Lucrarea de laborator nr. 3 CONDENSATOARE FIXE

Transcript

1 U.T. Gh. Asachi Iaşi Facultatea de Electronică şi Telecomunicaţii Componente şi Circuite Pasive Lucrarea de laborator nr. 3 CONDENSATOARE FIXE Scopul lucrării : cunoaşterea principalelor tipuri de condensatoare, identificarea şi cunoaşterea parametrilor de catalog. Tipuri de condensatoare fixe Condensatorul, ca şi rezistorul, este o componentă pasivă de circuit foarte mult utilizată în circuitele electronice. Spre deosebire de rezistor, condensatorul este fabricat pentru a asigura un efect preponderent reactiv în circuit. Efectul disipativ al condensatorului tehnic este nedorit şi cu cît este mai puternic cu atât indicii de calitate sunt mai reduşi. În cazul condensatorului ideal efectul disipativ este nul (nu se încălzeşte) şi factorul de calitate este infinit (raportul între efectul reactiv si cel disipativ). Caracteristica electrică principală a condensatorului este C (capacitatea condensatorului) care în cazul condensatoarelor fixe este stabilită definitiv în urma procesului de fabricaţie. Valoarea capacităţii depinde de materialul dielectric (izolator) prin permitivitatea electrică ε, de aria armaturilor metalice, de grosimea dielectricului dintre armaturi şi de geometria de aranjare a sistemului armăturidielectric (dacă este plan, cilindric...). Fig. 1 1

2 În funcţie de dielectricul folosit, se întâlnesc condensatoare cu hârtie, cu film plastic, cu mică, ceramice, cu sticlă, electrolitice, etc. Condensatoarele cu hârtie se obţin prin bobinarea a două sau mai multe folii de hârtie impregnată ( hârtie de condensator) plasate între doua folii foarte subţiri de aluminiu (armături). Necesitatea a cel puţin două folii de hârtie rezultă din cauza posibilităţii de străpungere mai mare în cazul folosirii unei singure folii aceasta având imperfecţiuni (de obicei incluziuni de carbon sau aer) rezultate din procesul de fabricaţie. Prin suprapunerea a două folii probabilitatea ca doua imperfecţiuni să coincidă este foarte mică şi pericolul de străpungere scade. Acest avantaj este în compromis cu capacitatea condensatorului care scade la acelaşi gabarit din cauza creşterii distanţei dintre armături. Grosimea foliilor de hârtie este de la 20µm la 100µm (în funcţie de tensiunea de lucru a condensatorului) iar a foliilor de aluminiu variază între 5µm si 15µm. În fig.1 se dă structura condensatoarelor cu hârtie. Fig. 2 Realizarea condensatorului ca în fig.2a determină si un efect reactiv de tip inductiv din cauza bobinării armaturilor deoarece contactul dintre terminalele externe şi armaturi se face punctual. În fig.2b armaturile de asemenea sunt bobinate, însă după bobinare se ataşează căpăcele de contact la capete si efectul inductiv determinat de armaturi este eliminat. Condensatorul neinductiv din fig.2b are însă dezavantajul că la acelaşi gabarit, cu cel din fig.1a, are o capacitate mai mică. După bobinare, condensatoarele se impregnează cu dielectrici lichizi (ulei de condensator, triclordifenil) sau solizi (parafină, cerezină, răsini epoxidice) în scopul eliminării aerului dintre foliile de hârtie şi cele de aluminiu. Prezenţa bulelor de aer diminuează foarte mult tensiunea de lucru a condensatorului. Capacitatea condensatorului creşte mult, la acelaşi gabarit total, dacă se folosesc folii de hârtie metalizate. Acestea se obţin prin depunerea în vid, pe hârtie, a unui strat metalic foarte fin de aluminiu de aproximativ 0,1µm. Condensatoare cu peliculă plastică (se mai numesc cu film plastic) se realizează după tehnologii similare celor cu hârtie. Dielectricul condensatorului este în acest caz format din două pelicule din material plastic iar cele două armături sunt din aluminiu şi sunt depuse în vid pe cele două pelicule (după bobinare între armături rămâne numai o pelicula de dielectric). De obicei structura obţinută după bobinare nu se mai impregnează (impregnarea se utilizează numai în cazul condensatoarelor destinate mediilor de lucru cu umiditate mare). Peliculele plastice cele mai utilizate 2

3 sunt din dielectrici polari cu permitivitate electrică mare (polietilentereftalat, policarbonat, răşină poliamidica...) sau din dielectrici nepolari, cu ε mai mic, (polistiren, polietilenă, polipropilenă, politetrafluoretilenă..). Condensatoarele cu polistiren se mai numesc stiroflex. Condensatoare ceramice. Acestea se realizează în variantele constructive: plane (disc, placheta, multistrat) si cilindrice. Armăturile condensatoarelor ceramice sunt realizate din argint depus din soluţii coloidale pe suprafaţa dielectricului. Rezultă pelicule de grosime între 5µm si 15µm. Folosirea armăturilor din argint uşurează lipirea la armături a terminalelor externe din cupru. Dielectricul condensatoarelor ceramice este un amestec de mai multe materiale cu caracteristici electrice diferite. Materialele ceramice pentru condensatoare se împart în două categorii: - materiale ceramice tip I, au permitivitate electrică relativă nu prea mare (între 5 si 200) însă se remarcă prin faptul ca asigură o foarte bună stabilitate a capacităţii cu temperatura şi un efect disipativ (nedorit) foarte slab. Rezulta dintr-un amestec de silicaţi ai magneziului, aluminiului sau zirconiului cu titanaţi de magneziu sau calciu. - materiale ceramice tip II, au permitivitate electrică relativă foarte mare (1000 la 15000) şi determină condensatoare de volum mic dar puternic dependente de temperatură şi cu efect disipativ mult mai puternic ca în cazul materialelor tip I. Aceste materiale rezultă dintr-un amestec ai aceloraşi silicaţi cu titanaţi si zirconaţi ai bariului şi stronţiului. Există şi materiale ceramice de tip III, mai rar folosite însă. Au permitivitate şi mai mare, dar calităţi electrice şi mai slabe decât materialele de tip II. Fig.3 Materialele ceramice se folosesc şi pentru fabricarea condensatoarelor multistrat, fig.3. Structurile multistrat se fabrică din ce în ce mai mult deoarece reduc foarte mult gabaritul condensatorului la aceeaşi valoare a capacităţii sau altfel spus rezultă condensatoare cu capacitate specifică mare (raportul între C şi volumul total al condensatorului). Actual se fabrică condensatoare multistrat atât din materiale ceramice, din mică sau sticlă cît şi din folii plastice. Tehnologiile multistrat s-au folosit la început cu materiale ceramice acestea rezistând mai bine la temperaturile ridicate utilizate în timpul procesului de fabricaţie. În fig.4 sunt câteva exemple de condensatoare ceramice. În general, în clar sau cu 5 culori sunt marcate cele cu dielectric de tip I, şi cu 3 culori cele cu dielectric de tip II. Condensatoarele multistrat se marchează în clar. Condensatoare cu mică, folosesc ca dielectric mica, un material dielectric foarte performant dar şi scump. Constructiv acestea se întâlnesc sub forma plană sau multistrat. Armaturile sunt din argint, staniu, cupru electrolitic (pur) sau aluminiu. Variaţia capacităţii cu temperatura este foarte redusă din cauza coeficientului de dilatare termică foarte redus la materialul mică şi din cauza aderenţei foarte bune a armăturilor (cea mai buna aderenţă o are argintul) la acest material dielectric. Condensatoare cu sticlă, au ca dielectric sticla silicat cu conţinut mare de oxizi de bariu sau plumb. Foliile de sticlă au aproximativ 25µm iar armăturile sunt din aluminiu sau aur. Şi aceste condensatoare se realizează sub forma plană sau multistrat. 3

4 Fig. 4 Caracteristicile condensatoarelor fixe Principalele caracteristici ale condensatoarelor fixe, precizate de fabricant în cataloage, sunt: - Capacitatea nominală Cn şi toleranţa δ. Capacitatea nominală este specificată la o anumită frecvenţă şi temperatura de test (de obicei 1kHz şi 25ºC).Toleranţa are valori standard de la ± 1% la ±20% ( cu aceleaşi clase ca şi la rezistoare) şi depinde de performanţele tehnologiei folosite la fabricare şi de materialul dielectric utilizat. - Comportarea cu temperatura, este precizată prin coeficientul de variaţie a capacităţii cu temperatura (în cazul condensatoarelor care au o variaţie aproximativ liniară a capacităţii cu temperatura) definit prin relaţia αc = (1/C)*(dC/dT)[1/ºC], sau se precizează în catalog curbe de variaţie a capacităţii cu temperatura în cazul când dependenţa de temperatură a capacităţii este neliniară. - Tensiunea nominală Un, este tensiunea continuă maximă sau valoarea efectivă maximă a tensiunii sinusoidale care este permisă la bornele condensatorului un timp îndelungat fără ca acesta sasi modifice performanţele. De reţinut că fabricantul garantează performanţele dacă condensatorul este utilizat la U Un. Daca se utilizează condensatorul cu un semnal de tensiune care are şi componentă continuă trebuie ca modulul amplitudinii semnalului total să nu depăşească Un. - Tangenta unghiului de pierderi tgδ, reprezintă raportul între energia activă consumată (se transformă în căldură în interiorul condensatorului) şi energia reactivă a condensatorului. Valoarea din catalog este precizată la o anumita frecvenţă şi temperatură (de obicei la 1kHz şi 25ºC). Inversul numărului tgδ se notează Q şi se numeşte factor de calitate. - Categoria climatică, este precizata în catalog printr-o înşiruire de trei numere, de exemplu 55/85/21, cu următoarele semnificaţii; primul număr reprezintă temperatura minimă de lucru (- 55ºC), al doilea reprezintă temperatura maximă de lucru (+ 85ºC) iar al treilea arată numărul de zile de încercare a lotului, de către fabricant, la căldura umedă. - Rezistenţa la izolaţie Riz, este definită prin raportul între tensiunea continuă aplicată unui condensator şi curentul continuu care se măsoară între terminale după un minut de la aplicarea 4

5 tensiunii. Se specifică, în catalog, condiţiile de testare (de exemplu ±25ºC şi umiditate relativă a mediului ambiant 75%). O parte din caracteristicile de mai sus sunt marcate pe corpul condensatorului în clar sau codat (în codul culorilor sau litere). Pe corpul oricărui condensator se marchează în clar unul sau mai mulţi parametri în funcţie de tipul condensatorului; capacitatea nominală (obligatoriu la toate condensatoarele), tensiunea nominală, toleranţa, coeficientul de variaţie cu temperatura... Celelalte caracteristici ale unui condensator (care nu sunt marcate în clar) se găsesc în catalogul fabricantului şi trebuie cunoscute exact pentru utilizarea corectă a condensatorului. Modul de lucru 1. Se identifică toate tipurile de condensatoare montate pe plăcutele de circuit imprimat, desenându-se în caiet. Se folosesc în acest scop cataloagele puse la dispoziţie şi o riglă pentru măsurarea dimensiunilor geometrice. 2. Se trec în caietul de laborator toţi parametrii identificaţi, sub formă de tabel (cel puţin cei definiţi anterior). 3. C Cn Un Tol α c tg δ Cat. climatică Riz. Cod dielectric C1 C2 4. Se notează în caietul de laborator codul culorilor şi utilizarea codului de la caz la caz (marcare cu trei culori cu patru şi cu cinci culori) în cazul condensatoarelor ceramice plachetă şi disc. Se reţine de asemenea utilizarea codului literar. 5. Se reţin în caiet concluziile dv. (comparative) referitoare la caracteristicile tipurilor de condensatoare identificate în laborator (acasă). 5

6 CONDENSATOARE DE CAPACITATE SPECIFICĂ RIDICATĂ Tendinţa continuă de miniaturizare a aparaturii electronice impune, pentru condensatoarele de valori mari (peste 1µF) utilizarea unor tipuri caracterizate printr-o valoare ridicată a raportului dintre capacitate şi volumul condensatorului (raport numit capacitate specifică). Din această categorie fac parte condensatoarele electrolitice, condensatoarele cu aluminiu solid şi condensatoarele cu tantal. Aceste condensatoare sunt construite, în prezent, cu valori ale capacităţii cuprinse între 50nF si µF, într-o gamă de tensiuni nominale extinsă până la 500Vcc, cu dimensiuni proporţionale cu produsul capacitate*tensiune pentru aceeaşi tehnologie; condensatoarele subminiatură pentru circuite hibride au dimensiuni comparabile cu cipurile de circuite integrate. Aceste condensatoare îndeplinesc de obicei funcţia de filtrare a tensiunilor (rezervor de energie) sau cuplare/decuplare a semnalelor de frecvenţe joase. În timpul funcţionarii ele trebuie polarizate cu o anumita tensiune continuă (pentru a se conserva proprietăţile stratului de dielectric) a cărei valoare nu trebuie sa depăşească valoarea tensiunii nominale. Prin cuplarea a doi condensatori "spate în spate" prin catozi (în serie) se poate obţine un condensator nepolarizat care poate fi utilizat şi în curent alternativ fără componenta continuă (fig. 1). Condensatorul electrolitic cu aluminiu are conductibilitate ionică, ceea ce face să fie polarizat. Cel cu aluminiu solid are anodul asemănător, dar catodul nu mai este o folie impregnată cu electrolit, ci bioxid de mangan. Contactul de catod se face tot cu o folie de Al neasperizată. Teoretic, potenţialul anodului poate fi mai mic decât al catodului, dar acest lucru nu se recomandă, deoarece MnO 2 este imperfect si poate avea şi el conductibilitate ionică. Fiabilitatea condensatoarelor electrolitice este mai redusă decât a altor componente electronice pasive, ceea ce înseamnă ca acestea se defectează mai rapid. Cauzele defectelor sunt: depăşirea tensiunii nominale, încălzirea excesiva datorita pierderilor (tgδ este mare), pierderea electrolitului datorita etanşării imperfecte, lucrul la temperatură, umiditate sau tensiune mai ridicată, depozitare îndelungată. Modul de manifestare al defectelor este diferit: străpungere, explozie (spargerea carcasei) sau pur si simplu creşterea curentului de fugă şi scăderea capacităţii (uscare = devalorizare) ceea ce face ca, condensatorul să nu-şi mai îndeplinească corect rolul în circuit. 6

7 Pe lângă aceste, are şi un efect inductiv datorat modului tehnologic de realizare, precum şi incapacitatea de a lucra în curent alternativ mare (peste 0,7 V amplitudine ). Atenţie! Este greşit a se descărca prin scurtcircuitare condensatoarele de capacitate mare încărcate din cauza valorii mari a curentului care ia naştere şi care poate distruge armăturile, punctele de conectare a terminalelor, etc. Curentul de descărcare trebuie limitat cu rezistoare. În ţară se produc (an producător IPRS) condensatoare electrolitice în gama de valori nominale de la 0.22µF la 47000µF având tensiuni nominale cuprinse între 6.3V şi 450V. Sunt produse trei categorii de condensatoare electrolitice: simple, multiple şi nepolarizate. Marcarea condensatoarelor se face în clar, pe corpul lor fiind specificate: firma producătoare, codul de catalog, capacitatea nominală, tensiunea nominală, data fabricaţiei, alte informaţii referitoare la polaritatea terminalelor. Codul de catalog este format din două litere si un grup de patru cifre. Literele au următoarea semnificaţie: EG = condensator de capacitate specifică ridicată; EN = condensator electrolitic nepolarizat; EM = condensator electrolitic nepolarizat pentru pornire motoare; EF, EP =condensatoare electrolitice destinate pentru sursele de putere din echipamentele de tehnică de calcul şi pentru stocarea energiei în sistemele cu funcţionare în comutaţie. Primele doua cifre reprezintă codificarea familiei tehnologice iar următoarele doua codifica tipul capsulei. Condensatoarele cu tantal solid sunt produse în gama de valori nominale de la 0.1µF la 680µF şi tensiuni nominale de 3, 6.3, 10, 16, 20, 25, 35, 40, 50 si 63V. Se produc în trei variante: CTS-P cu terminale de implantare, numite si condensatoare tip picătură; CTS-M cu terminale axiale cu capsulă metalică cilindrica etanşată cu sticlă (pentru aplicaţii militare şi industriale); CTS-T cu terminale axiale cu capsulă cilindrică etanşată cu răşină epoxidică (pentru aplicaţii de uz general). Au avantajul că oferă capacităţi mai mari la volume mai mici. Sunt însă mai scumpe. Modul de lucru 1. Se identifică toate condensatoarele polarizate avute la dispoziţie, utilizând catalogul. Se notează: valoarea nominală, toleranta, codul complet de catalog şi ceilalţi parametri precizaţi de producător, conform tabelului de mai jos. Atenţie la parametrul specific curentul de fugă : 7

8 2. C Cn Un Categ. climatică C1 C2.. tg δ Curent de fugă Riz α c Cod de catalog 2. Se observă construcţia condensatorului electrolitic pe un exemplar decapsulat. 3. Determinarea ratei de autodescărcare a unui condensator. Pentru aceasta se realizează montajul din fig. 1, reglând sursa de tensiune la o valoare cuprinsă între 15 şi 20V (se verifică valoarea tensiunii continue prin măsurare cu MAVO). Fig. 4 Obs. Dioda are rol de protecţie a condensatorului, la conectarea inversă accidentală a sursei de tensiune. După conectarea lui K se verifică tensiunea la bornele condensatorului (Vc=E). Din momentul deschiderii lui K se măsoară tensiunea pe condensator (conectând pentru foarte scurt timp voltmetrul la bornele sale) din 30 în 30 de secunde şi se completează tabelul următor: t (s) Vc1(t) Vc1(t) Vc2(t) Vc2(t) Se fac măsurătorile de două ori consecutiv pentru două condensatoare, având grija să se descarce condensatorul după primul set de măsurători prin unirea punctelor A şi M printr-un fir conductor. Se trasează grafic cele doua curbe Vc(t) pe hârtie milimetrică. 4. Se identifică montajul din figura 5. 8

9 Fig. 5 Se calculează tensiunile la care trebuie să se încarce condensatoarele după închiderea comutatorului K şi terminarea regimurilor tranzitorii de încărcare. Se scurtcircuitează, pe rând, bornele condensatoarelor pentru a ne asigura că sunt complet descărcate. Se închide K şi se măsoară tensiunile V, V1, V2, V3, utilizând MAVO, rezultatele trecându-se în tabelul următor. Se explică diferenţele obţinute. Valoare calculată Valoare măsurată Val. măsurată după îndepărtarea lui R1 V (v) Vc1 (v) Vc2 (v) Vc3 (v) Defazajul dintre tensiunea la bornele condensatorului şi curentul care îl "parcurge": Se calculează defazajul introdus de condensatorul real (conectat în schema din figura 6) utilizând datele de catalog. Fig. 6 Se determină apoi experimental o valoare aproximativa a defazajului utilizând metoda figurilor Lissajoux, realizând circuitul din figura 6. Pentru acest circuit se desenează diagrama fazorială a tensiunilor Vg, Vr, Vc. Se calculează frecvenţa la care modulul tensiunii are valori egale pe cele două componente; se fixează aceasta frecvenţă şi un nivel de ieşire aproape de nivelul maxim al generatorului. Se aplică tensiunile Vr, Vc la intrările Xext si Y ale osciloscopului si se trece comutatorul bazei de timp pe poziţia Xext. Se desenează figura obţinută pe osciloscop şi se observă modificarea formei la variaţia frecvenţei. Se interpretează rezultatele obţinute. 9