CONDENSATORUL SI APLICATIILE ACESTUIA

CONDENSATORUL SI APLICATIILE

ACESTEIA

Argument

Am ales sa va prezint acest domeniu de studiu deoarece gasesc condensatoarele ca fiind un domeniu fascinant din electronica si vreau sa va prezint cunoasterea structurii constructive a diverselor tipuri de condensatoare, a parametrilor caracteristici si realizarea unor masurari specifice

2. Notiuni teoretice:

Condensatorul este o componenta electronica pasiva cu impedanta capacitiva pana la o anumita frecventa. Capacitatea, principala caracteristica a condensatorului reprezinta raportul dintre sarcina care se acumuleaza intre doua armaturi conductoare si diferenta de potential care apare intre cele doua armaturi. Din punct de vedere constructiv un condensator este alcatuit dintr‑un mediu (izolator) dielectric plasat intre doua armaturi conductoare. Capacitatea unui condensator plan are expresia (v. fig. 1):

(1)

Fig1. Condensatorul plan.

unde - e_o reprezinta permitivitatea absoluta a vidului; e_o =8,854 10^-12 F/m

- e_r permitivitatea relativa a dielectricului.

- A=Ll aria armaturilor

Observatie: Elementele conductoare sunt specifice domeniului electronic, atat pentru realizarea interconectarii componentelor, precum si in structura oricarei componente electronice. Intre oricare doua elemente conductoare (trasee de cablaj, conductoare, terminale, etc) exista capacitati parazite (nedorite) care influenteaza mai mult sau mai putin functionarea componentelor circuitelor. In acest sens se poate spune ca un condensator este o componenta electronica pasiva realizata in scopul obtinerii unei capacitati concentrate intr-un spatiu cat mai mic.

Din punct de vedere constructiv intalnim condensatoare fixe si variabile (reglabile si semireglabile).

In functie de natura dielectricului se poate face urmatoarea clasificare:

CONDENSATOARE

‑cu dielectric solid

‑anorganic: sticla, mica, ceramica (de tip I SAU II)

‑organic: hartie, pelicule plastice

‑cu dielectric oxid metalic: condensatoare electrolitice cu Al (Elco) si cu Ta (Elta)

‑cu dielectric gazos (aer, gaze)

‑cu dielectric lichid (ulei)

Tinand seama de aspectul constructiv putem enumera cateva tipuri de condensatoare:

‑plane

‑paralele

‑bobinate

‑cilindrice

2.1. Parametrii condensatoarelor

Principalii parametrii ai condensatoarelor sunt enumerati in continuare:

Capacitatea nominala C_n [F], reprezinta valoarea capacitatii care se doreste a se obtine in procesul de fabricatie si se marcheaza pe corpul condensatorului.

Toleranta t [%], reprezinta abaterea relativa maxima a valorii reale a capacitatii condensatorului fata de valoarea sa nominala. La fel ca la rezistoare valorile nominale sunt cuprinse in seriile de valori in functie de toleranta condensatorului. Pentru capacitati mari se pot fabrica si valori in afara seriilor (este cazul condensatoarelor electrolitice). La condensatoarele electrolitice si la cele ceramice de tip II se dau de obicei tolerante nesimetrice (de ex. ‑20%, +80% ).

Tensiunea nominala U_n [V], este tensiunea continua maxima sau cea mai mare valoare efectiva a tensiunii alternative care se poate aplica in regim continuu de functionare la bornele condensatorului.

Tangenta unghiului de pierderi tg d, se defineste ca raportul dintre puterea activa disipata de condensator si puterea reactiva a acestuia. Daca se foloseste circuitul echivalent al condensatorului din fig. 2 tangenta unghiului de pierderi are expresia:

(2)

Fig. 2 Unghiul de pierderi.

Coeficientul de variatie cu temperatura a [ K^-1 ] se defineste prin relatia :

(3)

In cazul unei variatii liniare a capacitatii cu temperatura se poate folosi relatia (4)

(4)

unde marimile au urmatoarea semnificatie:

C₂₅ ‑valoarea capacitatii la temperatura T₂₅ ( 25 C )

C ‑valoarea capacitatii la o temperatura T (de lucru)

Rezistenta de izolatie R_iz [ W , se defineste ca raportul dintre tensiunea continua aplicata unui condensator si curentul ce strabate acel condensator la un minut dupa aplicarea tensiunii. Valori uzuale pentru R_iz sunt ( 100 MW ‑ 100GW ) cu observatia ca R_iz depinde de conditiile de masura. In locul rezistentei de izolatie se pot da uneori in catalog alti parametri. Astfel pentru unele condensatoare se da constanta de timp t =R_iz C_n [s], iar pentru condensatoarele electrolitice se da curentul de fuga I_f.=U_n / R_iz

Intervalul temperaturilor de lucru ( T_min - T_max ) [C], se defineste ca intervalul de temperatura in care condensatorul poate functiona un timp indelungat. Acest interval depinde in principal de natura dielectricului, dar si de celelalte materiale utilizate la realizarea condensatorului.

Elemente parazite L,R

Orice condensator prezinta elemente parazite de tip inductiv si rezistiv, elemente ce depind de structura connstructiva si de materialele folosite. Se poate da urmatoarea schema echivalenta valabila pentru o clasa mare de condensatoare:

Fig. 3 Schema echivalenta a condensatorului real.

Semnificatia elementelor din figura 3 este urmatoarea:

‑r_s rezistenta armaturilor si terminalelor

‑L inductanta armaturilor si terminalelor

‑Rp rezistenta de pierderi in dielectric

‑R_iz rezistenta dielectricului

Schema din figura 3-a poate fi echivalata cu o schema serie

(figura 3-b) unde Res si Ces au valorile date de formulele (5):

(5)

Aceasta modelare ne da o imagine asupra comportarii condensatorului in gama de frecventa. Se observa ca, lucrand la frecvente diferite, capacitatea echivalenta C_ES variaza. Este posibil ca, depasind pulsatia de rezonanta caracterul capacitiv sa se transforme in caracter inductiv (capacitate negativa).

Gruparea condensatoarelor este o operatie care se efectueaza ori de cate ori avem nevoie, intr-o experienta, de anumite valori ale capacitatii si de care nu dispunem la acel moment. Exista doua modalitati de grupare a condensatoarelor si anume: in serie si in paralel.

Gruparea in serie (in cascada). In acest tip de grupare, condensatoarele se leaga unul dupa celalalt (in sir) ca in figura urmatoare.

C₁ C₂ C₃ C₄

A +q -q +q -q +q -q +q -q B

o o o o o

U₁ U₂ U₃ U₄

U

In aceasta grupare fiecare condensator are aceiasi sarcina q datorita fenomenului de inductie electrostatica, dar in schimb, diferenta de potential pe fiecare condensator este diferita, fiind invers proportionala cu capacitatea condensatoarelor astfel:

q q q q

U₁ = ---- ; U₂ = ---- ; U₃ = ---- ; U₄ = ----

C₁ C₂ C₃ C₄

Capacitatea echivalenta la bornele AB, a acestei grupari, capacitate pe care vrem sa o determinam, este capacitatea acelui condensator care - inlocuind gruparea si avand aplicata intre armaturi o diferenta de potential U egala cu suma diferentelor de potential aplicate condensatoarelor din grupare - se incarca cu aceiasi sarcina q:

U = U₁ + U₂ + U₃ + U₄ inlocuind vom obtine;

; impartim relatia cu q si vom obtine:

unde C reprezinta capacitatea echivalenta a gruparii

in serie a condensatoarelor.

Pentru cazul in care legam n condensatoare, atunci relatia de devine:

iar pentru cazul in care se leaga doar doua

condensatoare, capacitatea echivalenta se calculeaza

cu relatia:

Observatie: Legarea condensatoarelor in serie este justificata mai ales atunci cand se folosesc tensiuni mari, pe care un singur condensator nu le-ar putea suporta.

Gruparea in paralel (in suprafata). Aceasta grupare se realizeaza legand impreuna intr-un punct (in punctual A de exemplu) cate o armatura a fiecarui condensator si in alt punct (de ex. in punctual B) celelalte armaturi ale condensatoarelor, ca in figura de mai jos.

C₁

C₂

A B

o o

C₃

U

In cazul acestui tip de grupare, se observa ca fiecare condensator este conectat la aceiasib diferenta de potential U si va avea corespunzator sarcina:

q_{1 =} C₁ U; q_{2 =} C₂ U; q_{3 =} C₃ U;

Capacitatea echivalenta ce trebuie determinata este capacitatea acelui condensator care - pus in locul gruparii si aplicandu-i-se diferenta de potential U - se incarca cu o sarcina egala cu suma sarcinilor cu care s-au incarcat condensatoarele din grupare:

Deci la bornele AB vom avea:

q = CU; unde q = q₁ + q₂ + q₃

inlocuind vom obtine:

CU = C₁U + C₂U + C₃U impartim relatian cu U si vom obtine relatia:

C = C₁ + C₂ + C₃ cu care se calculeaza capacitatea echivalenta a gruparii

condensatoarelor in paralel.

Pentru n condensatoare grupate in paralel avem:

2.2 Structura constructiva a condensatoarelor

Structura constructiva generala a condensatoarelor este data in figura 4

Fig. 4 Structura constructiva a condensatoarelor.

In continuare se prezinta prin desene structura constructiva pentru cateva tipuri de condensatoare.

2.2.1 Condensatoare ceramice monostrat

Fig. 5 Condensatoare ceramice monostrat.

2.2.2 Condensatoare ceramice multistrat

Fig. 6 Condensatoare ceramice multistrat

a) sectiune; b) condensator 'chip' neprotejat; c) condensator protejat

2.2.3 Condensatoare cu polistiren (stiroflex)

Fig. 7 Condensatoare cu polistiren.

2.2.4 Condensatoare cu mylar

Fig. 8 Condensator mylar

a) structura constructiva; b) variante de incapsulare

2.2.5 Condensatoare electrolitice

CONDENSATOARE ELECTROLITICE

Condensatoarele electrolitice prezinta proprietati remarcabile (permitivitate si rigiditate mare) si posibilitatea de obtinere a unei pelicule sub un micron, ceea ce duc la realizarea de capacitati specifice mari (sute ).Ele se bazeaza pe proprietatea oxizilor unor metale ca aluminiul si tantalul, de a conduce intr-un sens si de a prezenta o rezistenta de blocare mare in celalalt sens. De aceea, aceste condensatoare sunt polarizate.

Anodul este format dintr-o folie de aluminiu de inalta puritate, groasa de 60-100 microni, care este oxidata simultan pe ambele parti prin electroliza. Stratul de oxid gros de circa o miime de micron pentru fiecare volt al tensiunii nominale, constutuie dielectricul. Pentru marirea suprafetei anodului si deci pentru obtinerea de capacitati mari intr-un volum mic, ea nu este neteda ci asperizata prin corodare electrochimica.

Catodul este o solutie de acid boric, hidroxid de amoniu si glicoletilena, care patrunde in toti porii anodului. Aceasta solutie este mentinuta in contact cu stratul de oxid anodic pe toata suprafata prin impregnarea a 2-5 foite de hartie fara impuritati. Contactul catodic se realizeaza prin alta folie de aluminiu dar de grosime mult mai mica (10 microni), care se aseaza peste foile de hartie. Intreg ansamblul, format dintre doua folii de aluminiu (anodul si contactul catodic), avand intre ele foitele de hartie este apoi rulat pana capata o forma cilindrica. Acesta se introduce apoi in tuburi de aluminiu etansate cu dopuri de cauciuc. Contactul anodic este izolat iar contactul catodic se leaga la carcasa.

Dupa asamblarea condensatoarelor, urmeaza procesul de formare care consta in aplicarea unei tensiuni (U_F) mai mare cu 5 - 10% fata de tensiunea de varf. U_V este mai mare cu 10 - 50%, decat tensiunea nominala (U_n). Functionarea condensatoarelor la tensiuni mai mari ca U_V duce la cresterea rapida a curentului de fuga manifestata prin incalzirea puternica si degajare de gaze si in ultima instanta deteriorarea lor.

Daca se aplica o tensiune inversa (minus pe anod), atunci condensatorul nu conduce pana la o valoare de 2-3 V, dupa care curentul creste brusc asemanator cu o dioda Zener, producandu-se deteriorarea printr-o incalzire exagerata. Fenomenul se explica prin faptul ca stratul de oxid depus pe folia de metal (aluminiu) se comporta ca o jonctiune semiconductoare metal - oxid (MO) de tip NP cu pragul de deschidere de 2 - 3 V.

Daca dorim obtinerea de condensatoare de mare capacitate nepolarizate, acestea se realizeaza prin legarea in serie dar in antifaza a doua condensatoare electrolitice (ambii anozi sau ambii catozi conectati impreuna).

Gama de valori a condensatoarelor electrolitice este foarte larga mergand de la 1 F pana la 10000 F. Tolerantele uzuale sunt in limitele de -20% si +100%. Domeniul admis al temperaturilor de lucru este cuprins intre -20sC si +70sC. Curentul de fuga depinde de capacitatea si tensiunea nominala putand fi determinat cu o relatie data in catalog pentru fiecare tip de condensator.

Datorita modului de realizare constructiv, condensatoarele electrolitice prezinta o inductanta pronuntata care este suparatoare in circuitele de decuplare. De aceea, cand este necesar, se monteaza in paralel, condensatoare de valori mici, neinductive, cum ar fi condensatoarele ceramice sau cele cu poliester metalizat.

O problema specifica condensatoarelor electrolitice apare atunci cand din diferite motive, acestea nu sunt utilizate un timp mai mare de un an de zile. In acest cay are loc o degradare a stratului de oxid de catre electrolit si pentru a le face reutilizabile este necesar a le aplica o tensiune nominala timp de circa o ora.

Un alt condensator electrolitic este condensatorul cu tantal in care anodul este sintetizat din pulbere de tantal, care apoi se oxideaza, iar ca electrolit se utilizeaza o pelicula solida semiconductoare de MnO₂. Condensatoarele cu tantal sunt utilizate in domeniul de temperatura -80sC si +85sC.

Fata de condensatoarele electrolitice cu aluminiu, condensatoarele cu tantal prezinta o serie de avantaje:

• gama frecventelor de lucru este mai larga;
• temperatura minima de functionare este mai coborata;
• fiabilitatea este mai ridicata;
• timpul de stocare este mai mare;
• curentul de fuga este extrem de mic.

Dezavantajul condensatoarelor cu tantal se manifesta in comportarea in regim

T ( )

de impulsuri, prin cristalizarea Ta₂O₅ in punctele slabe ale peliculei (curent de fuga marit), ceea ce duce la strapungere termica. Imbunatatirea comportarii in regim de impulsuri s-a obtinut prin utilizarea pentoxidului de tantal dopat (cu molibden) ameliorand si rezistenta la tensiunea inversa, curentul in sens direct crescand nesemnificativ. Condensatoarele electrolitice cu aluminiu acopera gama (0,5..150.000) si tensiuni nominale pana la 500V, iar cele cu tantal pana la o tensiune de 100+125 V, cu tolerante mai stranse, pana la 5%.

Fig. 9 Condensatorul electrolitic cu aluminiu

a) principiu de realizare; b) structura constructiva; c) varianta de incapsulare

Fig. 10 Condensatorul electrolitic cu tantal

1 - terminal anodic; 2 - portanod; 3 - anod sinterizat; 4 - start MnO; 5 - strat de grafit;

6 - strat de Ag; 7 - terminal catodic; 8 - sudura; 9 - lipitura; 10 - rasina

2.3. Marcarea condensatoarelor

2.3.1.Condensatoare ceramice monostrat

Condensatoarele ceramice monostrat disc sau placheta se marcheaza fie in clar fie prin codul culorilor.

La marcarea in clar conform fig. 11- a) se marcheaza capacitatea nominala si toleranta.(de ex. C =68pF, t=+10% ). Pentru indicarea tipului dielectricului se folosesc litere A, H, P, U pentru tipul I si X,Y,Z pentru tipul II. Cunoscand tipul dielectricului putem extrage ceilalti parametri din catalog.

Fig. 11 Marcarea condensatoarelor ceramice monostrat.

a) in clar; b) in codul culorilor

Marcarea prin codul culorilor se face conform figurii 11-b.Semnificatia culorilor este data in Tabelul T1 .In fig. 11-b) sunt date trei situatii posibile: marcarea cu 3, 4 sau 5 bare colorate. Semnificatia cifrelor este urmatoarea:

1 ‑Coeficientul de variatie cu temperatura

2 ‑Prima cifra semnificativa

3 ‑A doua cifra semnificativa

4 ‑Coeficientul de multiplicare

5 ‑Toleranta

Exemplu: Presupunem ca avem un condensator marcat cu 5 culori in urmatoarea ordine violet, galben, violet, negru, alb. Prin identificare obtinem C = 47pF, t=10%, a =‑750 ppm/ ^oC.

Tabelul T1

Observatie: Exista doua mari categorii de dielectric ceramic folosite uzual in fabricatia condensatoarelor: dielectric ceramic de tip I si dielectric ceramic de tip II. Proprietatile dielectricilor determinate de natura lor chimica sunt date in tabelul T2, iar in tabelul T3 sunt date cateva utilizari specifice pentru condensatoarele ceramice monostrat.

Tabelul T2

Tabelul T3

2.3.2. Condensatoare ceramice multistrat

La aceste condensatoare culoarea cu care se face marcarea identifica tipul condensatorului. Astfel, negru corespunde tipului MC (tip I ), rosu tipului MZ (tip II ) iar violet tipului MX (tip II). Valoarea capacitatii nominale se marcheaza in clar, toleranta in cod literal (v.Tabelul T4 ) si tensiunea nominala cu urmatorul cod:

1=25V ; 2=50V ; 3=100V ; 4=200V

Fig.12 Marcarea condensatoarelor multistrat.

Observatie: Diferenta dintre parametrii celor trei tipuri de condensatoare este data de dielectricul ceramic. Astfel pentru tipul MC se foloseste ceramica NP0, pentru MX ceramica Z5U iar pentru MZ ceramica X7R. Semnificatia acestei codificari este diferita pentru ceramicile de tip I si cele de tip II; la tipul I se codifica valoarea coeficientului de temperatura si toleranta sa iar la tipul II se codifica limita inferioara si cea superioara de temperatura precum si abaterea maxima in procente a capacitatii fata de capacitatea la 25 ^oC. (Ex. X7R X‑lim. inf. de temp. =‑55 ^oC, 7‑lim. sup. de temp. =+125 ^oC,R‑abaterea max. =+15,5% ).

Tensiunea de 50 V poate fi marcata sau nemarcata

Tabelul T4

Fie condensatorul din figura 12 marcat cu culoare rosie. Condensatorul este de tip MZ, C =82nF, t= +20% (M), U =100V (3)

2.3.3.Condensatoare cu polistiren (stiroflex)

La aceste condensatoare se marcheaza in clar capacitatea nominala si toleranta. Tensiunea nominala se marcheaza cu o culoare la un capat al corpului condensatorului, conform tabelului T5.

Tabelul T5

2.3.4.Condensatoare cu mylar (polietilentereftalat)

La aceste condensatoare se marcheaza valoarea nominala in mF, toleranta si tensiunea nominala, in clar.

2.3.5.Condensatoare electrolitice

La aceste condensatoare se marcheaza valoarea nominala in mF, tensiunea nominala, polaritatea si la cele cu Al codul condensatorului.

Exemplu: 25/16 semnifica C =25 mF, U =16V.

2.3.6.Condensatoare semireglabile disc

La aceste condensatoare se marcheaza capacitatea minima si capacitatea maxima in pF, iar culoarea marcajului identifica ceramica folosita ca dielectric.

Instructiuni Protectia Muncii Pentru Atelierele De Instruire Practica

-Dotarea atelierelor cu mijloace de protectie se va face dupa normative, functie de meseria in care se pregateste elevul.

-Dimensionarea echipamentului ethnic ( bonuri de lucru, scaune, mobilier, masini unelte, etc.) , din dotarea atelierelor scolare va fi in concordanta cu dimensiunile statice si dinamice ale elevilor.

-uneltele de mana vor fi adaptate la dimensiunile antropometrice ( forma, lungime grosime), si posibilitatilor efortului fizic mediu al elevilor.

-uneltele de mana actionate electric sau pneumatic vor fi prevazute cu dispositive sigure pentru fixarea sculei, precum si cu dispositive care sa impiedice functionarea lor necomodata.

-daca uneltele de mana cu actionare electric sau pneumatic sunt dotatea cu piese active ce prezinta pericol de accidente acestea vor fi protejate impotriva atingerii.

-pentru prevenirea accidentelor prin electrocutare uneltele de mana actionate electric trebuie sa corespunda normativelor in vigoare si vor fi verificate periodic de catre personalul de specialitate.

-cozile si manerele sculelor vor fi netede bine fixate si vor avea dimensiuni care sa permit prinderea lor sigura si comoda. In folosirea cozilor si manerelor de lemn se va allege lemn de esenta tare cu fibrele axiale drepte fara noduri si aschii desprins; pentru fixarea cozilor si manerelor in scule se vor folosi pene metalice corespunzatoare.

-utilizarea aceluiasi maner la mai multe unelete de mana se admite numai pentru trusele construite in mod special cu maner detasabil.

-uneltele de percutie din otel vor fi executate conform standardelor de stat si normelor in vigoare.

-folosirea uneltelor de mana cu suprafata de percutie deformate, inflorite sau stirbite precum si a uneltelor de mana improvizate este interzisa.

- la executarea lucrarilor la inaltime uneltele de munca vor fi pastrate in genti rezistente si vor fi fixate in mod corespunzator pentru a fi asigurate impotriva caderii.

-in timpul transportului, partile periculoase ale uneltelor de mana vor fi protejate cu teci, sau aparatori adecvate.

-toate uneltele de mana vor fi verificate cu atentie la inceputul lucrului. Periodic in functie de frecventa de utilizare uneltele de mana vor fi controlate systematic.

-se recomnda ca sensul de miscare a parghilor si manetelor sa corespunda cu sensul miscarii organului comandat.

-parghile si manetele de comanda trebuie sa fie prevazute cu dispositive de blocare care sa nu permit deplasarea libera a acestora dupa fixare.

-parghile si manetele vor fi prevazute cu placute cu inscriptii care indica comenzile.

-la expandarea masinii manipularea manetelor, parghilor, rotilor manual si butoanelor trebuie sa fie comodata.

-constructia sistemului de frana trebuie sa fie simpla si sa prezinte securitate in munca:

a) pentru oprirea rapida a mecanismului franele trebuie legate de dispozitivul de pornire al motorului sau masinii astfel ca la deconectarea motorului sa actioneze automat frana.

b) in cazurile posibile franele trebuie comodate hydraulic, pneumatic sau electric.

-pentru asigurarea securitatii muncii dispozitivele de comanda ale oricaror mecanisme trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

1) sa fie asezate in locuri unde pozitia lor sa asigure o manevrare comoda si sa permita utilizarea fara pericol a dispozitivelor de pornire.

2) sa opreasca repede mecanismul si sa-l fixeze rigid in pozitia necesara.

3) sa excluda posibilitatea pornirii intamplatoare a mecanismului.

-dispozitivele de ungere vor fi dispuse incat sa excluda pericolele de accidentare

-se interzice ungerea manual in timpul functionarii utilajului.

CONDENSATORUL VARIABIL

CONDENSATORUL SERIE

CONDENSATORUL ELECTROLITIC BIPOLAR

CONDENSATORUL MYLAR

CONDENSATORUL CERAMIC

CONDENSATORUL SEMIREGLABIL

Bibliografie

1. Svasta P. s.a. Tehnologie electronica -Indrumar de laborator Litografia I.P.B. 1990

2. Svasta P. s.a. Componente electronice pasive -probleme Litografia I.P.B. 1992

3. * * * Condensatoare-catalog I.P.E.E. Curtea de Arges.

4. * * * Film capacitors -catalog MBLE Olanda