1 / R. Rezistenţa electrică se măsoară în ohmi (Ω). Se defineşte şi mărimea numită conductanţă: 1 G. Conductanţa electrică se măsoară în Siemens (S).

Transcript

1 Capitolul 1 Componente pasive 1.1 Rezistorul Introducere Materialele se opun trecerii curentului electric datorită proprietăţii numită rezistenţă electrică. Rezistenţa electrică se supune legii lui Ohm descrisă de ecuaţia: U RI (1.1) unde U este tensiunea aplicată la bornele rezistorului caracterizat prin rezistenţa R, iar I este curentul care îl străbate. Această dependenţă este valabilă pentru rezistoarele liniare (fig.1.1) I I U + - R 1 / R U Fig. 1.1 Dependenţa curentului I de tensiunea U aplicată la bornele unui rezistor cu rezistenţa electrică R. Rezistenţa electrică se măsoară în ohmi (Ω). Se defineşte şi mărimea numită conductanţă: 1 G R (1.2) Conductanţa electrică se măsoară în Siemens (S). În electronică se utilizează şi rezistoare neliniare la care mărimea rezistenţei 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). 11

2 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) Caracteristici principale ale rezistoarelor A. Rezistenţa nominală R n, este valoarea rezistenţei electrice a unui rezistor, măsurată în curent continuu la temperatură normală (T a =25 0 C). Această valoare este marcată pe corpul rezistorului în clar sau în codul culorilor (prin inele de diferite culori aplicate pe rezistor). Precizia cu care este obţinută valoarea dorită a rezistenţei R n este dată de tehnologia utilizată. Pentru a se preciza abaterea posibilă a valorii reale a rezistenţei faţă 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. t max R R R 12 (1.3) Firmele producătoare de componente pasive, realizează rezistoare având valori nominale standardizate, cuprinse uzual între 0,1 Ω şi 10MΩ. Şirul de rezistenţe nominale se obţine prin înmulţirea cu puteri ale lui 10, a unor valori aflate într-o progresie (vezi tab.1.1 la pag.20). Seriile valorilor nominale sunt notate cu E6, E12, E24, E48, E96, E192. Numărul seriei arată câte valori nominale se găsesc într-o decadă, adică în domeniile 1 10, , Fiecare serie cu un număr mai mare de termeni, include valorile nominale ale seriei precedente.cu cât numărul seriei este mai mare cu atât toleranţa este mai redusă, iar valoarea reală a rezistenţelor este mai apropiată de cea marcată pe rezistor. La seria E6, toleranţa este de ±5%, iar la E192 de ±0,6%. Micşorarea toleranţei impune un control tehnologic complex care conduce la creşterea preţului pe componentă. Rezistoarele fiind cele mai utilizate componente în aparatura electronică (30 40% din numărul total de piese), performanţele, fiabilitatea şi costul lor vor condiţiona esenţial calitatea şi preţul produselor în care sunt incluse. B. Puterea nominală de disipaţie P n, este puterea maximă în curent continuu sau curent alternativ pe care o poate disipa rezistorul în condiţii de mediu exterior determinate (de obicei T amb. = 25 C) timp îndelungat, fără ca rezistenţa nominală să se modifice peste prevederile din norme. Puterea rezistorului depinde de dimensiuni, de construcţie şi de materialul utilizat pentru elementul conductor, pentru stratul de protecţie şi de modul în care se face răcirea, (conducţie, convecţie, radiaţie). Dacă rezistorul este supus la puteri peste cea maximă, apar variaţii inadmisibile de parametri, îmbătrânirea accelerată, reducerea duratei de funcţionare, şi n n 100

3 Capitolul 1 Componente pasive eventual distrugerea.valorile standardizate ale puterilor pentru rezistoare sunt: 0,125W; 0,25W, 0,5W; 1W; 2W; 3W; 5W; 10W. În schemele electrice puterea rezistoarelor este specificată în clar. C. Tensiunea limită U L, reprezintă tensiunea maximă continuă care poate fi aplicată la bornele rezistorului în condiţii normale de mediu fără ca acesta să se distrugă. Pentru rezistoarele cu valoare ohmică redusă, tensiunea limită este dată de atingerea puterii nominale de disipaţie: U L P R n n (1.4) Pentru rezistoarele cu valoare ohmică ridicată (peste 1MΩ), care lucrează în aer, tensiunea limită este dată de tensiunea de străpungere care apare între terminalele rezistorului sau chiar între spirele acestuia. De obicei rezistorul trebuie să suporte o tensiune de test la străpungere de cel puţin 2U L (în impuls). D. Coeficientul de temperatură al rezistenţei α R, indică comportarea rezistorului la variaţii de temperatură şi reprezintă variaţia relativă a rezistenţei corespunzătoare variaţiei temperaturii cu 1K. α R 1 dr R dt 1 K (1.5) Considerând valorile rezistenţei la două temperaturi diferite, se poate scrie: α 1 R T T0 R (1.6) R 0 T T0 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): α RCG = - (5 15)10-4 (K -1 ) La rezistoare cu peliculă metalică (RPM): α RPM = (-0,5 +0,5) 10-4 (K -1 ) Alegerea rezistoarelor din punct de vedere al coeficientului de temperatură este importantă pentru asigurarea stabilităţii în funcţionarea aparaturii mai ales când aceasta este supusă unor variaţii importante ale temperaturii mediului ambiant (echipamente profesionale mobile, sisteme 13 R

4 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) de măsurare, telecomunicaţii). Pentru rezistoare se defineşte intervalul temperaturilor de lucru, în limitele căruia funcţionarea de lungă durată este asigurată. De obicei acest domeniu este cuprins între - 60 C şi +100 C. Rezistoarele bobinate suportă temperaturi mai ridicate. E. Tensiunea de zgomot U z, este valoarea efectivă a tensiunii aleatoare care apare la bornele unui rezistor parcurs de curent continuu. Aceasta se datorează mişcării termice a electronilor şi trecerii fluctuante a curentului prin structura rezistorului, neomogenităţilor şi discontinuităţilor din acesta. Factorul de zgomot se defineşte prin raportul: Uz F μ V V (1.7) U cc unde U cc este tensiunea continuă aplicată la bornele rezistorului. Factorul de zgomot depinde de materialul rezistorului şi creşte odată cu temperatura şi valoarea rezistenţei. F RCG = (1 5)μV/V F RPM = (0,1 0,5)μV/V 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 de frecvenţă şi valoarea rezistenţei electrice; b) în funcţie de frecvenţă şi de materialul din care sunt realizate : Fig. 1.2 a- tensiunea de zgomot într-un rezistor în funcţie de banda de frecvenţă la care se măsoară şi mărimea rezistenţei; b- tensiunea de zgomot în funcţie de banda de frecvenţă şi tipul materialului folosit:1-carbon aglomerat, 2-peliculă de carbon, 3-peliculă metalică. 14

5 Capitolul 1 Componente pasive F. Stabilitatea caracterizează modificarea valorii rezistenţei reale sub influenţa temperaturii, umidităţii, îmbătrânirii, a tensiunilor aplicate şi a altor factori cum sunt: agenţii corozivi, radiaţiile, solicitări mecanice de tip vibraţii şi şocuri. Îmbătrînirea este asociată modificării rezistenţei prin variaţia structurii elementului rezistor prin procese chimice produse în interior, modificarea contactelor. Din acest punct de vedere rezistoarele bobinate sunt mai stabile în timp. Umiditatea intensifică procesele electrochimice care conduc la modificări ireversibile ale rezistenţei. Pentru protecţia faţă de umiditate se execută acoperiri cu lacuri şi răşini speciale, caz în care rezistoarele pot funcţiona la umidităţi ridicate. Rezistenţa mecanică este testată prin vibraţii şi şocuri în timpul funcţionării. Rezistorul trebuie să aibă o astfel de structură încât să suporte diferite solicitări mecanice fără a-şi schimba caracteristicile. G. Comportarea rezistorului în curent alternativ. În c.a. rezistorul se manifestă complex în funcţie de frecvenţă, fiind caracterizat atât printr-o capacitate 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 se prezintă schema echivalentă a unui rezistor, în care R este rezistenţa pur ohmică, L este inductanţa constructivă, C p este capacitatea constructivă, R p este rezistenţa de pierderi dielectrice a suportului. R L C p R p Fig. 1.3 Schema echivalentă a unui rezistor în c.a. (necesară la frecvenţe înalte, de peste 1MHz). 15

6 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) Tipuri de rezistoare fixe Rezistoarele pot fi cu rezistenţă fixă sau cu rezistenţă variabilă. După modul de realizare al elementului rezistiv există rezistoare cu peliculă, rezistoare de volum, rezistoare bobinate. A. Rezistoare cu peliculă. La acest tip constructiv, elementul rezistor este realizat sub forma unui strat subţire (0, )μm dintr-un material ceramic, 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 prin descompunerea metanului la temperatură ridicată, în vid sau în atmosferă de gaz inert. Stratul depus pe un suport ceramic cilindric este filetat pentru a creşte şi ajusta valoarea rezistenţei. La capetele suportului se depune o peliculă metalică care asigură contactul cu terminalele. Lipirea terminalelor se face cu cositor. Se aplică pe suprafaţă un strat protector de vopsea. peliculă metalică terminal peliculă de carbon suport ceramic strat protector (vopsea) şanţ filetat în pelicula de carbon pirolitic până la suportul ceramic Fig.1.4 Structura unui rezistor cu peliculă de carbon. b) Rezistoare cu peliculă metalică sau oxizi ai metalelor RPM. La aceste tipuri de rezistoare stratul rezistiv se obţine prin evaporare în vid pe un suport ceramic plan a unor metale: crom, wolfram, tantal, a unor aliaje (Ni-Cr, Ni-Cu, Sn-Cl 2, Sn-Cl 4 ), sau a unor oxizi metalici (SnO 2 ). Se foloseşte o tehnică serigrafică pentru delimitarea zonelor în care se fac depunerile succesive. Se depun mai întâi contactele din Ag-Pd, după care se realizează stratul rezistiv. Obţinerea valorii exacte a rezistenţei se face prin ajustare, pe baza indicaţiei obţinute de la capetele de măsurare care explorează placa suport cip cu cip şi comandă un jet de pulbere abrazivă care înlătură surplusul de peliculă rezistivă până la atingerea valorii dorite. Separarea cipurilor se face prin tăiere cu laser, după care se sudează 16

7 Capitolul 1 Componente pasive terminalele pe zonele AgPd. Protecţia rezistorului se face prin acoperire cu răşină epoxidică termodură (fig.1.5) C ontacte A g-pd Strat rezistiv Zonă cu strat Suport ceram ic partajat rezistiv corodat Term inale 6 R PM 1K 5 2% Fig.1.5 Etapele de obţinere ale unui rezistor cu peliculă metalică. B. Rezistoare de volum. Elementul rezistor este realizat sub forma unei bare obţinută prin presarea unei compoziţii carbon-ceramică, metalceramică, lac-negru de fum. La capetele barei se fixează terminalele şi întregul ansamblu se acoperă cu un material sintetic. Acest tip de rezistoare au dimensiuni reduse şi pot înlocui rezistoarele cu peliculă de carbon. S trat izolator de protecţie M asă rezistivă C ontact m etalic Term inal Fig. 1.6 Structura unui rezistor de volum. C. Rezistoare bobinate. Au elementul rezistiv realizat dintr-un conductor izolat sau neizolat cu rezistivitate ridicată, bobinat pe un suport izolator. Ca materiale rezistive se folosesc: manganina, constantanul, crom- 17

8 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) nichelul, aliaje care asigură următoarele proprietăţi reprezentative: coeficient de temperatură redus α = ± (2 8)10-4 / C, temperatură de funcţionare ridicată, stabilitate în timp, rigiditate mecanică. Rezistoarele bobinate au ca suport pentru conductor fibre de sticlă, ansamblul fiind introdus într-un corp ceramic după ce capetele conductorului au fost fixate prin două căpăcele de cupru la terminale. Rezistoarele bobinate prezintă inductanţă ridicată şi se folosesc numai în curent continuu şi la joasă frecvenţă atunci când este necesară o putere disipată importantă (fig.1.7). F ir rezistiv S u port d in fib ră d e sticlă sau ceram ic C ăp ăcel şi term inal S trat p rotector Fig.1.7 Structura unu rezistor bobinat. D. Rezistoare SMD (Surface Mounted Devices). Sunt rezistoare speciale pentru circuite cu o mare densitate de componente. Rezistoarele SMD au dimensiuni reduse şi nu dispun de terminale, fiind lipite direct pe traseele de cablaj. Prezintă o fiabilitate ridicată şi performanţe foarte bune la înaltă frecvenţă. (C p 0,05pF, L p 2nH). Rezistoarele SMD sunt realizate în tehnica 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 de alumină şi a cărui valoare se ajustează în timpul măsurătorilor prin tehnica laser. Fig. 1.8 Structura unui rezistor SMD 18

9 Capitolul 1 Componente pasive Dimensiunile rezistoarelor SMD sunt în funcţie de puterea acestora (vezi tabelul 1.2). Tabelul 1.2 Caracteristici de putere şi dimensiuni pentru rezistoare SMD Putere disipată (W) 0,25 0,125 0,063 Tensiunea nominală(v) Dimensiuni 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 datorită dimensiunilor reduse care impun o precizie de manipulare ridicată. Se procedează la lipirea SMD pe cablaj cu un adeziv termorezistent după care se face lipirea în val (baie de cositor) Rezistoare variabile şi semivariabile La acest tip de rezistoare (fig.1.9) rezistenţa electrică poate fi variată continuu sau în trepte între anumite valori limită prin deplasarea mecanică a unui 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 un mod specific de conectare în circuit a unui rezistor variabil în scopul culegerii unei tensiuni variabile. În funcţionare potenţiometrele trebuie să asigure un anumit număr de cicluri de funcţionare fără să-şi altereze proprietăţile iniţiale. Datorită frecării contactului alunecător de elementul rezistiv apar degradări care conduc la scăderea performanţelor. Producătorii 19

10 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) indică numărul probabil de cicluri de funcţionare corectă (cca ). Există şi rezistoare variabile care sunt acţionate rar, la punerea în funcţiune a aparatului pentru reglajele iniţiale şi la recalibrări. Acestea de regulă 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 La rezistoarele variabile, precizia reglării depinde de materialul elementului rezistiv şi de rezistenţa de contact între cursor şi elementul rezistiv. La potenţiometru este importantă legea de variaţie a rezistenţei măsurate 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 rezistoarele fixe 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 se deplasează liniar direct sau prin intermediul unei mişcări elicoidale (care asigură o rezoluţie superioară la fixarea valorii dorite). b) multiple cu două sau mai multe elemente rezistive ale căror cursoare sunt comandate prin acelaşi ax. Tabelul 1.1. Serii de valori pentru rezistenţe şi capacităţi conform CEI E6 20% E12 10% E245% 1,0 1,0 1,0 1,1 1,2 1,2 1,3 1,5 1,5 1,5 1,6 1,8 1,8 2,0 2,2 2,2 2,2 2,4 2,7 2,7 3,0 3,3 3,3 3,3 3,6 3,9 3,9 4,3 4,7 4,7 4,7 5,1 5,6 5,6 6,2 6,8 6,8 6,9 7,5 8,2 8,2 9,1 20

11 Capitolul 1 Componente pasive Fotorezistorul sau detectorul fotoconductiv Este un rezistor a cărui rezistenţă depinde de fluxul luminos incident pe suprafaţa sa, funcţionând pe baza efectului fotoelectric intern în semiconductoare (care va fi prezentat în capitolul 4). Se consideră structura simplificată a unui fotorezistor din fig Fig Structura unui fotorezistor. Sub acţiunea unui flux luminos incident de intensitate L este eliberat un număr n de electroni pe secundă în volumul materialului semiconductor: n ηlab (1.8) unde η este o constantă ce depinde de lungimea de undă a radiaţiei incidente. Dacă între terminalele fotorezistorului se aplică tensiunea U, electronii vor căpăta viteza: U v μ (1.9) a unde μ este mobilitatea electronilor ( vezi cap. 2). La electrodul pozitiv al fotorezistorului vor ajunge electronii care sunt generaţi de fluxul luminos la distanţă egală cu vτ de electrod, unde τ este durata medie de viaţă a electronilor liberi. Curentul va fi format numai din fracţiunea vτ/a din totalul electronilor liberi. vτ I ne a 21 ηeμτblu a (1.10)

12 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) unde e =1, C (sarcina electronului). Rezistenţa materialului este: R U I a ηeμτb L 1 (1.11) Durata medie de viaţă a electronilor depinde de lungimea de undă şi de intensitatea fluxului luminos incident: τ τ λ β 0 L (1.12) unde β este o constantă. Dependenţa dintre rezistenţa fotorezistorului şi iluminare este exprimată prin relaţia: R ML a M ηeμ τ 0 α b (1.13) (1.14) α 1 β (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 prin alegerea unor materiale semiconductoare cu η, μ şi τ 0 cât mai mari, iar la varianta constructivă aleasă, raportul a/b să fie cât mai mic, ceea ce impune folosirea: a) unor electrozi interdigitali (vezi fig.1.11) care realizează practic structuri ca cea prezentată, dar conectate în paralel; b)cu electrod transparent optic prin care pătrunde fluxul incident iar celălalt paralel cu el la o distanţă foarte mică. 22

13 Capitolul 1 Componente pasive Fig Moduri de dispunere a electrozilor interdigitali la fotorezistoare. Caracteristici specifice fotorezistoarelor: a) Rezistenţa de întuneric, R d reprezintă valoarea rezistenţei la iluminare nulă. b) Sensibilitatea integrală, S reprezintă raportul dintre fotocurent şi fluxul luminos incident Φ: S I L Φ I d (1.16) unde I L este curentul prin fotorezistor sub fluxul incident iar I d este curentul de întuneric. c) Sensibilitatea spectrală, S λ reprezintă raportul dintre fotocurent şi fluxul incident la iluminare monocromatică. d) Sensibilitatea fotorezistorului S R definită ca: S R R R R Φ d d (1.17) e) Caracteristica spectrală a sensibilităţii indică variaţia sensibilităţii spectrale S λ, în funcţie de lungimea de undă λ. Primele fotorezistoare au fost realizate din Seleniu cristalin. Ulterior, pentru îmbunătăţirea performanţelor gama materialelor s-a extins la PbS, CdS, CdSe. Fotorezistoarele realizate din PbS au maximul sensibilităţii în infraroşu (λ >7600Å) şi o inerţie mică, cu valori ale rezistenţei de întuneric cuprinse între 10 4 şi 10 7 Ω, iar ale rezistenţei de iluminare coborând până la 10 2 Ω. Fotorezistoarele din sulfură de cadmiu (CdS) monocristalin sunt sensibile în domeniul vizibil (λ= Å), au o caracteristică de lumină liniară până la aproximativ 1000 lx. Modificarea maximului caracteristicii spectrale se face prin doparea cu impurităţi de Cu şi Fe. Fotorezistoarele pe bază de CdSe au 23

14 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) sensibilitate mare şi inerţie redusă în raport cu CdS şi prezintă un maximum de sensibilitate spectrală la λ = 7200Å. f) Dependenţa curent-tensiune prezintă simetrie faţă de originea axelor de coordonate, deoarece rezistenţa nu depinde de polaritatea tensiunii aplicate. Se poate scrie: I I d I L D U D Φ 0 1 γ 0 U (1.18) unde D 0 şi D 1 sunt constante determinate de proprietăţile de material în condiţii de întuneric şi respectiv de iluminare, γ este coeficientul de neliniaritate al caracteristicii energetice, iar U este tensiunea aplicată la bornele fotorezistorului. Se constată liniaritatea caracteristicilor curenttensiune având ca parametru fluxul luminos. Fig 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 la fotorezistoarele cu structură policristalină, fie la tensiuni de polarizare reduse, fie la tensiuni de polarizare foarte mari. 24

15 Capitolul 1 Componente pasive a b Fig a- Circuit pentru alimentarea unui fotorezistor şi măsurarea fluxului luminos, b- Caracteristici curent-tensiune la fotorezistorul ideal. g) Constanta de timp a fotorezistorului τ 0. Dacă fotorezistorul este alimentat la tensiunea U şi iluminat cu impulsuri de lumină,care au o variaţie dreptunghiulară, atunci fotocurentul va avea forma din fig prezentând o întârziere la atingerea valorii I S de la apariţia fluxului luminos şi 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 )I S = 0,63I S (unde I S este valoarea staţionară a fotocurentului) se numeşte timp de creştere sau constanta de timp a creşterii fotocurentului. Intervalul de timp τ d în care curentul I scade până la valoarea 0,36I S după încetarea fluxului luminos se numeşte constanta de timp a descreşterii fotocurentului. De obicei τ c τ d τ 0. τ 0 se numeşte constanta de timp a fotorezistorului. Constanta de timp defineşte inerţia fotorezistorului la acţiunea radiaţiei incidente. La fotorezistoarele cu CdS şi CdSe constanta τ 0 = s, iar la fotorezistoarele cu PbS şi PbSe τ 0 = s. h) Nivelul de zgomot şi pragul de sensibilitate al fotorezistorului. În fotorezistor apar următoarele tipuri de zgomote: zgomot termic, zgomot de generare-recombinare, zgomot de curent, zgomotul iradierii de fond. Prin compunere, aceste zgomote determină fluctuaţii ale tensiunii. U 2 z U 2 T U 2 GR U 2 1 f U 2 i (1.19) Fiecare tip de zgomot este determinat de materialul folosit şi de varianta constructivă a fotorezistorului. Dacă semnalul detectat este 25

16 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) modulat, se constată o scădere a zgomotului global cu frecvenţa de modulare, dar şi o reducere a sensibilităţii. Se alege o frecvenţă de modulare optimă pentru care se atinge valoarea minimă a fluxului de prag. Fotorezistoarele pentru semnale slabe în infraroşu funcţionează la temperaturi coborâte fiind răcite în azot lichid, oxigen lichid, heliu lichid. Prin acest mod pragul de sensibilitate al acestora este determinat de fluctuaţiile fotonilor incidenţi. Fig Definirea constantei de timp la fotorezistor Termistorul Termistorul este o componentă pasivă care prezintă o puternică dependenţă a rezistenţei electrice proprii cu temperatura la care se află. Starea de încălzire a termistorului poate fi determinată atât de temperatura mediului ambiant cât şi de puterea disipată în acesta prin trecerea curentului electric. In funcţie de materialul din care este realizat, termistorul poate avea un coeficient de temperatură negativ (NTC), sau pozitiv (PTC). In continuare se prezintă caracteristicile specifice termistoarelor NTC care au o utilizare mai largă. a) Dependenţa rezistenţei de temperatură este exprimată prin relaţia: R Ae T B T (1.20) 26

17 Capitolul 1 Componente pasive unde A este o constantă de proporţionalitate iar B este o constantă de material care depinde nesemnificativ de temperatură. b) Coeficientul de temperatură al termistorului este dat de : α R 1 R T dr dt T B 2 T (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 se dă şi valoarea nominală a rezistenţei termistorului. c) Constanta de timp termică τ T reprezintă timpul necesar unui termistor pentru ca temperatura sa să ajungă la 63,2% din temperatura finală atunci când este supus unui salt de temperatură în condiţii de disipaţie nulă. Acest timp este de cca s în funcţie de varianta constructivă. Această inerţie poate cauza erori în prelucrarea datelor prin imposibilitatea de a urmări variaţii rapide de temperatură. R T(K) Fig Dependenţa de temperatură a rezistenţei unui termistor NTC şi simbolul acestuia. Termistoarele NTC sunt realizate pe baza materialelor semiconductoare care prezintă o rezistivitate care scade cu creşterea temperaturii. Se folosesc oxizi şi elemente din grupa fierului: Fe, Cr, Mn, Co, Ni, impurificaţi cu ioni străini şi amestecaţi cu un liant după care sunt sinterizaţi. Ca formă pot fi: discuri, cilindri, plachete, tuburi. Principalele aplicaţii ale termistoarelor sunt: măsurarea temperaturii, stabilizarea tensiunii şi curentului, compensarea cu temperatura a unor dispozitive electronice, măsurarea puterii, circuite de protecţie termică. 27 T(K)

18 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) Varistorul Varistorul este un rezistor la care valoarea rezistenţei scade cu creşterea tensiunii la bornele sale. Caracteristicile curent tensiune la două tipuri reprezentative de varistoare sunt prezentate în fig.1.16-c. Materialele folosite la realizarea varistoarelor sunt în special carbura de siliciu (SiC) şi oxidul de zinc (ZnO), care în amestec cu lianţi sunt presate şi sinterizate obţinându-se contacte stabile între granulele ansamblului. După sinterizare sunt supuse unui tratament termic de îmbătrânire şi unui regim electric cu impulsuri de tensiune. Armăturile şi terminalele se realizează ca la rezistoarele cu peliculă metalică. Fig a-variantă constructivă de varistor; b- structura 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 o anumită tensiune conducţia electrică prin structură. Această conducţie are loc în regim de impuls, varistorul putând prelua şocuri de curent de durată redusă care nu provoacă distrugerea termică a acestuia. Caracteristici specifice varistoarelor. a) Caracteristica statică a varistorului este dată de: I=aU+bU n unde a şi b sunt constante iar n > 1. O altă formă de exprimare a dependenţei este: I=KU α 28 (1.22) (1.23)

19 Capitolul 1 Componente pasive unde K este o constantă care indică tensiunea de lucru a varistorului, iar α este 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 10-7 s, proprietate care conferă utilizări ale varistoarelor în circuite de protecţie ultrarapide ale aparaturii de măsurare, de transmisie date, şi a unor componente la apariţia de supratensiuni. În figura 1.17 se indică modul de conectare a varistorului pentru a proteja intrarea unui amplificator faţă de tensiuni induse periculoase în intrare. Tensiuni induse externe de nivel ridicat SURSA DE SEMNAL AMPLIFICATOR DE MASURĂ Element de protecţie tip VARISTOR RV Fig Schemă de principiu pentru protecţia cu varistor a intrării unui amplificator de măsură Condensatorul Introducere Condensatorul este o componentă pasivă compusă din două conductoare numite armături, separate printr-un mediu dielectric cu permitivitatea ε. Dacă este cuplat la o tensiune U se încarcă cu sarcini electrice Q în funcţie de capacitatea C : Q C U (1.24) 29

20 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) Capacitatea se măsoară în farad (F), condensatoarele având valori uzuale cuprinse între 1pF şi μF. În regim de curent variabil tensiunea la bornele condensatorului este dată de: u c 1 C idt (1.25) unde u c 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 X c <X c > SI =Ohm(Ω) ωc (1.26) unde ω este pulsaţia tensiunii sinusoidale. Capacitatea condensatorului plan este dată de: εs ε 0ε rs C d d (1.27) unde: ε 0 este permitivitatea absolută a vidului (ε 0 = 8, F/m), ε este permitivitatea absolută a materialului dielectric, ε r este permitivitatea relativă a materialului dielectric, S este suprafaţa armăturilor plane, d este distanţa dintre armături. I TERMINAL DIELECTRIC ARMĂTURI METALICE a b c U Fig a- structura condensatorului; b- simbol general; c- defazajul dintre curent şi tensiune. 30

21 Capitolul 1 Componente pasive Din analiza relaţiei (1.27) se observă importanţa proprietăţilor dielectricului în realizarea unei anumite capacităţi. În plus, în câmp alternativ dielectricul prezintă pierderi care conduc la modificarea comportării condensatorului cu frecvenţa. Deasemenea pierderi apar în armăturile şi terminalele condensatorului. Acest fenomen poate fi modelat printr-o schemă echivalentă serie în care pierderile sunt introduse prin rezistorul r sau o schemă echivalentă paralel unde pierderile apar datorită unui rezistor paralel R (fig.1.19). Modul în care se schimbă permitivitatea relativă şi tangenta unghiului de pierderi ale unui material cu frecvenţa şi temperatura se studiază în cadrul fizicii dielectricilor. Dielectricii prezintă diferite tipuri de polarizare care vor dicta comportarea condensatorului în funcţie de frecvenţa câmpului alternativ. 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 funcţie de frecvenţă. u i r u r Uc U r U tg U r U c I C u c a i I u i c ir I c I C R tg R I c b I R U Fig Exprimarea pierderilor în condensator: a- model serie, b- model paralel. 31

22 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) Fig Dependenţa mărimilor ε r 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 diferite tipuri de condensatoare. Din totalul componentelor unui montaj condensatoarele constituie circa 25% Caracteristici principale ale condensatoarelor A. Capacitatea nominală C n, este valoarea capacităţii condensatorului măsurată în condiţii specificate de tensiune şi frecvenţă la temperatură normală (T a =25 C). Această valoare este marcată pe corpul condensatorului în clar sau în codul culorilor. Precizia cu care este obţinută valoarea dorită a capacităţii este dată de tehnologia utilizată. Pentru a preciza abaterea posibilă a valorii reale a capacităţii faţă de valoarea marcată se introduce mărimea numită toleranţă. Ca şi la rezistoare toleranţa t exprimă în procente abaterea maximă admisibilă a valorii reale C a capacităţii faţă de valoarea marcată C n. t max C C C n n 100 (1.28) Pentru valori ale capacităţii mai mici de 1μF firmele producătoare folosesc pentru obţinerea şirurilor de valori standardizate aceeaşi procedură ca la rezistoare obţinându-se seriile E6, E12, E24, E48, E96, E192, (vezi 1.2 A 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 toleranţe mari şi nesimetrice (ex. : 0 +50%; -10% +30%; -20% +80%). B. Tensiunea nominală U n, este tensiunea continuă maximă sau tensiunea alternativă efectivă maximă care poate fi aplicată permanent la 32

23 Capitolul 1 Componente pasive terminalele condensatorului la temperatura normală. Valorile standardizate în volţi ale tensiunilor nominale sunt: 6, 12, 16, 25, 63, 70, 100, 125, 250, 350, 450, 500, 650, Pentru aplicaţii speciale se realizează condensatoare cu tensiunea nominală până la 30KV. În procesul de verificare a funcţionării condensatoarelor se utilizează tensiuni mai mari decât tensiunea nominală: a) tensiunea de încercare este valoarea tensiunii maxime care poate fi aplicată condensatorului un interval scurt de timp (secunde minute), fără să apară străpungerea; tensiunea de încercare caracterizează rigiditatea dielectrică la funcţionarea în regim de suprasarcină de scurtă durată. De obicei tensiunea de încercare este de (2 3)U n. b) tensiunea de străpungere este tensiunea la care are loc străpungerea dielectricului prin procese ireversibile care conduc la distrugerea condensatorului. Atingerea acestei valori este periculoasă din punct de vedere al aparaturii în care este montat condensatorul conducând la o explozie care poate produce accidente. C. Rezistenţa de izolaţie R iz, este definită ca raportul dintre tensiunea continuă aplicată condensatorului şi curentul care îl străbate la un minut de la aplicarea tensiunii, în condiţii specificate de temperatură şi umiditate. Valorile obişnuite sunt: R iz =100MΩ 1000GΩ. La condensatoarele electrolitice se defineşte curentul de fugă I f care reprezintă curentul ce trece prin condensator după 1 minut de la aplicarea unei tensiuni continue la terminale. D. Coeficientul de temperatură al capacităţii α c, indică comportarea condensatorului la modificarea temperaturii şi reprezintă variaţia relativă a capacităţii corespunzătoare variaţiei temperaturii cu 1K: 1 dc α c [K -1 ] C dt (1.29) α c 1 C 0 CT C T T 0 T0 (1.30) La condensatoare, uneori α c se exprimă în ppm/k, (părţi pe milion/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 33

24 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) condensatorul. Domeniul de temperatură uzual:-25 C +70 C; Domeniul de temperatură extins: -40 C +125 C. α c = ( )10-6 / C E. Absorbţia dielectrică. Prin scurtcircuitarea un timp scurt a terminalelor unui condensator încărcat, tensiunea scade la zero dar după înlăturarea scurtcircuitului tensiunea pe condensator creşte din nou. Acest fenomen apare ca urmare a proceselor ce au loc în dielectric prin polarizare şi 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, condensatorul introduce în circuitul de curent alternativ în care este cuplat reactanţa capacitivă X c şi un defazaj de π/2 între curent şi tensiune (tensiunea fiind în urma curentului). Condensatorul real prin construcţia şi materialele din care este realizat are o comportare complexă în funcţie de frecvenţă fiind modelat printr-o schemă echivalentă ca în fig A B A rs L Rp B C r p Fig Schema echivalentă a unui condensator real. Terminalele şi armăturile din cupru, aluminiu, argint sau aliaje, au o rezistenţă finită, exprimată în schema echivalentă prin r s. La trecerea curentului electric prin terminale, armături şi prin dielectric, apare un câmp magnetic care poate fi descris prin intermediul inductanţei serie L. Materialele dielectrice nu sunt izolatoare perfecte ele fiind parcurse chiar în curent continuu de un curent rezidual foarte mic, care produce în timp 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: R p 1 ωctg.δ (1.31) unde tgδ este tangenta unghiului de pierderi datorate dielectricului. 34

25 Capitolul 1 Componente pasive Impedanţa condensatorului real modelat ca în fig.1.21, este: Z r S jω C 1 r p 1 jω C 1 R p (1.32) Analizând expresia (1.32) se constată dependenţa clară de frecvenţă a capacităţii şi pierderilor la condensatorul real ceea ce atrage atenţia asupra modului de alegere a variantei constructive de condensator în funcţie de aplicaţia urmărită. Un condensator poate avea capacitatea nominală aleasă, dar poate să nu funcţioneze la parametrii doriţi sau să nu funcţioneze deloc la o anumită frecvenţă şi într-un anumit tip de aplicaţie. Trebuie obligatoriu consultată foaia de catalog în care producătorul prezintă caracteristicile condensatoarelor Tipuri constructive de condensatoare A. Condensatoare ceramice. Acest tip de condensatoare au ca dielectric o ceramică dintr-un amestec de oxizi, silicaţi şi zirconaţi ai diferitelor metale. Există trei tipuri principale de ceramică: ceramica tip I din titanaţi de magneziu şi calciu: ε r = 5 200, tgδ redus, coeficient de temperatură cunoscut. Condensatoarele ceramice pot fi plachetă, disc sau tubulare avînd o construcţie ca cea prezentată în figura CERAMICĂ ARMĂTURĂ LIPITURĂ TERMINAL ARMĂTURĂ TUB CERAMIC ARMĂTURI LIPITURĂ TERMINAL VEDERE LATERALĂ SECŢIUNE CONDENSATOR PLACHETĂ VEDERE LATERALĂ CONDENSATOR TUBULAR SECŢIUNE Fig Construcţia condensatoarelor ceramice. ceramica tip II din titanaţi şi zirconaţi de bariu sau stronţiu cu permitivitate până la ε r = şi tgδ cu un ordin de mărime peste 35

26 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) ceramica tip I. Acest tip de ceramică are o comportare necontrolată cu temperatura. ceramica tip III are ca bază amestecuri cu titanat de bariu tratate termic care conduc la permitivităţi ce pot depăşi ε r = , putându-se realiza condensatoare 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 se realizează 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 prin diferite 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 sau cu vopsea specială; se face marcarea condensatorului. Există condensatoare ceramice multistrat care realizează, printr-o structură 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 pe dielectric. a) Condensatoare cu polistiren (styroflex). Se obţin prin bobinarea pe maşini automate a două folii din aluminiu care alcătuiesc armăturile separate de folia dielectrică din polistiren. TERMINAL ARMĂTURI METALICE (FOLII) DIELECTRIC (FOLII) CONDENSATOR ÎN FORMARE FOLIE METALICĂ ARMĂTURI METALICE (FOLII) DIELECTRIC (FOLII) FOLIE POLISTIREN Fig Construcţia condensatoarelor cu polistiren (styroflex). 36

27 Capitolul 1 Componente pasive Terminalele din sârmă de cupru cositorită sunt lipite prin sudură în puncte de armături. După bobinare condensatorul este supus unui regim termic de încălzire care stabilizează structura şi din punct de vedere mecanic. În final se face marcarea condensatorului. Condensatoarele styroflex au pierderi foarte mici (tgδ 10-4 ) şi un coeficient de temperatură redus. Gama de valori este de 20pF 470nF cu toleranţe reduse 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 a condensatoarelor cu polistiren, cu diferenţa că armăturile din aluminiu se depun prin evaporare în vid direct pe folie. Protejarea condensatoarelor mylar se face prin încapsulare în capsule cilindrice sau dreptunghiulare şi etanşate cu răşini epoxidice. C. Condensatoare electrolitice. Condensatoarele electrolitice au ca dielectric o peliculă subţire din oxid unipolar (Al 2 O 3, Ta 2 O 5, Mb 2 O 3 ), cu rezistivitate ridicată şi rigiditate dielectrică mare. Una din armături este chiar din metalul pe care se obţine stratul dielectric, iar cealaltă armătură este un electrolit impregnat într-un dielectric poros sau solid. Pentru a se menţine stratul de oxid, armătura metalică trebuie să fie întotdeauna pozitivă în raport electrolitul, ceea ce conduce la necesitatea unei polarizări specifice condensatoarelor electrolitice în timpul funcţionării. Acestea lucrează numai în 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 de μm, asperizată electrochimic pentru creşterea suprafeţei de lucru; prin oxidare pe suprafaţa aluminiului se obţine un strat dielectric din Al 2 O 3, cu o grosime sub 1μm; două fâşii din hârtie cu grosimea de cca.100 μm în care se va impregna electrolitul; armătura negativă dintr-o folie din aluminiu care asigură contactul electric spre exterior al electrolitului; terminalele se nituiesc de cele două armături şi sunt scoase în exteriorul structurii; 37

28 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) se introduce electrolit: hidroxid de amoniu, acid boric, etilenglicol, care trebuie să asigure prin impregnarea hârtiei o rezistenţă electrică stabilă în timp şi cu dependenţă redusă în raport cu temperatura şi frecvenţa; se realizează încapsularea în carcase din aluminiu sau plastic. Observaţie: După stocarea un timp îndelungat (câteva luni), condensatoarele electrolitice trebuie formate prin menţinerea un anumit timp la o tensiune apropiată de cea nominală pentru refacerea stratului de oxid. Iniţial curentul de fugă prin condensator poate atinge valori mari. Condensatoarele cu aluminiu au capacităţi cuprinse între 0,47 μf şi μf la tensiuni cuprinse în domeniul: 3V 500V. Toleranţa condensatoarelor electrolitice este mare. b) Condensatoarele cu tantal semiuscat. Au o structură asemănătoare condensatoarelor cu aluminiu realizând capacităţi specifice mai mari datorită permitivităţii mai ridicate a pentaoxidului de tantal (Ta 2 O 5 ) care constituie dielectricul. O variantă îmbunătăţită o constituie condensatoarele cu 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 de ordinul a 1m 2 /cm 3, ceea ce conduce la o capacitate specifică ridicată; legătura cu terminalul se face prin presarea într-un conductor port anod din tantal; dielectricul este o peliculă cu grosimea de Å din pentaoxid de tantal; armătura negativă este un strat de bioxid de mangan (MnO 2 ), obţinut prin imersia anozilor oxidaţi 85% din înălţime în soluţie de mangan, urmată de 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 în domeniu extins ( C), curent de fugă redus, coeficient de temperatură coborât, fiabilitate ridicată. Capacităţile uzuale sunt cuprinse între 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 şi condensatoarele cu mică. Alte tipuri de condensatoare: Condensatoarele cu hârtie sunt condensatoare bobinate care au ca dielectric două sau trei straturi de hârtie specială impregnată cu ulei sau 38

29 Capitolul 1 Componente pasive 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 mari şi componente alternative sau impulsuri de nivel ridicat. Condensatoarele cu mică au o structură asemănătoare cu condensatoarele ceramice multistrat: armăturile din folie (de staniu, cupru, aluminiu) sunt dispuse alternativ între straturile de mică într-o structură tip sandwich. Armăturile pare se scurtcircuitează legîndu-se la un terminal al condensatorului; la fel armăturile impare se scurtcircuitează şi se conectează la al doilea terminal al condensatorului şi se face încapsularea. Condensatoarele cu mică au capacităţi reduse dar o stabilitate remarcabilă la variaţii mari de temperatură Condensatoare variabile şi semivariabile Condensatoarele variabile sunt condensatoare cu capacitate redusă ( pf) care poate fi modificată printr-o deplasare mecanică a armăturilor, care au două părţi distincte, statorul şi rotorul, prin a căror suprapunere variabilă se modifică suprafaţa şi deci capacitatea. Se folosesc în special în acordul circuitelor oscilante. Axul de comandă al capacităţii este 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 de reglare şi la calibrări. Parametrii specifici acestor tipuri de condensatoare sunt: Legea de variaţie a capacităţii cu unghiul de rotaţie: C f(cmin,cmax, ) ) unde C min este capacitatea minimă a condensatorului, C max este capacitatea maximă a condensatorului, φ este unghiul de rotaţie al rotorului faţă de stator. C min = (0,05 0,2) C max. 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 poate fi reglat. Valoarea medie este de 500μNm. Variante constructive Condensatorul variabil cu aer. La acest tip armăturile sunt constituite din lamele (plăci) din aluminiu sau alamă cu grosimea de 0,5 1mm. 39

30 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) Lamelele statorului pătrund între lamelele rotorului, şi, în funcţie de unghiul de rotaţie se modifică suprafaţa condensatorului. Pentru a creşte capacitatea specifică, între armăturile condensatorului cu aer poate fi introdusă o folie dielectrică. 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 care este depusă o armătură din argint şi un rotor tot ceramic pe care este depusă cea de-a doua armătură din argint. Prin rotirea rotorului faţă de stator se modifică suprafaţa suprapusă, şi deci capacitatea. La aceste condensatoare C = 3 30pF. În prezent există tendinţa înlocuirii condensatoarelor din circuitele de acord 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. de Temp. (x10-6 /K) Tensiune nominală (V) Frecvenţa de lucru (Hz) Valoare nominală Tolera nţă ±(%) Factor de pierderi (10-2 ) Ceramic K 0 1G 1pF 1μF ,1 15 Hârtie K 20Hz 1M 1nF 200μF ,2 1 Poliester k 20Hz 10M 10nF 20μF ,5 1 Policarbonat K 20Hz 100M 1nF 10μF ,1 0,2 Polistiren k 0 1G 0,1nF 10μF ,02 0,05 Polipropilenă ,6K 0 1G 1nF 10μF ,02 0,05 Teflon 50 1K 0 1G 0,1μF 5μF ,02 0,05 Electrolitic 6, K 0,1μF 1F aluminiu Electrolitic K 1nF 100μF tantal Mică K 0 10G 4,7pF 1μF 0, ,08 0,1 Porţelan K 0 5G 0,5pF 10nF ,1 0,3 1.3 Bobina Introducere Bobina este o componentă pasivă, constituită dintr-un conductor electric într-o anumită formă geometrică, care se opune variaţiei curentului ce o parcurge prin apariţia unei tensiuni la borne: di u L L (1.33) dt 40

31 Capitolul 1 Componente pasive unde u L şi i sunt valorile instantanee ale tensiunii şi curentului, iar L este inductanţa circuitului. <L> SI = Henry(H) În regim sinusoidal bobina introduce un defazaj cu - π/2 între curent şi tensiune şi o reactanţă inductivă: X L =Lω < X L >=ohm(ω) (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 de obicei ele sunt realizate pentru un anumit tip de montaj sau o categorie de aplicaţii, neexistând o standardizare ca în cazul rezistoarelor şi al condensatoarelor. O bobină este constituită din înfăşurare (conductorul bobinat într-o anumită formă), carcasa dintr-un material dielectric (care susţine înfăşurarea), miezul care se află în interiorul carcasei (facultativ) şi ecranul, cutie metalică ce cuprinde bobina (facultativ). În fig.1.24 se prezintă structura unei bobine reale. ÎNFĂŞURARE ECRAN CARCASĂ TERMINAL MIEZ REGLABIL SUPORT IZOLATOR Fig 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. L μ 0 μ r 2 N S l 41 (1.35)

32 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) unde: μ 0 = permeabilitatea magnetică a vidului (μ 0 = 4π10-7 A/m) μ r = 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 care este realizată, de aceea ea trebuie modelată printr-o schemă echivalentă serie ca în fig i u r L u u r L U U L U tg Ur U L Ur I Fig Schema echivalentă a unei bobine reale Dacă bobina este cu miez, schema echivalentă devine mai complicată, la pierderi contribuind şi materialul miezului Caracteristici principale ale bobinelor A. Inductanţa nominală L n, este valoarea inductanţei măsurată în condiţii specificate de frecvenţă,la temperatură normală (T a =25 C). Pentru a se obţine o anumită valoare a inductanţei în practică se folosesc formule empirice sau nomograme. Precizia de realizare a inductanţelor este de la 1 2% până la 10 20%, în funcţie de aplicaţie. Pentru a obţine o valoare exactă se fac măsurători repetate cu ajustări experimentale. B. Factorul de calitate Q L, determină proprietăţile de rezonanţă şi de randament ale bobinei. Poate fi scris sub forma: ωl Q L R 42 (1.36) unde R include rezistenţa ohmică a conductorului la frecvenţa de lucru (la frecvenţe înalte apare şi efectul pelicular), rezistenţa corespunzătoare

33 Capitolul 1 Componente pasive pierderilor în dielectricul carcasei şi în miezul magnetic. Factorul de calitate al bobinelor din circuitele electronice este de C. Coeficientul de temperatură α L indică comportarea bobinei la modificarea temperaturii şi reprezintă variaţia relativă a inductanţei corespunzătoare variaţiei temperaturii cu 1K: 1 dl α L [K -1 ] L dt (1.37) α L 1 L 0 L T L T T 0 0 (1.38) Coeficientul de temperatură depinde de modul de realizare a bobinajului, de calitatea carcasei şi de materialul miezului. α L =( )10-6 /K. Factorul de calitate scade cu creşterea temperaturii datorită creşterii rezistenţei ohmice şi a pierderilor în materialul carcasei. D. Schema echivalentă a bobinei reale. Fiecare spiră a bobinei se comportă ca o inductanţă L 0, în serie cu o rezistenţă de pierderi ohmice R 0Cu, şi o rezistenţă de pierderi în miezul magnetic R 0M. Fiecare spiră are o capacitate parazită între capete C S şi capacităţi între capete şi masă C M şi C M '. Pierderile între spire sunt modelate prin introducerea lui r. Dacă se consideră cele n spire identice, se ajunge la schema simplificată din fig. 1.26b. A SPIRA 1 R R L 0C u 0M 0 SPIRA n R R L 0C u 0M 0 B Cs Cs C M r, C M C M r, C M a A R Cu R M L C B b r p Fig Schema echivalentă a bobinei reale; a- completă, b- simplificată. 43

34 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) Se observă că circuitul echivalent unei bobine reale este complex şi de aceea trebuie analizată influenţa elementelor constructive asupra performanţelor electrice. De regulă se face o caracterizare şi eventual o reglare a bobinei la frecvenţa de lucru. În acest scop se utilizează un aparat numit Q metru, care este capabil să determine valoarea inductanţei şi factorul de calitate la frecvenţa de funcţionare Tipuri constructive de bobine. A. Bobine fixe şi bobine reglabile. Se realizează fără miez magnetic în cazul 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 o rezistenţă mecanică. Ea este dintr-un material dielectric de calitate cu permitivitate relativă redusă, cu pierderi dielectrice mici, cu stabilitate termică în domeniul de lucru, cu rigiditate electrică ridicată. Cele mai folosite materiale pentru carcase sunt la frecvenţe joase: cartonul electroizolant, 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 în galeţi.(fig.1.27). Bobinajul în fagure asigură o micşorare a capacităţii parazite deoarece conductoarele alăturate, cu diferenţe mari de tensiune nu sunt paralele. Conductorul folosit la bobinaj este de obicei din cupru (ρ=1, Ωm) izolat cu special (lacuri din răşini poliuretanice, epoxidice, silicorganice, polivinilacetat). La frecvenţe ridicate se preferă un conductor multifilar sau un conductor din cupru argintat. Miezul magnetic este introdus pentru creşterea inductanţei fiind realizat din 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 şi se presează. Cu cât sunt mai mici granulele cu atât şi pierderile în miez scad acesta putând fi utilizat la frecvenţe înalte dar şi permeabilitatea magnetică a ansamblului se reduce. În prezent se realizează miezuri din ferită care sunt amestecuri ale oxidului de fier (Fe 2 O 3 ) cu unul sau mai mulţi oxizi metalici (NiO, MnO, ZnO, MgO, CuO, BeO, CdO, BoO, CoO). Rezistivitatea feritelor are valori ridicate ρ = ( ) Ωm, ceea ce face ca pierderile 44

35 Capitolul 1 Componente pasive prin curenţi turbionari să fie reduse. Permeabilitatea relativă a feritelor în radiofrecvenţă este de ordinul Fig Tipuri de bobinaje. Atunci când se foloseşte un miez magnetic trebuie luate în studiu următoarele 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) gama frecvenţelor de lucru a miezului considerat şi stabilitatea caracteristicilor bobinei cu temperatura. Se recomandă ajustarea experimentală a bobinelor cu miez prin măsurări. Dacă poziţia miezului poate fi modificată în interiorul carcasei atunci bobina devine reglabilă permiţând ajustarea valorii inductanţei. În acest caz carcasa tubulară este filetată în interior,iar miezul cilindric este montat pe un suport din material plastic filetat exterior. Prin înşurubarea sau deşurubarea acestui suport se modifică poziţia miezului în interiorul bobinajului schimbându-se valoarea inductanţei. Pentru a ajusta în limite strânse inductanţa se pot folosi şi miezuri diamagnetice la care μ r < 0, cum sunt cuprul şi alama. Ecranul. Bobinele parcurse de curenţi variabili induc în elementele de circuit vecine tensiuni perturbatoare. În acelaşi timp câmpurile externe induc în bobină tensiuni parazite. Pentru a reduce aceste fenomene bobinele se ecranează, adică se introduc în carcase cilindrice sau paralelipipedice din aluminiu, cupru sau alamă, conectate la masă. Efectul de protecţie se obţine prin acţiunea curenţilor turbionari induşi în circuitul electric al pereţilor ecranului de către câmpul magnetic variabil din exterior. Aceşti curenţi crează un câmp magnetic care se opune câmpului perturbator. Grosimea 45

36 FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (I) ecranului trebuie să fie mai mare ca adâncimea de pătrundere a câmpului electromagnetic la frecvenţa dată în metalul respectiv. Tabelul 1.4 Adâncimea de pătrundere în funcţie de frecvenţă Frecvenţa Grosime ecran (mm) (MHz) cupru aluminiu 0,1 0,98 1,3 1,0 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 şi altele), nu necesită ecran. Efectul de ecran se măsoară prin intensitatea câmpului produs de bobină la o anumită distanţă în prezenţa şi în absenţa ecranului. Un ecran poate fi considerat bun dacă realizează un raport cuprins între 1/20 şi 1/100. Pentru îmbunătăţirea factorului de ecranare se folosesc ecrane multiple. Ecranul influenţează caracteristicile bobinei şi anume: conduce la scăderea inductanţei, creşterea capacităţii proprii, reducerea factorului de calitate, micşorarea stabilităţii caracteristicilor bobinei, prin modificarea dimensiunilor geometrice şi a rezistenţei electrice a ecranului. Dacă ecranul este realizat astfel încât pereţii lui să fie depărtaţi de bobină efectele negative introduse de prezenţa acestuia se diminuează Transformatorul Transformatorul este un ansamblu de două sau mai multe bobine cuplate printr-un miez magnetic comun şi funcţionează pe baza fenomenului de inducţie electromagnetică. În fig.1.28 este prezentat un transformator cu două bobine L A şi L B independente. Aplicând la bornele de intrare A-A ale înfăsurării primare L A o putere electrică P A (sub tensiunea alternativă U A şi curentul I A ), rezultă la bornele de ieşire B-B ale înfăşurării secundare L B, puterea electrică P B (sub tensiunea alternativă U B şi curentul I B ). Dacă se neglijează pierderile, P B =P A rezultând: U U B A I A n (raport de transformare) I B (1.39) 46

37 Capitolul 1 Componente pasive A I A M I B B U A L A Fig 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 de flux; b)pierderi în rezistenţa ohmică a bobinajului. Randamentul transformatorului poate atinge uşor valori de 90 95%, printr-o proiectare şi construcţie atentă. La transformator se folosesc diferite tipuri de miezuri în funcţie de scopul transformatorului şi de frecvenţa la care lucrează. Ca formă ele pot fi cu coloane, în manta, toroidale, ca în fig La frecvenţe joase se folosesc miezurile din tole ştanţate având ca material ferosiliciul. Tolele sunt subţiri de 0,15 0,3mm, izolate electric între ele pentru a se reduce curenţii turbionari care provoacă pierderi în miez. Se folosesc şi miezuri realizate din benzi din oţel electrotehnic izolate între ele prin lăcuire. L B U B Tr. A, B, Fig Forme de miezuri magnetice utilizate la transformatoare. La frecvenţe înalte se utilizează miezuri magnetodielectrice şi feritice. Ele au aceleaşi forme ca în