Download pdf - CURmS DCE-1 Componente Pasive

8/17/2019 CURmS DCE-1 Componente Pasive

1/38

Capitolul 1 Componente pasive

11

1.1 Rezistorul

1.1.1 Introducere

Materialele se opun trecerii curentului electric datorită proprietăţiinumită rezistenţă electrică. Rezistenţa electrică se supune legii lui Ohmdescrisă de ecuaţia:

(1.1)

unde U este tensiunea aplicată la bornele rezistorului caracterizat prinrezistenţa R, iar I este curentul care îl străbate. Această dependenţă estevalabilă pentru rezistoarele liniare (fig.1.1)

II

U

U

1 / R

R+

-

Fig. 1.1 Dependenţa curentului I de tensiunea U aplicată la borneleunui rezistor cu rezistenţa electrică R.

Rezistenţa electrică se măsoară în ohmi (Ω). Se defineşte şi mărimeanumită conductanţă:

(1.2)

Conductanţa electrică se măsoară în Siemens (S).

În electronică se utilizează şi rezistoare neliniare la care măr imearezistenţei electrice este dependentă de acţiunea unor factori fizici:

rezistoare dependente de intesitatea luminoasă; (fotorezistoare); rezistoare dependente neliniar de temperatură; (termistoare); rezistoare dependente de mărimea tensiunii aplicate; (varistoare); rezistoare dependente de inducţia magnetică (magnetorezistoare).

R

1G

RIU


2/38

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

12

1.1.2.Caracteristici principale ale rezistoarelor

A. Rezistenţa nominală R n, este valoarea rezistenţei electrice a unuirezistor, măsurată în curent continuu la temperatură normală (Ta=25

0C).Această valoare este marcată pe corpul rezistorului în clar sau în codulculorilor (prin inele de diferite culori aplicate pe rezistor). Precizia cu careeste obţinută valoarea dorită a rezistenţei R n este dată de tehnologiautilizată. Pentru a se preciza abaterea posibilă a valorii reale a rezistenţeifaţă de valoarea marcată, se introduce mărimea numită toleranţă.

Toleranţa t, exprimă în procente, abaterea maximă admisibilă a valorii

reale R a rezistenţei, faţă de valoarea R n.

(1.3)

Firmele producătoare de componente pasive, realizează rezistoareavând valori nominale standardizate, cuprinse uzual între 0,1 Ω şi 10MΩ.Şirul de rezistenţe nominale se obţine prin înmulţirea cu puteri ale lui 10, aunor valori aflate într-o progresie (vezi tab.1.1 la pag.20). Seriile valorilornominale sunt notate cu E6, E12, E24, E48, E96, E192. Numărul seriei aratăcâte valori nominale se găsesc într -o decadă, adică în domeniile 1÷10,10÷100, 100÷1000. Fiecare serie cu un număr mai mare de termeni, includevalorile nominale ale seriei precedente.Cu cât numărul seriei este mai marecu atât toleranţa este mai redusă, iar valoarea reală a rezistenţelor este maiapropiată de cea marcată pe rezistor. La seria E6, toleranţa este de ±5%, iarla E192 de ±0,6%. Micşorarea toleranţei impune un control tehnologiccomplex care conduce la creşterea preţului pe componentă. Rezistoarelefiind cele mai utilizate componente în aparatura electronică (30÷40% dinnumărul total de piese), performanţele, fiabilitatea şi costul lor vorcondiţiona esenţial calitatea şi preţul produselor în care sunt incluse.

B. Puterea nominală de disipaţie Pn, este puterea maximă în curent

continuu sau curent alternativ pe care o poate disipa rezistorul în condiţii demediu exterior determinate (de obicei Tamb.= 25°C) timp îndelungat, fără carezistenţa nominală să se modifice peste prevederile din norme.

Puterea rezistorului depinde de dimensiuni, de construcţie şi dematerialul utilizat pentru elementul conductor, pentru stratul de protecţie şide modul în care se face răcirea, (conducţie, convecţie, radiaţie). Dacărezistorul este supus la puteri peste cea maximă, apar variaţii inadmisibilede parametri, îmbătrânirea accelerată, reducerea duratei de funcţionare, şi

100R

R R maxt

n

n


3/38


13

eventual distrugerea.Valorile standardizate ale puterilor pentru rezistoaresunt: 0,125W; 0,25W, 0,5W; 1W; 2W; 3W; 5W; 10W. În schemele electrice

puterea rezistoarelor este specificată în clar.

C. Tensiunea limită UL, reprezintă tensiunea maximă continuă care poate fi aplicată la bornele rezistorului în condiţii normale de mediu fără caacesta să se distrugă. Pentru rezistoarele cu valoare ohmică redusă,tensiunea limită este dată de atingerea puterii nominale de disipaţie:

Pentru rezistoarele cu valoare ohmică ridicată (peste 1MΩ), carelucrează în aer, tensiunea limită este dată de tensiunea de străpungere careapare între terminalele rezistorului sau chiar între spirele acestuia. De obiceirezistorul trebuie să suporte o tensiune de test la străpungere de cel puţin2UL (în impuls).

D. Coeficientul de temperatură al rezistenţei αR , indică comportarearezistorului la variaţii de temperatură şi reprezintă variaţia relativă arezistenţei corespunzătoare variaţiei temperaturii cu 1K.

Considerând valorile rezistenţei la două temperaturi diferite, se poatescrie:

Coeficientul de temperatură poate fi atât pozitiv (ca la metale), cât şi

negativ, în funcţie de materialul din care este realizat rezistorul.La rezistoare cu peliculă de carbon (RCG): αRCG = - (5÷15)10-4 (K -1)La rezistoare cu peliculă metalică (RPM): αRPM = (-0,5÷ +0,5)·10-4 (K -1)

Alegerea rezistoarelor din punct de vedere al coeficientului detemperatură este importantă pentru asigurarea stabilităţii în funcţionareaaparaturii mai ales când aceasta este supusă unor variaţii importante aletemperaturii mediului ambiant (echipamente profesionale mobile, sisteme

nnL R PU (1.4)

1R K dT

dR

R

1α (1.5)

0

TT

0

R TT

R R

R

1α 0

(1.6)


4/38


14

de măsurare, telecomunicaţii). Pentru rezistoare se defineşte intervalultemperaturilor de lucru, în limitele căruia funcţionarea de lungă durată esteasigurată. De obicei acest domeniu este cuprins între - 60°C şi +100°C.Rezistoarele bobinate suportă temperaturi mai ridicate.

E. Tensiunea de zgomot Uz, este valoarea efectivă a tensiuniialeatoare care apare la bornele unui rezistor parcurs de curent continuu.Aceasta se datorează mişcării termice a electronilor şi trecerii fluctuante acurentului prin structura rezistorului, neomogenităţilor şi discontinuităţilordin acesta.

Factorul de zgomot se defineşte prin raportul:

unde Ucc este tensiunea continuă aplicată la bornele rezistorului. Factorul dezgomot depinde de materialul rezistorului şi creşte odată cu temperatura şivaloarea rezistenţei.

Factorul de zgomot al rezistoarelor este extrem de important atunci

când sunt folosite în amplificatoarele de semnale slabe . În fig.1.2 sunt prezentate caracteristicile de zgomot ale rezistoarelor: a) în funcţie defrecvenţă şi valoarea rezistenţei electrice; b) în funcţie de frecvenţă şi dematerialul din care sunt realizate :

Fig. 1.2 a- tensiunea de zgomot într-un rezistor în funcţie de banda defrecvenţă la care se măsoară şi mărimea rezistenţei; b- tensiunea de zgomotîn funcţie de banda de f r ecvenţă şi tipul materialului folosit:1-carbonaglomerat, 2- peliculă de carbon, 3- peliculă metalică.

FRCG = (1÷5)μV/V

FRPM = (0,1÷0,5)μV/V

VVμ U

UzFcc

(1.7)


5/38


15

F. Stabilitatea caracterizează modificarea valorii rezistenţei reale subinfluenţa temperaturii, umidităţii, îmbătrânirii, a tensiunilor aplicate şi aaltor factori cum sunt: agenţii corozivi, radiaţiile, solicităr i mecanice de tipvibraţii şi şocuri. Îmbătrînirea este asociată modificării rezistenţei prin variaţia structuriielementului rezistor prin procese chimice produse în interior, modificareacontactelor. Din acest punct de vedere rezistoarele bobinate sunt mai stabileîn timp. Umiditatea intensifică procesele electrochimice care conduc lamodificări ireversibile ale rezistenţei. Pentru protecţia faţă de umiditate seexecută acoperiri cu lacuri şi răşini speciale, caz în care rezistoarele potfuncţiona la umidităţi ridicate. Rezistenţa mecanică este testată prin vibraţii şi şocuri în timpulfuncţionării. Rezistorul trebuie să aibă o astfel de structură încât să supo rtediferite solicitări mecanice fără a-şi schimba caracteristicile.

G. Comportarea rezistorului în curent alternativ. În c.a. rezistorulse manifestă complex în funcţie de frecvenţă, fiind caracterizat atât printr-ocapacitate cât şi printr-o inductanţă proprie. În curent alternativ apar efecte

prin:

capacităţile distribuite în paralel cu rezistorul precum şi faţă de masă, inductanţă serie datorată lungimii bobinajului şi a terminalelor, efectele de suprafaţă la trecerea curentului, pierderi dielectrice în

suportul rezistorului şi în învelişul protector.În fig. 1.3. se prezintă schema echivalentă a unui rezistor, în care R este

rezistenţa pur ohmică, L este inductanţa constructivă, C p este capacitateaconstructivă, R p este rezistenţa de pierderi dielectrice a suportului.

Fig. 1.3 Schema echivalentă a unui rezistor în c.a.(necesară la frecvenţe înalte, de peste 1MHz).

Rp

pC

LR


6/38


16

1.1.3 Tipuri de rezistoare fixe

Rezistoarele pot fi cu rezistenţă fixă sau cu rezistenţă variabilă. Dupămodul de realizare al elementului rezistiv există rezistoare cu peliculă,rezistoare de volum, rezistoare bobinate.

A. Rezistoare cu peliculă. La acest tip constructiv, elementul rezistoreste realizat sub forma unui strat subţire (0,001÷100)μm dintr -un materialceramic, dintr-un oxid sau un semiconductor depus pe un suport izolator,căruia i se ataşează contacte şi terminale.

a) Rezistoare cu peliculă de carbon RCG . Aceste rezistoare au ca

element conductor o peliculă de carbon pirolitic, obţinută prindescompunerea metanului la temperatură ridicată, în vid sau în atmosferă degaz inert. Stratul depus pe un suport ceramic cilindric este filetat pentru acreşte şi ajusta valoarea rezistenţei. La capetele suportului se depune o

peliculă metalică care asigură contactul cu terminalele. Lipirea terminalelorse face cu cositor. Se aplică pe suprafaţă un strat protector de vopsea.

Fig.1.4 Structura unui rezistor cu peliculă de carbon.

b) Rezistoare cu peliculă metalică sau oxizi ai metalelor RPM . Laaceste tipuri de rezistoare stratul rezistiv se obţine prin evaporare în vid peun suport ceramic plan a unor metale: crom, wolfram, tantal, a unor aliaje

(Ni-Cr, Ni-Cu, Sn-Cl2, Sn-Cl4), sau a unor oxizi metalici (SnO2). Sefoloseşte o tehnică serigrafică pentru delimitarea zonelor în care se facdepunerile succesive. Se depun mai întâi contactele din Ag-Pd, după care serealizează stratul rezistiv. Obţinerea valorii exacte a rezistenţei se face prinajustare, pe baza indicaţiei obţinute de la capetele de măsurare careexplorează placa suport cip cu cip şi comandă un jet de pulbere abrazivăcare înlătură surplusul de peliculă rezistivă până la atingerea valorii dorite. Separarea cipurilor se face prin tăiere cu laser, după care se sudează

peliculă metalică

terminal

peliculă de carbon suport ceramic

şanţ filetat în peliculade carbon pirolitic pânăla suportul ceramic

strat protector (vopsea)


7/38


17

terminalele pe zonele AgPd. Protecţia rezistorului se face prin acoperir e curăşină epoxidică termodură (fig.1.5).

Fig.1.5 Etapele de obţinere ale unui rezistor cu peliculă metalică.

B. Rezistoare de volum. Elementul rezistor este realizat sub formaunei bare obţinută prin presarea unei compoziţii carbon-ceramică, metal-ceramică, lac-negru de fum. La capetele barei se fixează terminalele şiîntregul ansamblu se acoperă cu un material sintetic. Acest tip de rezistoareau dimensiuni reduse şi pot înlocui rezistoarele cu peliculă de carbon.

Fig. 1.6 Structura unui rezistor de volum.

C. Rezistoare bobinate. Au elementul rezistiv realizat dintr-unconductor izolat sau neizolat cu rezistivitate ridicată, bobinat pe un suportizolator. Ca materiale rezistive se folosesc: manganina, constantanul, crom-

Strat izolator de protecţ ie

M asă rezistivă

Co ntact metal ic Terminal

1 2 3 4 5

RPM 1K5 2%

Suport ceramic partajat

Contacte Ag-Pd

Strat rezistivZonă cu stratrezistiv coroda t

6

Terminale


8/38


18

nichelul, aliaje care asigură următoarele proprietăţi reprezentative:coeficient de temperatură redus α = ± (2÷8)10-4/°C, temperatură de func-ţionare ridicată, stabilitate în timp, rigiditate mecanică. Rezistoarele

bobinate au ca suport pentru conductor fibre de sticlă, ansamblul fiindintrodus într-un corp ceramic după ce capetele conductorului au fost f ixate

prin două căpăcele de cupru la terminale. Rezistoarele bobinate prezintăinductanţă ridicată şi se folosesc numai în curent continuu şi la joasăfrecvenţă atunci când este necesară o putere disipată importantă (fig.1.7).

Fig.1.7 Structura unu rezistor bobinat.

D. Rezistoare SMD (Surface Mounted Devices). Sunt rezistoarespeciale pentru circuite cu o mare densitate de componente. Rezistoarele

SMD au dimensiuni reduse şi nu dispun de terminale, fiind lipite direct petraseele de cablaj. Prezintă o fiabilitate ridicată şi performanţe foar te bune laînaltă frecvenţă. (C p ≤ 0,05pF, L p ≤ 2nH). Rezistoarele SMD sunt realizate întehnica straturilor groase pe suport de alumină în formă de paralelipiped.Tehnologia de realizare este asemănătoare cu cea a RPM, descrisă anterior.Elementul rezistiv este o peliculă metalică care se depune pe suportul dealumină şi a cărui valoare se ajustează în timpul măsurătorilor prin tehnicalaser.

Fig. 1.8 Structura unui rezistor SMD

Fir rezistiv Supor t din f ibră desticlă sau ceram ic

Căp ăcel ş iterminal Strat protector


9/38


19

Dimensiunile rezistoarelor SMD sunt în funcţie de puterea acestora (vezitabelul 1.2).

Tabelul 1.2 Caracteristici de putere şi dimensiuni pentru rezistoare SMD

Putere disipată (W) 0,25 0,125 0,063Tensiunea nominală(V) 200 150 50Dimensiuni L/l (mm) 3,2/1,6 2/1,25 1,6/0,8

Gama de valori ale rezistoarelor SMD este 1Ω÷10MΩ cu toleranţe de

la 0,1% la 5% şi coeficienţi de temperatură cuprinşi între ±(10÷

200)10

-6

/°C.

Conectarea SMD în circuit se face de regulă robotizat datoritădimensiunilor reduse care impun o precizie de manipulare ridicată. Se

procedează la lipirea SMD pe cablaj cu un adeziv termorezistent după carese face lipirea în val (baie de cositor).

1.1.4 Rezistoare variabile şi semivariabile

La acest tip de rezistoare (fig.1.9) rezistenţa electrică poate fi variatăcontinuu sau în trepte între anumite valori limită prin deplasarea mecanică aunui contact alunecător pe suprafaţa elementului rezistiv.

Fig. 1.9 Rezistoare variabile: a- circular; b- liniar

Rezistoarele variabile folosite pentru reglarea unor mărimi electrice în

mod repetat şi care sunt accesibile pe panoul aparatelor sunt denumite potenţiometre, deşi prin denumirea de potenţiometru se înţelege corect unmod specific de conectare în circuit a unui rezistor variabil în scopulculegerii unei tensiuni variabile. În funcţionare potenţiometrele trebuie săasigure un anumit număr de cicluri de funcţionare fără să-şi altereze

proprietăţile iniţiale. Datorită frecării contactului alunecător de elementulrezistiv apar degradări care conduc la scăderea performanţelor. Producătorii


10/38


20

indică numărul probabil de cicluri de funcţionare corectă (cca.10.000-25.000).

Există şi rezistoare variabile care sunt acţionate rar, la punerea înfuncţiune a aparatului pentru reglajele iniţiale şi la recalibrări. Acestea deregulă nu sunt accesibile din exterior în mod direct şi au dimensiuni reduse,formând clasa rezistoarelor semireglabile. Numărul de cicluri de funcţionare

pentru aceste elemente este de cca. 500 – 1.000.La rezistoarele variabile, precizia reglării depinde de materialul

elementului rezistiv şi de rezistenţa de contact între cursor şi elementulrezistiv. La potenţiometru este importantă legea de variaţie a rezistenţeimăsurate între cursor şi unul din capatele elementului rezistiv în funcţie de

unghiul de rotaţie. Există dependenţe de tip liniar,logaritmic,exponenţial ş.a. În funcţie de elementul rezistiv, rezistoarele variabile pot fi: cu peliculă

de carbon, cu peliculă metalică sau bobinate. Cele prezentate la rezistoarelefixe privind caracteristicile, rămân valabile şi aici.

Constructiv potenţiometrele sunt de mai multe tipuri:a) simple, cu un element rezistiv pe care cursorul se roteşte sau sedeplasează liniar direct sau prin intermediul unei mişcări elicoidale (careasigură o rezoluţie superioară la fixarea valorii dorite). b) multiple cu două sau mai multe elemente rezistive ale căror cursoaresunt comandate prin acelaşi ax.

Tabelul 1.1. Serii de valori pentru rezistenţe şi capacităţi conform CEI

E6 20% E12 10% E24 5%

1,0 1,0 1,01,1

1,2 1,21,3

1,5 1,5 1,51,6

1,8 1,82,0

2,2 2,2 2,22,4

2,7 2,73,0

3,3 3,3 3,33,6

3,9 3,94,3

4,7 4,7 4,75,1

5,6 5,66,2

6,8 6,8 6,97,5

8,2 8,29,1


11/38


21

1.1.5 Fotorezistorul sau detectorul fotoconductiv

Este un rezistor a cărui rezistenţă depinde de fluxul luminos incident pesuprafaţa sa, funcţionând pe baza efectului fotoelectric intern în semi-conductoare (care va fi prezentat în capitolul 4).

Se consideră structura simplificată a unui fotorezistor din fig.1.10.

Fig. 1.10 Structura unui fotorezistor.

Sub acţiunea unui flux luminos incident de intensitate L este eliberat unnumăr n de electroni pe secundă în volumul materialului semiconductor:

unde η este o constantă ce depinde de lungimea de undă a radiaţieiincidente.

Dacă între terminalele fotorezistorului se aplică tensiunea U, electroniivor căpăta viteza:

unde μ este mobilitatea electronilor ( vezi cap. 2).La electrodul pozitiv al fotorezistorului vor ajunge electronii care suntgeneraţi de fluxul luminos la distanţă egală cu vτ de electrod, unde τ estedurata medie de viaţă a electronilor liberi. Curentul va fi format numai dinfracţiunea vτ/a din totalul electronilor liberi.

(1.10)

(1.8) ηLabn

a

Uμv (1.9)

a

ηeμτbLU

a

vτneI


12/38


22

unde e =1,602·10-19C (sarcina electronului).

Rezistenţa materialului este:

(1.11)

Durata medie de viaţă a electronilor depinde de lungimea de undă şi deintensitatea fluxului luminos incident:

(1.12)

unde β este o constantă.

Dependenţa dintre rezistenţa fotorezistorului şi iluminare esteexprimată prin relaţia:

(1.13)

(1.14)

(1.15)

Analiza funcţiei (1.13) conduce la concluzia că o variaţie importantă a

rezistenţei apare dacă M este cât mai mic, fapt care se poate obţine prinalegerea unor materiale semiconductoare cu η, μ şi τ0 cât mai mari, iar lavarianta constructivă aleasă, raportul a/b să fie cât mai mic, ceea ce impunefolosirea: a) unor electrozi interdigitali (vezi fig.1.11) care realizează practicstructuri ca cea prezentată, dar conectate în paralel; b)cu electrod transparentoptic prin care pătrunde fluxul incident iar celălalt paralel cu el la o distanţăfoarte mică.

1L

ηeμτb

a

I

UR

β0 Lλ ττ

αMLR

β1α

bηeμ

aM

0τ


13/38


23

Fig. 1.11 Moduri de dispunere a electrozilor interdigitali la fotorezistoare.

Caracteristici specifice fotorezistoarelor:

a) Rezistenţa de întuneric, R d reprezintă valoarea rezistenţei lailuminare nulă.

b) Sensibilitatea integrală, S reprezintă raportul dintre fotocurent şifluxul luminos incident Φ:

(1.16)

unde IL este curentul prin fotorezistor sub fluxul incident iar Id este curentulde întuneric.

c) Sensibilitatea spectrală , Sλ reprezintă raportul dintre fotocurent şifluxul incident la iluminare monocromatică. d) Sensibilitatea fotorezistorului S R definită ca:

(1.17)

e) Caracteristica spectrală a sensibilităţii indică variaţia sensibilităţiispectrale Sλ, în funcţie de lungimea de undă λ. Primele fotorezistoare au fostrealizate din Seleniu cristalin. Ulterior, pentru îmbunătăţirea performanţelor

gama materialelor s-a extins la PbS, CdS, CdSe. Fotorezistoarele realizatedin PbS au maximul sensibilităţii în infraroşu (λ >7600Å) şi o inerţie mică,cu valori ale rezistenţei de întuneric cuprinse între 104 şi 107Ω, iar alerezistenţei de iluminare coborând până la 102Ω. Fotorezistoarele din sulfurăde cadmiu (CdS) monocristalin sunt sensibile în domeniul vizibil( λ=4000…7600Å), au o caracteristică de lumină liniară până la aproximativ 1000 lx. Modificarea maximului caracteristicii spectrale se face prindoparea cu impurităţi de Cu şi Fe. Fotorezistoarele pe bază de CdSe au

Φ

IIS d

L

ΦR

R R S

d

dR


14/38


24

sensibilitate mare şi inerţie redusă în raport cu CdS şi prezintă un maximumde sensibilitate spectrală la λ = 7200Å.

f) Dependenţa curent-tensiune prezintă simetrie faţă de origineaaxelor de coordonate, deoarece rezistenţa nu depinde de polaritatea tensiuniiaplicate. Se poate scrie:

(1.18)

unde D0 şi D1 sunt constante determinate de proprietăţile de material în

condiţii de întuneric şi respectiv de iluminare, γ este coeficientul deneliniaritate al caracteristicii energetice, iar U este tensiunea aplicată la

bornele fotorezistorului. Se constată liniaritatea caracteristicilor curent-tensiune având ca parametru fluxul luminos.

Fig. 1.12 a- Caracteristica spectrală a unui fotorezistor CdS cu impurităţi de

Cu; b- Caracteristica rezistenţă-iluminare a aceluiaşi fotorezistor

În caracteristicile reale pot apare abateri de la liniaritate, în special lafotorezistoarele cu structură policristalină, fie la tensiuni de polarizarereduse, fie la tensiuni de polarizare foarte mari.

UΦDUDIII γ

010Ld


15/38


25

a b

Fig. 1.13 a- Circuit pentru alimentarea unui fotorezistor şi măsurareafluxului luminos, b- Caracteristici curent-tensiune la fotorezistorul ideal.

g) Constanta de timp a fotorezistorului τ0. Dacă fotorezistorul estealimentat la tensiunea U şi iluminat cu impulsuri de lumină,care au ovariaţie dreptunghiulară, atunci fotocurentul va avea forma din fig. 1.14

prezentând o întârziere la atingerea valorii IS de la apariţia fluxului luminosşi deasemenea o întîrziere în scăderea fotocurentului după anularea fluxului

luminos. Intervalul de timp τ c,în care curentul I creşte până la valoarea :(1 - e-1 )IS = 0,63IS (unde IS este valoarea staţionară a fotocurentului) senumeşte timp de creştere sau constanta de timp a creşterii fotocurentului.Intervalul de timp τd în care curentul I scade până la valoarea 0,36IS dupăîncetarea fluxului luminos se numeşte constanta de timp a descreşterii

fotocurentului. De obicei τc≃τd ≃τ0. τ0 se numeşte constanta de timp afotorezistorului. Constanta de timp defineşte inerţia fotorezistorului laacţiunea radiaţiei incidente. La fotorezistoarele cu CdS şi CdSe constantaτ 0 = 10

-2 … 10-3 s , iar la fotorezistoarele cu PbS şi PbSe τ0 = 10-4…10-5 s.

h) Nivelul de zgomot şi pragul de sensibilitate al fotorezistorului. Înfotorezistor apar următoarele tipuri de zgomote: zgomot termic, zgomot degenerare-recombinare, zgomot de curent, zgomotul iradierii de fond. Princompunere, aceste zgomote determină fluctuaţii ale tensiunii.

(1.19)

Fiecare tip de zgomot este determinat de materialul folosit şi devarianta constructivă a fotorezistorului. Dacă semnalul detectat este

2

i

2

f 1

2

GR

2

T

2

z UUUUU


16/38


26

modulat, se constată o scădere a zgomotului global cu frecvenţa demodulare, dar şi o reducere a sensibilităţii. Se alege o frecvenţă de modulareoptimă pentru care se atinge valoarea minimă a fluxului de prag.Fotorezistoarele pentru semnale slabe în infraroşu funcţionează latemperaturi coborâte fiind răcite în azot lichid, oxigen lichid, heliu lichid.Prin acest mod pragul de sensibilitate al acestora este determinat defluctuaţiile fotonilor incidenţi.

Fig. 1.14. Definirea constantei de timp la fotorezistor.

1.1.6 Termistorul

Termistorul este o componentă pasivă care prezintă o puternicădependenţă a rezistenţei electrice proprii cu temperatura la care se află.Starea de încălzire a termistorului poate fi determinată atât de temperaturamediului ambiant cât şi de puterea disipată în acesta prin trecerea curentului

electric. In funcţie de materialul din care este realizat, termistorul poate aveaun coeficient de temperatură negativ (NTC), sau pozitiv (PTC). Incontinuare se prezintă caracteristicile specifice termistoarelor NTC care au outilizare mai largă.

a) Dependenţa rezistenţei de temperatură este exprimată prin relaţia:

(1.20)TB

T AeR


17/38


27

unde A este o constantă de proporţionalitate iar B este o constantă dematerial care depinde nesemnificativ de temperatură.

b) Coeficientul de temperatură al termistorului este dat de :

(1.21)

R este dependent de constanta de material B şi de temperatură [α = (3÷6)10-2 /K ]. De obicei se indică coeficientul de temperatură la 25°C, la care sedă şi valoarea nominală a rezistenţei termistorului.

c) Constanta de timp termică τT reprezintă timpul necesar unuitermistor pentru ca temperatura sa să ajungă la 63,2% din temperatura finalăatunci când este supus unui salt de temperatură în condiţii de disipaţie nulă.Acest timp este de cca. 40…220s în funcţie de varianta constructivă.Această inerţie poate cauza erori în prelucrarea datelor prin imposibilitateade a urmări variaţii rapide de temperatură.

Fig. 1.15. Dependenţa de temperatură a rezistenţei unui termistor NTC şi simbolul acestuia.

Termistoarele NTC sunt realizate pe baza materialelor semiconductoarecare prezintă o rezistivitate care scade cu creşterea temperaturii. Se folosescoxizi şi elemente din grupa fierului: Fe, Cr, Mn, Co, Ni, impurificaţi cu ionistrăini şi amestecaţi cu un liant după care sunt sinterizaţi. Ca formă pot fi:discuri, cilindri, plachete, tuburi. Principalele aplicaţii ale termistoarelorsunt: măsurarea temperaturii, stabilizarea tensiunii şi curentului,compensarea cu temperatura a unor dispozitive electronice, măsurarea

puterii, circuite de protecţie termică.

2

T

T

R T

B

dT

dR

R

1α

R

T(K)

T(K)


18/38


28

1.1.7. Varistorul

Varistorul este un rezistor la care valoarea rezistenţei scade cu creştereatensiunii la bornele sale. Caracteristicile curent tensiune la două tipurireprezentative de varistoare sunt prezentate în fig.1.16-c. Materialelefolosite la realizarea varistoarelor sunt în special carbura de s iliciu (SiC) şioxidul de zinc (ZnO), care în amestec cu lianţi sunt presate şi sinterizateobţinându-se contacte stabile între granulele ansamblului. După sinterizaresunt supuse unui tratament termic de îmbătrânire şi unui regim electric cuimpulsuri de tensiune. Armăturile şi terminalele se realizează ca la

rezistoarele cu peliculă metalică.

Fig. 1.16. a-variantă constructivă de varistor; b- str uctura internă; c-caracteristici curent-tensiune la varistoare cu ZnO şi SiC; d- simbol.Funcţionarea varistorului se explică prin fenomenele care au loc la

suprafaţa granulelor care prin proeminenţele ce le prezintă provoacă de la oanumită tensiune conducţia electrică prin structură. Această conducţie areloc în regim de impuls, varistorul putând pr elua şocuri de curent de duratăredusă care nu provoacă distrugerea termică a acestuia .

Caracteristici specifice varistoarelor.a) Caracteristica statică a varistorului este dată de:

unde a şi b sunt constante iar n > 1.O altă formă de exprimare a dependenţei este:

(1.23)

(1.22)

I=KU α

I=aU+bU n


19/38


29

unde K este o constantă care indică tensiunea de lucru a varistorului, iar αeste o constantă care dă neliniaritatea caracteristicii (α ~5 pt. SiC şi α ~25

pt. ZnO).Practic se realizează varistoare cu tensiuni de deschidere între 6V şi

2KV şi curenţi în impuls de la 30mA la 4KA.b) Viteza de răspuns este dată de timpul în care structura granulară

intră în conducţie. Acest timp este sub 10-7s, proprietate care conferăutilizări ale varistoarelor în circuite de protecţie ultrarapide ale aparaturii demăsurare, de transmisie date, şi a unor componente la apariţia desupratensiuni.

În figura 1.17 se indică modul de conectare a varistorului pentru a

proteja intrarea unui amplificator faţă de tensiuni induse periculoase înintrare.

Fig. 1.17 Schemă de principiu pentru protecţia cu varistor a intrării unui amplificator de măsură.

1.2. Condensatorul

1.2.1.Introducere

Condensatorul este o componentă pasivă compusă din douăconductoare numite armături, separate printr -un mediu dielectric cu permitivitatea ε. Dacă este cuplat la o tensiune U se încarcă cu sarcinielectrice Q în funcţie de capacitatea C :

(1.24)

SURSADE SEMNAL

AMPLIFICATOR DE MASURĂ

R V

Tensiuni induse externe de nivel ridicat

Element de protecţie tip VARISTOR

U

QC


20/38


30

Capacitatea se măsoară în farad (F), condensatoarele având valori uzualecuprinse între 1pF şi 10.000μF. În regim de curent variabil tensiunea la

bornele condensatorului este dată de:

(1.25)

unde uc şi i sunt valorile instantanee ale tensiunii şi curentului. În regim sinusoidal condensatorul introduce un defazaj cu π/2 între

curent şi tensiune şi are o reactanţă capacitivă:

(1.26)

unde ω este pulsaţia tensiunii sinusoidale.Capacitatea condensatorului plan este dată de:

(1.27)

unde: ε0 este permitivitatea absolută a vidului (ε0 = 8,854·10-12F/m),

ε este permitivitatea absolută a materialului dielectric, εr este permitivitatea relativă a materialului dielectric,S este suprafaţa armăturilor plane, d este distanţa dintre armături.

Fig. 1.18 a- structura condensatorului; b- simbol general;c- defazajul dintre curent şi tensiune.

idtC1

u c

ωC

1Xc SI=Ohm(Ω)

d

Sεε

d

εSC r 0

TERMINAL

DIELECTRIC ARMĂTURIMETALICE

a b c

I

U


21/38


31

Din analiza relaţiei (1.27) se observă importanţa proprietăţilordielectricului în realizarea unei anumite capacităţi. În plus , în câmpalternativ dielectricul prezintă “pierderi” care conduc la modificareacomportării condensatorului cu frecvenţa. Deasemenea pierderi apar înarmăturile şi terminalele condensatorului. Acest fenomen poate fi modelat

printr-o schemă echivalentă serie în care pierderile sunt introduse prinrezistorul r sau o schemă echivalentă paralel unde pierderile apar datorităunui rezistor paralel R (fig.1.19).

Modul în care se schimbă permitivitatea relativă şi tangenta unghiuluide pierderi ale unui material cu frecvenţa şi temperatura se studiază încadrul fizicii dielectricilor. Dielectricii prezintă diferite tipuri de polarizare

care vor dicta comportarea condensator ului în funcţie de frecvenţa câmpuluialternativ. În fig.1.19 se prezintă un exemplu de dependenţă a permitivităţii(ε) şi a tangentei unghiului de pierderi (tgδ) la un dielectric polar în funcţiede frecvenţă.

Fig. 1.19 Exprimarea pierderilor în condensator: a- model serie, b- model paralel.

I

r

C

u

u

i

r

uc

cU U

rU

cUrUtg

I

u

i i

i

U

tg C R

c Ic

Ic

R

IR

IR

a

b


22/38


32

Fig. 1.20 Dependenţa mărimilor εr şi tgδ în funcţie de frecvenţă la:

a- polietilentereftalat la 20

0

C ; b- policarbonat la 20

0

C.În tabelul 1.3 se pot observa valorile tgδ pentru dif erite tipuri de

condensatoare. Din totalul componentelor unui montaj condensatoareleconstituie circa 25%.

1.2.2 Caracteristici principale ale condensatoarelor

A. Capacitatea nominală Cn, este valoarea capacităţii condensatoruluimăsurată în condiţii specificate de tensiune şi frecvenţă la temperaturănormală (Ta=25°C). Această valoare este marcată pe corpul condensatorului

în clar sau în codul culorilor. Precizia cu care este obţinută valoarea dorită acapacităţii este dată de tehnologia utilizată. Pentru a preciza abaterea posibilă a valorii reale a capacităţii faţă de valoarea marcată se introducemărimea numită toleranţă. Ca şi la rezistoare toleranţa t exprimă în procenteabaterea maximă admisibilă a valorii reale C a capacităţii faţă de valoareamarcată Cn.

(1.28)

Pentru valori ale capacităţii mai mici de 1μF firmele producătoare

folosesc pentru obţinerea şirurilor de valori standardizate aceeaşi procedurăca la rezistoare obţinându-se seriile E6, E12, E24, E48, E96, E192, (vezi 1.2A şi tabelul 1.1), cu toleranţele corespunzătoare. Pentru valori ale capacităţii

peste 1μF valorile nominale şi toleranţele sunt stabilite de fiecare firmă producătoare în parte. Pentru condensatoare electrolitice se dau toleranţemari şi nesimetrice (ex. : 0…+50%; -10%…+30%; -20%…+80%).

B. Tensiunea nominală Un, este tensiunea continuă maximă sautensiunea alternativă efectivă maximă care poate fi aplicată permanent la

100C

CCmaxt

n

n


23/38


33

terminalele condensatorului la temperatura normală. Valorile standardizateîn volţi ale tensiunilor nominale sunt: 6, 12, 16, 25, 63, 70, 100, 125, 250,350, 450, 500, 650, 1000. Pentru aplicaţii speciale se realizeazăcondensatoare cu tensiunea nominală până la 30KV.

În procesul de verificare a funcţionării condensatoarelor se utilizeazătensiuni mai mari decât tensiunea nominală: a) tensiunea de încercare este valoarea tensiunii maxime care poate fiaplicată condensatorului un interval scurt de timp (secunde→minute), fărăsă apară străpungerea; tensiunea de încercare caracterizează rigiditateadielectrică la funcţionarea în regim de suprasarcină de scurtă durată. Deobicei tensiunea de încercare este de (2…3)U n.b)

tensiunea de străpungere este tensiunea la care are loc stră pungereadielectricului prin procese ireversibile care conduc la distrugereacondensatorului. Atingerea acestei valori este periculoasă din punct devedere al aparaturii în care este montat condensatorul conducând la oexplozie care poate produce accidente.

C. Rezistenţa de izolaţie R iz, este definită ca raportul dintre tensiuneacontinuă aplicată condensatorului şi curentul care îl străbate la un minut dela aplicarea tensiunii, în condiţii specificate de temperatură şi umiditate.Valorile obişnuite sunt: R iz =100MΩ …1000GΩ.La condensatoarele electrolitice se defineşte curentul de fugă If carereprezintă curentul ce trece prin condensator după 1 minut de la aplicareaunei tensiuni continue la terminale.

D. Coeficientul de temperatură al capacităţii αc, indică comportareacondensatorului la modificarea temperaturii şi reprezintă variaţia relativă acapacităţii corespunzătoare variaţiei temperaturii cu 1K:

(1.29)

(1.30)

La condensatoare, uneori αc se exprimă în ppm/K, ( părţi pemilion/Kelvin). Coeficientul de temperatură poate fi atât negativ cât şi

pozitiv în funcţie de construcţia condensatorului şi de dielectricul folosit,elemente care stabilesc şi intervalul de temperatură în care poate funcţiona

dT

dC

C

1αc [K

-1]

0

T0T

0

cTT

CC

C

1

α


24/38


34

condensatorul. Domeniul de temperatură uzual:-25°C…+70°C; Domeniulde temperatură extins: -40°C…+125°C.

αc = (-750÷+30)10-6/°C

E. Absorbţia dielectrică. Prin scurtcircuitarea un timp scurt aterminalelor unui condensator încărcat, tensiunea scade la zero dar dupăînlăturarea scurtcircuitului tensiunea pe condensator creşte din nou. Acestfenomen apare ca urmare a proceselor ce au loc în dielectric prin polarizareşi este periculos în special la condensatoarele electrolitice, putând provoca

blocarea amplificatoarelor sau comutarea necontrolată a unor circuite. F. Comportarea condensatorului real în curent alternativ. Privit ca

o componentă ideală aşa cum s-a prezentat în fig. 1.18, condensatorulintroduce în circuitul de curent alternativ în care este cuplat reactanţacapacitivă Xc şi un def azaj de π/2 între curent şi tensiune (tensiunea fiind înurma curentului). Condensatorul real prin construcţia şi materialele din careeste realizat are o comportare complexă în funcţie de frecvenţă fiindmodelat printr-o schemă echivalentă ca în fig. 1.21.

Fig. 1.21 Schema echivalentă a unui condensator real.

Terminalele şi armăturile din cupru, aluminiu, argint sau aliaje, au orezistenţă finită, exprimată în schema echivalentă prin r s. La trecerea curentului electric prin terminale, armături şi prindielectric, apare un câmp magnetic care poate fi descris prin intermediulinductanţei serie L. Materialele dielectrice nu sunt izolatoare perfecte ele fiind parcursechiar în curent continuu de un curent rezidual foarte mic, care produce întimp descărcarea condensatorului. Acest fenomen este modelat prin

introducerea rezistorului r p în paralel cu condensatorul ideal C. În câmp alternativ toate materialele dielectrice introduc rezistenţa de

pierderi în dielectric R p,a cărei expresie este:

(1.31)

unde tgδ este tangenta unghiului de pierderi datorate dielectricului.

ωCtg.δ

1R p

r

r

C

A A BB s R

p

pL


25/38


35

Impedanţa condensatorului real modelat ca în fig.1.21, este:

(1.32)

Analizând expresia (1.32) se constată dependenţa clară de frecvenţă acapacităţii şi pierderilor la condensatorul real ceea ce atrage atenţia asupramodului de alegere a variantei constructive de condensator în funcţie deaplicaţia urmărită. Un condensator poate avea capacitatea nominală aleasă,

dar poate să nu funcţioneze la parametrii doriţi sau să nu funcţioneze delocla o anumită frecvenţă şi într -un anumit tip de aplicaţie. Trebuie obligatoriuconsultată foaia de catalog în care producătorul prezintă caracteristicilecondensatoarelor.

1.2.3 Tipuri constructive de condensatoare

A. Condensatoare ceramice. Acest tip de condensatoare au cadielectric o ceramică dintr -un amestec de oxizi, silicaţi şi zirconaţi aidiferitelor metale. Există trei tipuri principale de ceramică: ceramica tip I

din titanaţi de magneziu şi calciu: εr = 5…200 , tgδ redus, coeficient de temperatură cunoscut. Condensatoarele ceramice pot fi plachetă, disc sau tubulare avînd o

construcţie ca cea prezentată în figura 1.22.

Fig. 1.22 Construcţia condensatoarelor ceramice.

ceramica tip II din titanaţi şi zirconaţi de bariu sau stronţiu cu permitivitate până la εr = 15.000 şi tgδ cu un ordin de măr ime peste

p p

S

R

1C jω

r

1

1C jωr Z

CONDENSATOR PLACHETĂVEDERE LATERALĂ SECŢIUNE

CERAMICĂ

TERMINAL

LIPITURĂ

ARMĂTURĂ

CONDENSATOR TUBULAR

VEDERE LATERALĂ SECŢIUNE

TERMINAL

LIPITURĂ

ARMĂTURĂ ARMĂTURITUB CERAMIC


26/38


36

ceramica tip I. Acest tip de ceramică are o comportare necontrolată cutemperatura.

ceramica tip III are ca bază amestecuri cu titanat de bariu tratate termiccare conduc la permitivităţi ce pot depăşi εr = 200.000, putându-se realizacondensatoare cu capacităţi ridicate şi dimensiuni reduse.

Pentru a realiza un condensator ceramic se parcurg următoarele etape: se obţine ceramica dielectrică prin dozarea substanţelor care o compun

prin : amestecare, măcinare, combinare cu lianţi specifici, după care prin presare, laminare sau turnare într-un proces termic bine controlat serealizează forme de disc, plachetă sau tub având dimensiunile necesare

pentru obţinerea capacităţii nominale dorite; se depun armăturile din argint pe cele două feţe ale ceramicii prindiferite metode după care se face o fixare termică a acestora; se lipesc terminalele la armături; se acoperă structura astfel obţinută cu un strat de răşină termodură saucu vopsea specială; se face marcarea condensatorului.

Există condensatoare ceramice multistrat care realizează, printr-ostructură complexă de condensatoare ceramice conectate în paralel,capacităţi specifice ridicate. În volume mici se obţin capacităţi până la 1μF.

B. Condensatoare cu peliculă din material plastic. La aceste condensatoare folia dielectrică se aplică într -un singur strat,iar armăturile sunt folii din aluminiu cu grosimea de câţiva microni sau

pelicule din aluminiu obţinute prin depunerea în vid a aluminiului pedielectric.

a) Condensatoare cu polistiren (styroflex). Se obţin prin bobinarea pemaşini automate a două folii din aluminiu care alcătuiesc armăturileseparate de folia dielectrică din polistiren.

Fig. 1.23 Construcţia condensatoarelor cu polistiren (styroflex).

CONDENSATOR ÎN FORMARE

FOLIE POLISTIREN

FOLIE METALICĂ

ARMĂTURI METALICE (FOLII)

DIELECTRIC (FOLII)

ARMĂTURI METALICE (FOLII) DIELECTRIC

(FOLII)

TERMINAL


27/38


37

Terminalele din sârmă de cupru cositorită sunt lipite prin sudură în puncte de armături. După bobinare condensatorul este supus unui regimtermic de încălzire care stabilizează structura şi din punct de vederemecanic. În final se face marcarea condensatorului.

Condensatoarele styroflex au pierderi foarte mici (tgδ≃10-4) şi un coeficientde temperatură redus. Gama de valori este de 20pF…470nF cu toleranţereduse 1%, 2%, 5%. Se utilizează în oscilatoare, filtre, circuite acordate.

b) Condensatoare cu polietilentereftalat (mylar). Sunt realizate din folii plastice din dielectrici polari care se pot metaliza: polietilentereftalat, policarbonat, răşină poliamidică. Au pierderi relativ mari (tgδ >10-2), dar

datorită armăturilor depuse direct pe folie au o capacitate specifică ridicată.Obţinerea acestor condensatoare este asemănătoare cu cea acondensatoarelor cu polistiren, cu diferenţa că armăturile din aluminiu sedepun prin evaporare în vid direct pe folie. Protejarea condensatoarelormylar se face prin încapsulare în capsule cilindrice sau dreptunghiulare şietanşate cu răşini epoxidice.

C. Condensatoare electrolitice. Condensatoarele electrolitice au cadielectric o peliculă subţire din oxid unipolar (Al2O3, Ta2O5, Mb2O3), curezistivitate ridicată şi rigiditate dielectrică mare. Una din armături estechiar din metalul pe care se obţine stratul dielectric, iar cealaltă armătură

este un electrolit impregnat într-un dielectric poros sau solid. Pentru a semenţine stratul de oxid, armătura metalică trebuie să fie întotdeauna pozitivăîn raport electrolitul, ceea ce conduce la necesitatea unei polarizări specificecondensatoarelor electrolitice în timpul funcţionării. Acestea lucrează numaiîn curent continuu admiţând o componentă alternativă redusă, suprapusă

peste cea continuă. a) Condensatoarele cu aluminiu semiuscat . Sunt condensatoare

bobinate cu următoarea structură: armătura pozitivă este dintr -o folie din aluminiu pur cu grosimea de50÷100μm, asperizată electrochimic pentru creşterea suprafeţei de lucru;

prin oxidare pe suprafaţa aluminiului se obţine un strat dielectric din Al2O3,

cu o grosime sub 1μm; două fâşii din hârtie cu grosimea de cca.100 μm în care se va impregnaelectrolitul; armătura negativă dintr -o folie din aluminiu car e asigură contactulelectric spre exterior al electrolitului; terminalele se nituiesc de cele două armături şi sunt scoase în exteriorulstructurii;


28/38


38

se introduce electrolit: hidroxid de amoniu, acid boric, etilenglicol, caretrebuie să asigure prin impregnarea hârtiei o rezistenţă electrică stabilă întimp şi cu dependenţă redusă în raport cu temperatura şi frecvenţa; se realizează încapsularea în carcase din aluminiu sau plastic.

Observaţ ie: După stocarea un timp îndelungat (câteva luni),condensatoarele electrolitice trebuie formate prin menţinerea un anumittimp la o tensiune apropiată de cea nominală pentru refacerea stratului deoxid. Iniţial “curentul de fugă” prin condensator poate atinge valori mari.Condensatoarele cu aluminiu au capacităţi cuprinse între 0,47 μF şi 100.000μF la tensiuni cuprinse în domeniul: 3V…500V. Toleranţa condensatoarelorelectrolitice este mare.

b) Condensatoarele cu tantal semiuscat. Au o structură asemănătoarecondensatoarelor cu aluminiu realizând capacităţi specifice mai maridatorită permitivităţii mai ridicate a pentaoxidului de tantal (Ta2O5) careconstituie dielectricul. O variantă îmbunătăţită o constituie condensatoarelecu anod sintetizat din tantal, care au următoarea structură: armătura pozitivă este un bloc cilindric presat şi sinterizat din tantal,care având o anumită granulaţie a pulberii realizează o suprafaţă de lucru deordinul a 1m2/cm3, ceea ce conduce la o capacitate specifică ridicată;

legătura cu terminalul se face prin presarea într -un conductor port anod dintantal; dielectricul este o peliculă cu grosimea de 100÷500Å din pentaoxid detantal; armătura negativă este un strat de bioxid de mangan (MnO2), obţinut

prin imersia anozilor oxidaţi 85% din înălţime în soluţie de mangan, urmatăde piroliză. Contactul se face prin imersia în grafit coloidal apoi argintare,după care se sudează terminalul.

Condensatoarele de acest tip, pot fi tip picătură sau tubulare, realizează performanţe mai bune ca cele cu aluminiu prin stabilitatea termică îndomeniu extins (-70…+80°C), curent de fugă redus, coeficient de

temperatură coborât, fiabilitate ridicată. Capacităţile uzuale sunt cuprinseîntre 0,1 μF şi 470 μF, iar tensiunea de lucru nu depăşeşte de regulă 63V. Există şi alte tipuri de condensatoare cum sunt condensatoarele cu hârtie şicondensatoarele cu mică.

Alte tipuri de condensatoare:

Condensatoarele cu hârtie sunt condensatoare bobinate care au cadielectric două sau trei straturi de hârtie specială impregnată cu ulei sau


29/38


39

ceară. Armăturile sunt din folii din aluminiu. Au capacităţi de 100pF…5 μF,şi tensiuni de lucru până la 1000V. (tgδ⋍10-2 şi creşte rapid cu frecvenţa).Se folosesc în circuite pentru cuplaje şi decuplaje unde există tensiuni marişi componente alternative sau impulsuri de nivel ridicat. Condensatoarele cu mică au o structură asemănătoare cucondensatoarele ceramice multistrat: armăturile din folie (de staniu, cupru,aluminiu) sunt dispuse alternativ între straturile de mică într -o structură tipsandwich. Armăturile pare se scurtcircuitează legîndu-se la un terminal alcondensatorului; la fel armăturile impare se scurtcircuitează şi se conecteazăla al doilea terminal al condensatorului şi se face încapsularea.

Condensatoarele cu mică au capacităţi reduse dar o stabilitate remarcabilă lavariaţii mari de temperatură.

1.2.4. Condensatoare variabile şi semivariabileCondensatoarele variabile sunt condensatoare cu capacitate redusă

(10÷500 pF) care poate fi modificată printr -o deplasare mecanică aarmăturilor, care au două părţi distincte, statorul şi rotorul, prin a cărorsuprapunere variabilă se modifică suprafaţa şi deci capacitatea. Se folosescîn special în acordul circuitelor oscilante. Axul de comandă al capacităţiieste accesibil în exteriorul montajului pentru a putea fi acţionat de utilizator.Condensatoarele semivariabile (trimeri), au proprietăţi asemănătoare, dar se

acţionează mai rar: la punerea în funcţiune a aparatului în procesul dereglare şi la calibrări. Parametrii specifici acestor tipuri de condensatoaresunt: Legea de variaţie a capacităţii cu unghiul de rotaţie:

unde Cmin este capacitatea minimă a condensatorului, Cmax este capacitateamaximă a condensatorului, φ este unghiul de rotaţie al rotorului faţă destator. Cmin = (0,05…0,2) Cmax.

Legea de variaţie poate fi liniară, logaritmică sau o funcţie de ordinul 2,în funcţie de aplicaţie. Momentul de rotaţie caracterizează modul în care condensatorul poatefi reglat. Valoarea medie este de 500μ Nm.

Variante constructive Condensatorul variabil cu aer. La acest ti p armăturile sunt constituitedin lamele (plăci) din aluminiu sau alamă cu grosimea de 0,5…1mm.

),C,f(CC maxmin


30/38


40

Lamelele statorului pătrund între lamelele rotorului, şi, în funcţie de unghiulde rotaţie se modifică suprafaţa condensatorului. Pentru a creşte capacitateaspecifică, între armăturile condensatorului cu aer poate fi introdusă o foliedielectrică. Se obţin astfel condensatoare cu polistiren sau cu

politetrafluoretilenă, care au dimensiuni mult reduse. Condensatorul semireglabil (trimer).Poate avea ca dielectric aerul,materialele ceramice, materialele sintetice polare sau nepolare.Trimerul ceramic plan este constituit dintr-un stator din ceramică pe careeste depusă o armătură din argint şi un rotor tot ceramic pe care este depusăcea de-a doua armătură din argint. Prin rotirea rotorului faţă de stator semodifică suprafaţa suprapusă, şi deci capacitatea. La aceste condensatoare C= 3÷30pF.

În prezent există tendinţa înlocuirii condensatoarelor din circuitele deacord cu diode VARACTOR, care au o fiabilitate mult mai ridicată neavând

piese în mişcare mecanică. Tabelul 1.3 Caracteristici comparate ale condensatoarelor fixe

Tip cond. Coef. deTemp .

(x10-6/K)

Tensiunenominală

(V)

Frecvenţa delucru(Hz)

Valoarenominală

Toleranţă

±(%)

Factor de pierderi

≤(10-2)Ceramic +100…-5600 25…30K 0…1G 1pF…1μF 2…50 0,1÷15Hârtie -2000 50…200K 20Hz…1M 1nF…200μF 2…20 0,2÷1Poliester 200…400 40…25k 20Hz…10M 10nF…20μF 1…20 0,5÷1Policarbonat 63…400K 20Hz…100M 1nF…10μF 1…20 0,1…0,2 Polistiren -150…-50 63…2k 0…1G 0,1nF…10μF 1…10 0,02…0,05 Polipropilenă -300…-100 63…1,6K 0…1G 1nF…10μF 1…20 0,02…0,05 Teflon 50…1K 0…1G 0,1μF…5μF 1…10 0,02…0,05 Electroliticaluminiu

6,3…500 0…10K 0,1μF…1F 10…50 5…80

Electrolitictantal

2…500 0…10K 1nF…100μF 15…75 2…10

Mică +30…-200 63…50K 0…10G 4,7pF…1μF 0,5..10 0,08…0,1 Porţelan +100…0 50…500K 0…5G 0,5pF…10nF 1…10 0,1…0,3

1.3 Bobina

1.3.1.Introducere

Bobina este o componentă pasivă, constituită dintr -un conductorelectric într-o anumită formă geometrică, care se opune variaţiei curentuluice o parcurge prin apariţia unei tensiuni la borne:

dt

diLu

L (1.33)


31/38


41

unde uL şi i sunt valorile instantanee ale tensiunii şi curentului, iar L esteinductanţa circuitului.

SI = Henry(H)

În regim sinusoidal bobina introduce un defazaj cu - π /2 între curent şitensiune şi o reactanţă inductivă:

(1.34)

unde ω este pulsaţia tensiunii sinusoidale. Calculul inductanţei unei bobine se face de cele mai multe ori prin

utilizarea unor relaţii empirice. Există o diversitate mare de bobine şi deobicei ele sunt realizate pentru un anumit tip de montaj sau o categorie deaplicaţii, neexistând o standardizare ca în cazul rezistoarelor şi alcondensatoarelor.

O bobină este constituită din înfăşurare (conductorul bobinat într-oanumită formă), carcasa dintr-un material dielectric (care susţineînfăşurarea), miezul care se află în interiorul carcasei (facultativ) şi ecranul ,cutie metalică ce cuprinde bobina (facultativ). În fig.1.24 se prezintăstructura unei bobine reale.

Fig. 1.24 Structura (în secţiune) a unei bobine reglabile cu miez.

Pentru o bobină lungă cu miez l≫D (l este lungimea şi D este diametrul bobinei), inductanţa este dată de relaţia.

(1.35)

XL=Lω < XL >=ohm(Ω )

l

S NμμL

2

r 0

TERMINAL

SUPORT

IZOLATOR

ÎNFĂŞURARE CARCASĂ

MIEZ REGLABIL

ECRAN


32/38


42

unde: μ0 = permeabilitatea magnetică a vidului (μ0 = 4π10-7A/m)μr = permeabilitatea relativă a materialului din miez

N = numărul de spire S = aria transversală a bobinei l = lungimea bobinajului.

Bobina reală are o componentă rezistivă dată de conductorul din careeste realizată, de aceea ea trebuie modelată printr -o schemă echivalentă serieca în fig. 1.25.

Fig. 1.25 Schema echivalentă a unei bobine reale

Dacă bobina este cu miez, schema echivalentă devine mai complicată,la pierderi contribuind şi materialul miezului.

1.3.2 Caracteristici principale ale bobinelor

A. Inductanţa nominală Ln, este valoarea inductanţei măsurată încondiţii specificate de frecvenţă ,la temperatură normală (Ta=25°C). Pentrua se obţine o anumită valoare a inductanţei în practică se folosesc formuleempirice sau nomograme. Precizia de realizare a inductanţelor este de la1÷2% până la 10÷20%, în funcţie de aplicaţie. Pentru a obţine o valoareexactă se fac măsurători repetate cu ajustări experimentale.

B. Factorul de calitate QL, determină proprietăţile de rezonanţă şi derandament ale bobinei. Poate fi scris sub forma:

(1.36)

unde R include rezistenţa ohmică a conductorului la frecvenţa de lucru (lafrecvenţe înalte apare şi efectul pelicular), rezistenţa corespunzătoare

R

ωLQL

L

I

U

U

Ur

UL

tg Ur

UL

r u

u

i

r

uL


33/38


43

pierderilor în dielectricul carcasei şi în miezul magnetic. Factorul de calitateal bobinelor din circuitele electronice este de 20÷300.

C. Coeficientul de temperatură αL indică comportarea bobinei lamodificarea temperaturii şi reprezintă variaţia relativă a inductanţeicorespunzătoare variaţiei temperaturii cu 1K:

(1.37)

(1.38)

Coeficientul de temperatură depinde de modul de realizare a bobinajului, de calitatea carcasei şi de materialul miezului.α L=(10…3000)10

-6/K. Factorul de calitate scade cu creşterea temperaturiidatorită creşterii rezistenţei ohmice şi a pierderilor în materialul carcasei.

D. Schema echivalentă a bobinei reale. Fiecare spiră a bobinei secomportă ca o inductanţă L0, în serie cu o rezistenţă de pierderi ohmiceR 0Cu, şi o rezistenţă de pierderi în miezul magnetic R 0M. Fiecare spiră are ocapacitate parazită între capete CS şi capacităţi între capete şi masă CM

şiCM'. Pierderile între spire sunt modelate prin introducerea lui r. Dacă seconsideră cele n spire identice, se ajunge la schema simplificată din fig.1.26b.

Fig. 1.26 Schema echivalentă a bobinei reale; a- completă, b- simplificată.

dT

dL

L

1αL [K

-1]

0

0T

0

LTT

LL

L1α

r

C

CC

s

R R L

M M

,

0C u 0M 0

SPIRA n

r

C

CC

s

R R L

M M

,

0C u 0M 0

SPIRA 1

A B

pr

C

R R LCu MA B

a

b


34/38


44

Se observă că circuitul echivalent unei bobine reale este complex şi deaceea trebuie analizată influenţa elementelor constructive asupra

performanţelor electrice. De regulă se face o caracterizare şi eventual oreglare a bobinei la frecvenţa de lucru. În acest scop se utilizează un aparatnumit Q –metru, care este capabil să determine valoarea inductanţei şifactorul de calitate la frecvenţa de funcţionare.

1.3.3 Tipuri constructive de bobine.

A. Bobine fixe şi bobine reglabile. Se realizează fără miez magnetic încazul în care sunt necesare inductanţe mici şi cu miez magnetic când sunt

necesare inductanţe de valori mai mari. Miezurile pot avea diferite forme: a)deschise: bară cilindrică sau paralelipipedică, b) închise: oală, tor, U+I,U+U, E+I, E+E .

Carcasa are rolul de a susţine înfăşurarea asigurându-i stabilitate şi orezistenţă mecanică. Ea este dintr -un material dielectric de calitate cu

permitivitate relativă redusă, cu pierderi dielectrice mici, cu stabilitatetermică în domeniul de lucru, cu rigiditate electrică ridicată. Cele maifolosite materiale pentru carcase sunt la frecvenţe joase: cartonulelectroizolant, pertinaxul, textolitul, iar la frecvenţe înalte: polistirenul,

polietilena, policlorura de vinil, politetrafluoretilena, ceramica.Bobinajul (înfăşurarea) trebuie să asigure o capacitate parazită redusă,

să nu provoace străpungeri între spire. El poate fi făcut într -un singur strat,sau în mai multe straturi cu structuri speciale: piramidal, fagure, fagure îngaleţi.(fig.1.27). Bobinajul în fagure asigură o micşorare a capacităţii

parazite deoarece conductoarele alăturate, cu diferenţe mari de tensiune nusunt paralele. Conductorul folosit la bobinaj este de obicei din cupru(ρ=1,7·10-8Ωm) izolat cu email special (lacuri din răşini poliuretanice,epoxidice, silicorganice, polivinilacetat). La frecvenţe ridicate se preferă unconductor multifilar sau un conductor din cupru argintat.

Miezul magnetic este introdus pentru creşterea inductanţei fiind realizatdin materiale magnetodielectrice. Acestea se obţin din pulbere din fier sau

aliaj tip Al-Si-Fe, care sub formă de granule se amestecă cu un dielectric şise presează. Cu cât sunt mai mici granulele cu atât şi pierderile în miez scadacesta putând fi utilizat la frecvenţe înalte dar şi permeabilitatea magnetică aansamblului se reduce. În prezent se realizează miezuri din ferită care suntamestecuri ale oxidului de fier (Fe2O3) cu unul sau mai mulţi oxizi metalici(NiO, MnO, ZnO, MgO, CuO, BeO, CdO, BoO, CoO). Rezistivitateaferitelor are valori ridicate ρ = (104.…109) Ωm, ceea ce face ca pierderile


35/38


45

prin curenţi turbionari să fie reduse. Permeabilitatea relativă a feritelor înradiofrecvenţă este de ordinul 10÷300.

Fig. 1.27 Tipuri de bobinaje.

Atunci când se foloseşte un miez magnetic trebuie luate în studiuurmătoarele elemente suplimentare: a) permeabilitatea magnetică efectivă,care reprezintă de câte ori creşte la o anumită frecvenţă de lucru inductanţa

bobinei cu miez faţă de inductanţa aceleeaşi bobine fără miez; b) gamafrecvenţelor de lucru a miezului considerat şi stabilitatea caracteristicilor

bobinei cu temperatura. Se recomandă ajustarea experimentală a bobinelorcu miez prin măsurări. Dacă poziţia miezului poate fi modificată îninteriorul carcasei atunci bobina devine reglabilă permiţând ajustarea valoriiinductanţei. În acest caz carcasa tubulară este filetată în interior ,iar miezulcilindric este montat pe un suport din material plastic filetat exterior. Prinînşurubarea sau deşurubarea acestui suport se modifică poziţia miezului îninteriorul bobinajului schimbându-se valoarea inductanţei. Pentru a ajusta înlimite strânse inductanţa se pot folosi şi miezuri diamagnetice la care μr < 0 ,cum sunt cuprul şi alama.

Ecranul. Bobinele parcurse de curenţi variabili induc în elementele decircuit vecine tensiuni perturbatoare. În acelaşi timp câmpurile externe

induc în bobină tensiuni parazite. Pentru a reduce aceste fenomene bobinelese ecranează, adică se introduc în carcase cilindrice sau paralelipipedice dinaluminiu, cupru sau alamă, conectate la masă. Efectul de protecţie se obţine

prin acţiunea curenţilor turbionari induşi în circuitul electric al pereţilorecranului de către câmpul magnetic variabil din exterior. Aceşti curenţicrează un câmp magnetic care se opune câmpului perturbator. Grosimea


36/38


46

ecranului trebuie să fie mai mare ca adâncimea de pătrundere a câmpuluielectromagnetic la frecvenţa dată în metalul respectiv.

Tabelul 1.4 Adâncimea de pătrundere în funcţie de frecvenţă

Frecvenţa (MHz)

Grosime ecran (mm)cupru aluminiu

0,1 0,98 1,31,0 0,31 0,4

10,0 0,1 0,13

100,0 0,03 0,04

Bobinele realizate pe miezuri închise din ferită (toroidale, oală, E+I şialtele), nu necesită ecran. Efectul de ecran se măsoară prin intensitateacâmpului produs de bobină la o anumită distanţă în prezenţa şi în absenţaecranului. Un ecran poate fi considerat bun dacă realizează un raport cuprinsîntre 1/20 şi 1/100. Pentru îmbunătăţirea factorului de ecranare se folosescecrane multiple.

Ecranul influenţează caracteristicile bobinei şi anume: conduce lascăderea inductanţei, creşterea capacităţii proprii, reducerea factorului decalitate, micşorarea stabilităţii caracteristicilor bobinei, prin modificarea

dimensiunilor geometrice şi a rezistenţei electrice a ecranului. Dacă ecranuleste realizat astfel încât pereţii lui să fie depărtaţi de bobină efectelenegative introduse de prezenţa acestuia se diminuează.

1.3.4 Transformatorul

Transformatorul este un ansamblu de două sau mai multe bobinecuplate printr-un miez magnetic comun şi funcţionează pe baza fenomenuluide inducţie electromagnetică. În fig.1.28 este prezentat un transformator cudouă bobine LA şi LB independente. Aplicând la bornele de intrare A-A’ aleînfăsurării primare LA o putere electrică PA (sub tensiunea alternativă UA şi

curentul IA), rezultă la bornele de ieşire B-B’ ale înfăşurării secundare LB, puterea electrică PB (sub tensiunea alternativă UB şi curentul IB). Dacă seneglijează pierderile, PB=PA rezultând:

(1.39)nI

I

U

U

B

A

A

B (raport de transformare)


37/38


47

Fig. 1.28 Transformator cu două bobine.

În transformatorul real există pierderi de putere datorită a două cauze:a) pierderi în miezul transformatorului prin curenţi turbionari şi pierderi deflux; b) pierderi în rezistenţa ohmică a bobinajului. Randamentultransformatorului poate atinge uşor valori de 90÷95%, printr-o proiectare şiconstrucţie atentă. La transformator se folosesc diferite tipuri de miezuri înfuncţie de scopul transformatorului şi de frecvenţa la care lucrează. Caformă ele pot fi cu coloane, în manta, toroidale, ca în fig. 1.29 La frecvenţe joase se folosesc miezurile din tole ştanţate având camaterial ferosiliciul. Tolele sunt subţiri de 0,15÷0,3mm, izolate electric între

ele pentru a se reduce curenţii turbionari care provoacă pierderi în miez. Sefolosesc şi miezuri realizate din benzi din oţel electrotehnic izolate între ele

prin lăcuire.

Fig. 1.29 Forme de miezuri magnetice utilizate la transformatoare.

La frecvenţe înalte se utilizează miezuri magnetodielectrice şi feritice.Ele au aceleaşi forme ca în 1.29

L LA

A

B B

B

U UA

A

A, ,

II

B

B

Tr.

M


38/38


48

În funcţie de utilizare transformatoarele pot fi clasificate în:

Transformatoare de alimentare . Permit obţinerea a diferite tensiuni pornind de la cea a reţelei. Frecvenţa de funcţionare este de 50Hz sau 60Hz,iar în echipamente autonome cu generator propriu de 400Hz. Au puteri de la2÷3W, până la sute de waţi şi sunt realizate din tole sau bandă. Cele mai

bune miezuri sunt cele toroidale realizate din bandă, care asigură un fluxredus de pierderi, ceea ce conduce la un randament ridicat şi la o reduceresemnificativă a perturbaţiilor produse asupra circuitelor din vecinatatea

blocului de alimentare. Transformatoarele de alimentare se introduc încarcase feromagnetice care ecranează intr -o anumită măsură câmpul

perturbator datorat fluxului de scăpări. În prezent există tendinţa utilizării in alimentarea aparaturii a surselor

cu funcţionare în regim de comutaţie care nu mai necesită transformatoarevoluminoase, datorită creşterii frecvenţei de lucru care conduce la reducereasecţiunii necesare pentru un transfer de putere dat. Pentru a nu apăreacuplaje cu circuitele alimentate se iau măsuri importante pentru ecranarea şidecuplarea acestor montaje. Folosind elemente active cu funcţionare înregim de comutaţie, se pot obţine performanţe deosebite, randamentulatingând valori de până la 95%.

Transformatoare de semnal . Pot fi folosite pentru audiofrecvenţă sauradiofrecvenţă. Se utilizează pentru adaptarea impedanţelor, a nivelelor detensiune sau curent, la cuplarea diferitelor etaje în amplificatoare, pentruseparare galvanică. Pot fi realizate din miezuri din tole pentruaudiofrecvenţă, (20Hz÷20KHz), miezuri magnetodielectrice sau feritice

pentru joasă frecvenţă (10Hz÷200)KHz, până la cca. 10MHz. La frecvenţeînalte transformatoarele de cuplaj se realizează fără miez.

Transformatoare de impulsur i. Se folosesc în circuite de comandă a puterii şi în generatoare de impulsuri.Trebuie să asigure tensiuni de izolaţie

mari. De regulă sunt de putere redusă.

Transformatoarele sunt cele mai voluminoase şi mai grele piese dinaparatura electronică reperezentând statistic până la 20% din volum şi 40%din masă.