat) pentru asigurarea contactului electric cu electrolitul (fig. 5.16); impregnarea straturilor de hrtie cu electrolit (acid boric, etilen glicol, hidrat de amoniu); ncapsularea n carcase metalice (de aluminiu cu capac de textolit) sau din material plastic; (de form cilindric);

CS

D

Riz

Rs L (-) (+)

Fig. 5.15. Schema echivalent a condensatorului electrolitic

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 150

formarea final pentru refacerea stratului de oxid care s-a distrus n procesul de bobinaj i de ncapsulare. Operaia const din aplicarea unei tensiuni continue cresctoare timp de (4...48) ore pn cnd tensiunea atinge 1,41 Vn. n figura 5.16 se indic o seciune prin armturile unui asemenea condensator (n partea stng) ntre care se gsete hrtia impregnat cu electrolit i forma ansamblului dup bobinarea armturilor (n partea dreapt).

Fig. 5.16 Structura unui condensator electrolitic (varianta semiuscat);

seciune prin armturi (partea stng); condensatorul bobinat (partea dreapt) Marcarea condensatoarelor electrolitice cu aluminiu se face n clar, incluznd urmtoarele: varianta constructiv (cod al productorului); capacitatea nominal; tensiunea nominal; marcaj pentru identificarea terminalului negativ (-) sau pozitiv. De exemplu: EG 52.62 470/25 (condensator de producie I.C.E.P. Curtea de Arge) EG condensator electrolitic miniatur; 52 familia tehnologic; 62 codificarea capsulei; 470 capacitatea nominal n F; 25 tensiunea nominal n V; Carcasa din aluminiu a condensatorului electrolitic polarizat se conecteaz la catod (-).

b) Condensatoare electrolitice cu tantal Proprietile electrice i mecanice mai bune ale oxidului de tantal, comparativ cu oxidul de aluminiu, permite obinerea unor condensatoare cu o capacitate specific mai mare, fa de condensatoarele electrolitice cu aluminiu. Se pot diferenia trei grupe de condensatoare cu tantal:

- cu folie de tantal (semiuscate); - cu corp de tantal sinterizat cu electrolit lichid sau past; - cu corp de tantal sinterizat cu electrolit solid (uscate).

Condensatoare electrolitice cu tantal semiuscate au o construcie asemntoare cu a celor semiuscate cu aluminiu, ns acestea sunt mai rar folosite, fiind nlocuite cu condensatoarele cu anod din tantal sinterizat. Un condensator cu anod din tantal sinterizat este format din:

Armtura (+) Folie de aluminiu

Al2O3

Armtura (-) - hrtie mbibat n electrolit

Electrod (-) - carcasa

CONDENSATOARE 151

armtura anodic bloc cilindric din pulbere de tantal presat i sinterizat aflat n contact cu port- anodul confecionat din tantal metalic de care se conecteaz terminalul (+); dielectricul pelicul din Ta2O5 cu grosime foarte mic (0,010,05m), care acoper granulele blocului anodic pe ntreaga suprafa; armtura catodic strat de bioxid de mangan (MnO2) depus pe ntreaga suprafa a

dielectricului; strat de grafit argintat depus peste armtura catodic pentru conectarea prin lipire a terminalului (-). Condensatoarele cu tantal se realizeaz n dou variante constructive: varianta pictur cu terminale radiale, ncapsulate n rin epoxidic; varianta tubular cu terminale axiale, ncapsulate n tub metalic (cupru stanat). Construcia unui condensator din tantal sinterizat cu corp cilindric este indicat n figura 5.17, iar tip pictur n figura 5.18.

Tehnologia de realizare a condensatoarelor cu tantal este n principiu aceiai pentru cele dou variante constructive, diferene existnd doar la modul de ncapsulare. Operaiile tehnologice, care au loc la realizarea condensatoarelor cu tantal, se pot grupa astfel: obinerea anodului sinterizat: amestecul pulberii (granulaie 45m) cu un liant, apoi prin presarea amestecului se obine anodul de form cilindric n jurul conductorului portanod; formarea peliculei de oxid (Ta2O5) prin oxidarea n bi de electroliz; formarea stratului de electrolit solid prin imersie n azotat de mangan [Mn (NO3)2] i piroliza azotatului de mangan; formarea stratului de grafit argintat prin imersie n grafit coloidal; argintare i conectarea terminalelor; ncapsulare n tub metalic sau protecia ansamblului cu rini epoxidice, sortare i marcare. Capacitatea nominal [Cn] se caracterizeaz prin valori, Cn=0,5.1000F i tensiuni nominale pn la 125 V. Domeniul de temperatur este mai larg dect la condensatoarele electrolitice cu aluminiu (-85+850C), uzual 55+850C. Capacitatea nominal prezint uoare variaii cu temperatura i frecvena. Curbele tipice de variaie a capacitii cu temperatura i frecvena (mai mici dect la electroliticele cu aluminiu) se prezint n cataloagele productorilor. Toleranele capacitii nominale sunt, mai mici dect la condensatoarele electrolitice cu aluminiu, n general, cuprinse ntre limitele: -10%...+10%; -20%...+20%.

CTS M 47F 20% 35V

K

(-) A

(+)

Fig. 5.17 Condensator din tantal sinterizat cu corp cilindric: vedere exterioar i seciune

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 152

Tensiunea nominal Vn se indic pe corpul condensatorului, (tensiune continu) i reprezint valoarea care se poate aplica la borne, n limitele domeniului temperaturilor de lucru. n cazul suprapunerii unei tensiunii alternative este necesar ca suma dintre tensiunea continu i valoarea de vrf a tensiunii alternative s nu depeasc tensiunea nominal. Tensiunile nominale sunt mai mici dect la condensatoarele electrolitice cu aluminiu, nedepind n general, valoarea de 125 V. Tensiunea maxim admis, n regim de scurt durat, nu trebuie s depeasc cu mai mult de 20% tensiunea nominal.

Atenie ! Inversarea polaritii tensiunii aplicate la borne duce la distrugerea dielectricului (mai rapid dect la electroliticii cu aluminiu) i deci, la scoaterea din funcie a condensatorului. n general, tangenta unghiului de pierderi tg 0,1, depinznd de valoare capacitii, de temperatur ct i de frecven. Valoarea maxim admisibil a curentului alternativ Irmax prin condensator la frecvena de 100 Hz i temperatura de +700C este o valoare care se indic n datele de catalog ale variantei constructive, pentru aceea serie de valori nominale. Curentul de fug If (de conducie) reprezint valoarea curentului de conducie prin condensator, cnd la bornele condensatorului se aplic o tensiune continu de o anumit valoare. Curentul de fug este proporional cu produsul Cn. Vn , depinznd de temperatur, deoarece oxidul metalic este semiconductor. Dependena curentului de fug de capacitate se exprim prin relaia (5.17), n care K=0,05 i I0=0. Variaia curentului de fug cu temperatura, tensiunea i frecvena se indic, de obicei, sub form grafic. Un dezavantaj al condensatoarelor cu tantal l reprezint fiabilitatea mai sczut n regim de impuls (n circuitele de impulsuri), regim n care se produce, n timp, cristalizarea oxidului de tantal. n punctele de cristalizare se produce o supranclzire, deoarece oxidul de tantal cristalin are o rezistivitate mai mic dect cel amorf. mbuntirea comportrii n regim de impulsuri se obine prin doparea pentoxidului de tantal cu molibden n scopul creterii rezistenei electrice a dielectricului.

A (+)

K (-)

+ 22 + 25V

A (+

K (-)

a)

1

2

3

4

5 6

8

9

10

7

b)

Fig.5.18 Condensator cu tantal tip pictur . a) aspectul exterior; b) structura: 1-terminal (+) din Ni-Ag; 2-portanod; 3-anod sinterizat; 4-strat MnO2; 5-strat de grafit; 6-strat de Ag; 7-terminal (-) din Ni-Ag; 8-sudur; 9-lipitur; 10-compund

CONDENSATOARE 153

5.5. Condensatoare variabile

Condensatoarele variabile sunt condensatoare a cror capacitate se poate modifica ntre anumite limite, impuse de cerinele de funcionare a circuitului electric n care se utilizeaz. Se folosesc ndeosebi n circuitele din aparatura radioelectronic pentru acordarea circuitelor oscilante pe frecvene determinate. Reglajul valorii capacitii se poate obine, innd seam de relaia de calcul (5.4), prin modificarea: suprafeei active S a armturilor, a distanei d, sau r. La realizrile practice se folosesc aproape exclusiv primele doua variante (variaia S i d ). Clasificarea condensatoarelor variabile se poate face dup urmtoarele criterii: natura dielectricului: cu aer, cu dielectric solid; modaliti de reglare: continuu (condensatoare variabile) sau periodic (condensatoare

reglabile sau semivariabile); legea de variaie a capacitii: liniar, exponenial, variaie liniar pentru frecvena de acord,

variaie liniar pentru lungimea de und, conform tabelului 5.11. numr de seciuni, etc.

Tehnologia condensatoarelor variabile

a) Condensatoarele variabile cu aer sunt realizate cu armturi plane, din plci metalice, dintre care una este fix (stator) i cealalt este mobil (rotor) (fig. 5.19), avnd ntre acestea un spaiu n care locul dielectricului este ndeplinit de aer. Ansamblu astfel format conine mai multe condensatoare n paralel a cror capacitate depinde de suprafaa armturilor i de distana dintre ele (relaia 5.4, n care r1). Armturile, formate din lamelele (plci) metalice din aluminiu, cupru sau alam cu grosimi de 0,51mm, sunt conectate n paralel din punct de vedere electric. Se obin n condensatori elementari (n = numrul de perechi de lamele) a cror suprafa comun se modific n funcie de reglaj. Lamelele rotorului ptrund ntre plcile statorului modificnd seciunea activ a armturilor, proporional cu unghiul de rotire, ceea ce determin modificarea capacitii electrice a ansamblului. Statorul este izolat electric de asiu (masa electric a montajului) prin intermediul unor rondele din material dielectric (ceramic sau plastic), iar rotorul avnd lamelele dispuse pe un ax este conectat la potenialul asiului. Lamelele de ,la extremiti sunt, de obicei, secionate (fig.5.18, fig.5.19) pentru a permite prin ndeprtare sau apropierea de armturile statorice corespunztoare, o ajustare a legii de variaie a capacitii n sensul dorit. Pentru micorarea

Rotor

Stator Ax rotor

Fig.5.19 Condensator variabil. Schema constructiv.

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 154

frecrilor, rotorul este fixat la capetele pe bile. Deoarece conexiunea electric la rotor, numai prin intermediul bilelor este nesigur (contact imperfect) i genereaz zgomot, se folosesc arcuri conductoare sau conductoare flexibile, avnd un capt conectat la rotor (contact flexibil). n funcie de numrul de circuite care trebuie acordate simultan, condensatoarele variabile se realizeaz cu 1, 2, 3 i mai rar mai multe seciuni, care pot fi identice sau nu. Dielectricul condensatoarelor variabile obinuite este aer (Estr=3,2kV/mm), iar n cazul condensatoarelor variabile de nalt tensiune incinte vidate sau cu gaze electronegative (Estr =720 kV/mm). Rigiditatea dielectric ridicat a gazelor electronegative se datoreaz faptului c atomii halogenai (Cl. Br, F, I) acapareaz electronii liberi din gaz, transformnd molecula gazului ntr-un ion negativ, care datorit masei mai mari are o mobilitate mai mic. n figura 5.19., n care se prezint vederea de ansamblu a unui condensator variabil cu aer cu o singur seciune, se pot distinge: lamelele pentru conectarea n circuit a condensatorului, partea frontal de fixare pe asiu (cu lagr i fixare cu piuli) i plcile rotorice terminale (cu secionare radial) pentru ajustarea valorii maxime sau a legii de variaie

Fig. 5.20 Condensatoare variabile cu aer

b) Condensatoarele variabile cu dielectric solid folosesc dielectrici solizi (ceramici, mic

sau dielectrici plastici) n scopul creterii capacitii specifice i deci, a reducerii gabaritului. Acest lucru s-a impus, n scopul obinerii compatibilitii de gabarit a condensatoarelor variabile, cu montajele electronice cu tranzistoare sau cu circuite integrate. Armturile se realizeaz din folii metalice ca la condensatoarelor variabile cu aer, dar se mai ntlnesc i alte forme, cum ar fi tuburi concentrice sau discuri. Dielectricii sunt, de obicei, folii din mic sau materiale sintetice termoplaste, care se dispun ntre rotorul i statorul condensatoarelor plane. Condensatoarele reglabile (semivariabile sau trimeri) se caracterizeaz prin aceea c valoarea capacitii lor se ajusteaz numai la punerea n funciune sau la verificrile periodice ale aparaturii n care sunt conectate. Construcia acestor condensatoare difer n funcie de tipul dielectricului folosit. Astfel, trimeri cu aer i cei ceramici se construiesc att sub form plan, ct i sub form cilindric (cu armturi tubulare), dar formele i dimensiunile sunt diferite n funcie de capacitatea i tensiunea nominal (fig.5.21).

CONDENSATOARE 155

Condensatorul semireglabil cilindric cu aer se compune din stator i rotor sub form de tuburi concentrice, care formeaz ntre ele un numr de condensatoare cilindrice n funcie de numrul de tuburi. Valoarea capacitii trimerilor cu aer este de maxim 100pF, iar cea minim (capacitatea rezidual) este n general mai mare de 13 pF.

Trimerii ceramici se construiesc att sub form plan (fig. 5.21-partea dreapta), ct i sub form cilindric. Valoarea capacitii trimerilor ceramici este de maxim 200pF, iar cea minim (capacitatea rezidual) este n general mai mare de 35 pF. Trimerii ceramici plani se compun din: statorul din ceramic pe care este depus o pelicul de argint sub forma unui sector de cerc (armtura fix) cu un unghi la centru mai mic sau egal cu 1800 i rotorul tot din ceramic, avnd armtura din argint depus la fel ca cea de la stator. Asamblarea se face n aa fel, nct cele dou armturi s fie de o parte i alta a rotorului. Pentru reducerea interstiiilor se realizeaz o finisare ct mai bun a suprafeelor care se afl n contact. Parametrii caracteristici Condensatoarele variabile i semireglabile se caracterizeaz prin caracteristici similare condensatoarelor fixe, dar i prin altele specifice. n tabelul 5.12 se indic principalii parametrii ai unor variante constructive de condensatoarele variabile i semireglabile. Capacitatea nominal (Cn) corespunde capacitii maxime pe care o are condensatorul variabil. Valoarea capacitii nominale Cn depinde de frecvena de lucru a condensatorului (tabelul 5.12). Capacitatea minim sau rezidual (Cmin) reprezint valoarea minim a capacitii care se poate obine la bornele condensatorului variabil. Valoarea capacitii minime depinde de construcia condensatorului, avnd n mod normal, (0,050,2) Cmax.. Tensiunea nominal (Vn) se indic n datele de catalog, aceasta depinznd de distana dintre armturi i de Estr al dielectricului. Legea de variaie a capacitii este definit de o funcie de forma C=C(Cmin, Cmax, ), unde reprezint (n radiani, grade sau procente) poziia relativ a rotorului fa de stator. Legea de variaie se alege n funcie de utilizarea condensatorului variabil (tabelul 5.12).

Fig. 5.21 Condensator semireglabil (trimer) cu aer i ceramic

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 156

Tabelul 5.12 Legi de variaie pentru condensatoare variabile Legea de

variaie Expresia capacitii

1. Liniar ( )C C C C= + min

maxmax min

2. Exponenial C C

C

C=

min

max

min

max

3. Liniar a frecvenei de

acord (circuit LC)

C Cf

f=

min

max

min

max

1 1

2

4. Liniar a lungimii de

und (circuit LC)

C C= +

min

max

max

min

1 1

2

Cuplul de rotaie [Nm] al armturii mobile caracterizeaz uurina i sigurana reglrii capacitii. n general, valoarea acestuia este mai mic de 5 10-4 Nm.

Tabelul 5.13 Caracteristici ale condensatoarelor variabile i semireglabile

Tipul condensatorului

Capacitatea Cn*, Cmin Cmax

[pF]

Parametrii electrici

Banda de frecven

[MHz]

350*600* < 3 120*250* 330

Variabile cu aer

20*50*

tg30

Variabile cu

dielectric solid

100*500* tg

CONDENSATOARE 157

5.6. Fiabilitatea condensatoarelor

Cantitativ, fiabilitatea condensatoarelor, se apreciaz prin rata de defectare . Valoarea acestui parametru depinde de tipul de condensator i de condiiile de exploatare. Valori orientative ale ratei de defectare .(t) au fost prezentate n tabelul 1.6 (cap.1). Ponderea condensatoarelor n aparatura electronic atinge n medie 25%, din numrul total de componente utilizate. Defectele din aparatura electronic care se produc datorit condensatoarelor reprezint n jur de 15% din numrul total al defeciunilor, din care jumtate din aceste defecte, se apreciaz de ctre specialiti, se datoreaz unei alegeri sau folosiri necorespunztoare. Dintre principalele defeciuni care se produc la condensatoarele fixe se pot enumera: a) Micorarea rezistenei de izolaie - determin n prima faz pierderi n conducie mai mari,

crete tg i n final condensatorul se strpunge prin efect termic. Principala cauz a micorrii rezistenei de izolaie se datoreaz ptrunderii umiditii n

dielectricul incomplet etanat. Prin aceasta se micoreaz rezistena de izolaie i cresc astfel pierderile din condensator. Reducerea efectului umiditii se obine printr-o mai bun etanare a condensatorului i prin folosirea dielectricilor nehigroscopici (pelicule plastice).

O alt cauz a micorrii rezistenei de izolaie poate surveni la modificri de structur a dielectricului, modificri ce pot aprea datorit aciunii tensiunii, datorit mbtrnirii condensatorului sau din cauza unei depozitri ndelungate.

b) Reducerea valorii capacitii se manifest datorit distrugerii armturilor sau evacurii

materialului de impregnare. Acest efect apare la condensatoare cu armturi metalizate: hrtie metalizat, pelicule termoplaste metalizate, precum i la condensatoare electrolitice.

Cauzele pot fi urmtoarele: - meninerea un timp ndelungat la tensiune ridicat (condensatoare cu armturi

metalizate); - etanare necorespunztoare (condensatoare electrolitice); - funcionarea la temperaturi ridicate; - depozitare ndelungat.

c) ntreruperea contactului dintre armturi i terminale datorit solicitrilor de natur

mecanic sau solicitri la un curent mai mare dect limita maxim admisibil (I>Imax).

La condensatoarele variabile pot aprea i alte tipuri de defectri cum ar fi:

Strpungerea datorat unor cauze de natur mecanic: apropierea accidental dintre armturi, depunere de particule de praf. Defecte mecanice: blocarea lagrelor sau a sistemului de deplasare a armturii mobile. Defectele care apar la condensatoarele fixe, cu excepia celor cu dielectric gaz, scot aceste condensatoare din funciune. La condensatoarele variabile unele dintre defecte pot fi remediate. Pentru o funcionare ct mai fiabil a circuitelor electronice n care se utilizeaz condensatoarele, acestea trebuiesc alese n mod corespunztor. Proiectantul aparaturii electronice

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 158

trebuie s cunoasc bine caracteristicile montajului (factori electrici, mecanici) i a mediului n care acesta funcioneaz, pentru a se orienta n alegerea tipului condensatorului. Se are n vedere urmtorii factori:

factorii electrici: parametrii circuitului de alimentare: tensiune nominal, curent nominal i frecvena pulsaiilor; n curent alternativ trebuie s se cunoasc amplitudinile armonicilor superioare, influena supratensiunilor, chiar dac acestea sunt de scurt durat i inductana maxim;

factorii mecanici: modul de aezare a terminalelor, gabaritul admis, condiiile de vibraii sau ocuri;

factorii climatici: prezena umiditii, gama de temperatur, presiunea atmosferic minim, etc.

De obicei, este foarte greu s se gseasc un anumit tip de condensator care s ndeplineasc toate condiiile artate i de aceea alegerea se face n funcie de fiabilitatea care trebuie asigurat montajului electronic, fiabilitatea condensatoarelor folosite, pe baza unui compromis ntre caracteristicile electrice, form, gabarit, pre de cost.

CONDENSATOARE 159

BIBLIOGRAFIE

1. Bjenescu T.I., Fiabilitatea componentelor electronice, Ed. Tehnic, Bucureti, 1996 2. Ctuneanu V.M. (coord.), Materiale pentru electronic, Ed. Didactic i Pedagogic,

Bucureti, 1982 3. Ctuneanu V.M. .a., Tehnologie electronic, Ed. Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981 4. Dragulnescu N., Agenda radioelectronistului (ediia a II-a), Ed. Tehnic, Bucureti, 1989 5. Dragulnescu N., Miroiu C., Moraru Doina, A.B.C. Electronica n imagini. Componente

pasive, Ed. Tehnic , Bucureti, 1990 6. Gzdaru C., Constantinescu C., ndrumar pentru electroniti. Radio i televiziune, vol. I,

Editura Tehnic, Bucureti, 1986 7. Nicolaide A., Bazele fizice ale electrotehnicii, vol. I, Ed. Scrisul Romnesc, Craiova, 1983 8. Boiu M., Costescu C., Ci de sunet n receptoarele TV, Editura Teora, Bucureti, 1994 9. Millea A. , Bobine de radiofrecven, Editura tehnic, Bucureti, 1968 10. Murgotroyd P. N., The Books inductor a study of optimal solenoid cross- section, IEEE

Procc. ,vol 133, Sept. ,1986 11. Nan S. .a., Dispozitive fotonice cu semiconductori, Ed. Tehnic, Bucureti, 1986

12. Nicolau Ed. (coord) s.a. Manualul inginerului electronist, Radiotehnic, vol. I i II, Ed. Tehnic, Bucureti, 1987 i 1988

13. Nicula Al., Puscas F., Dielectrici i feroelectrici, Scrisul Romnesc, Craiova, 1982

14. Ovidiu R., Componente electronice pasive (catalog), Ed. Tehnic, Bucureti, 1996

15. Oltean I. D. , Helerea E., Ingineria mecanic i electric a automobilului. Componente pasive. Rezistoare. , Tempus S JEP 11563-96 CONEET, Braov, 1998

16. Rabkin L.I., Novikova Z.I., Kauki Induktivnisti na ferritovith sergerwikah, Leningrad, 1972 17. Ristea I., Stan F., Condensatoare, Ed. Tehnic, Bucureti, 1964 18. Svescu Mugur, Rezistene, Ed. Tehnic, Bucureti, 1964

COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE 160

19. Svasta P. (coord.) s.a. , Tehnologie Electronic, Componente electronice pasive, ndrumar de

laborator, Litografia I.P. Bucureti, 1990

20. * * * Components et materials, Resistor, Capacitors, MBLE, Philips, 1983 21. * * * Elektronik Bauelemente, VEB Verlag Technik, Berlin, 1979

22. * * * Catalog TDK's Sensors, TDK Corporation, 1972

23. * * * Catalog de ferite, ICE, Bucureti, 1988

24. * * * Fair-Rite Liniar Ferrites, Fair-Rite Products Corp., USA, 1988

25. * * * Ceramic resonator. Murata MFG. CO., LTD., Cat. NO. P16E 5, 1988 26. * * * Rezistoare, ICEP, Curtea de Arge, 1975-1976 27. * * * Halbleiter, Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und Mnchen, 1990 28. Philipe R., Materiaux de lelectrotechnique, vol. II, Presses Politechniques Romandes,

Lausanne, 1987 29. Tareev B.M., Electrical and radio engineering materials, Mir Publishers, Moscow, 1978 30. Lozneanu St., Laczko A., Memoratorul radiotehnicianului, Editura Junimea, Iai, 1985