Componente şi circuite pasive

Transcript

1 Componente şi circuite pasive Condensatoare cu dielectric mixt Utilizând tehnologia bobinării se realizează o mare varietate de condensatoare cu dielectric mixt, folosind în general pentru realizarea condensatorului două folii de dielectrici diferiţi. Combinaţiile folosite în mod curent sunt: hârtie şi polipropilenă, hârtie şi poliester, hârtie şi policarbonat, poliester şi policarbonat. După cum se observă din combinaţiile prezentate, hârtia este dielectricul frecvent utilizat împreună cu o folie de dielectric termoplastic, datorită conducţiei termice mai bune a hârtiei faţă de materialele termoplaste. Aceste condensatoare sunt realizate în special pentru aplicaţii specifice domeniului compatibilităţii electromagnetice, electronicii de putere, corecţia factorului de putere a sarcinilor inductive, electrotehnică, energetică, etc. Uneori hârtia poate fi utilizată doar ca element de disipaţie termică, fără a fi utilizată şi ca dielectric. Principalele variante constructive sunt prezentate în figura FM FH FP a) FM FHM FP b) FHM FPM FH c) 45

2 Condensatoare. FPM FHDM FP d) FHDM FM FP1 FP2 e) FM FP1M FP2 f) FP1M FM - folie de aluminiu; FH - folie de hârtie; FP - folie de dielectric termoplast (poliester, polipropilenă, policarbonat); FHM - folie de hârtie metalizată; FPM - folie de dielectric termoplast metalizată; FHDM - folie de hârtie metalizată pe ambele feţe şi la un capăt. Fig Variante constructive pentru condensatoare cu dielectric mixt sub formă de folii Se remarcă varianta constructivă din figura 3.20 d, la care folia de hârtie este metalizată pe ambele feţe şi la o extremitate. La aplicarea unei tensiuni la bornele 46

3 Componente şi circuite pasive condensatorului folia de hârtie nu este parcursă de câmp electric, deci nu face parte din dielectricul condensatorului. Deci dielectricul condensatorului la această variantă nu este mixt, el fiind format doar din folie de dielectric termoplastic. Hârtia este utilizată doar din motive termice, pentru a obţine puteri nominale mari. În general aceste condensatoare trebuie să suporte valori mari ale puterii active şi reactive, ale tensiunii şi curentului, precum şi variaţii rapide ale tensiunii, puterii şi curentului. De aceea ele trebuie să prezinte tensiuni nominale în c.c. şi c.a. mari, puteri nominale mari. Parametrii unui condensator mixt depind de parametrii celor două materiale dielectrice utilizate. De altfel, având în vedere că aceste condensatoare utilizează preponderent hârtia care la rândul ei implică impregnarea condensatorului, rezultă că de fapt condensatorul cuprinde trei tipuri de dielectric: hârtia, materialul termoplastic şi impregnantul. Cu o bună aproximare, principalii parametrii ai condensatorului mixt pot fi determinaţi astfel: se consideră că se utilizează pentru realizarea condensatorului două folii de dielectric caracterizate de permitivitatea relativă ε 1 şi ε 2 ; cu grosimea d 1, respectiv d 2 ; cu coeficientul de temperatură al permitivităţii α ε1, respectiv α ε 2; tangenta unghiului de pierderi tgδ 1, respectiv tgδ 2. Condensatorul poate fi considerat ca fiind format din două condensatoare conectate în serie, de capacitate C 1, respectiv C 2, (vezi şi paragraful , relaţiile ). C 1 = ε 0 ε 1 A / d 1, C 2 = ε 0 ε 2 A / d 2, (3.66) unde A este aria armăturii. Capacitatea C a condensatorului este: CC 1 2 ( ε 0ε1A/ d1)( ε 0ε 2A/ d2) 1 C = = = ε 0 A C + C εεa/ d + εε A/ d d / ε + d / ε (3.67) C = ε 0 ε ef A/d, (3.68) Rezultă din identitatea relaţiilor (3.67)şi (3.68), permitivitatea relativă efectivă a condensatorului, d ε ef = ; d = d 1 +d 2 (3.69) d / ε + d / ε Toleranţa t a capacităţii condensatorului va fi, t = C t C t C + C 1 2 (3.70) 47

4 Condensatoare. unde t 1 este toleranţa capacităţii C 1 şi t 2 este toleranţa capacităţii C 2. Coeficientul de variaţie cu temperatura α TC al capacităţii condensatorului va fi: α TC = C C 1α 2 + 2α 1 (3.71) C + C 1 2 unde α 1, respecriv α 2 este coeficientul de variaţie cu temperatura al capacităţii C 1, respectiv al capacităţii C 2. α 1 = α ε1 ; α 2 = α ε2 (3.72) Rezultă: α c = C C 1α 2 + 2α 1 ( ε 0ε 1A/ d1) α 2 + ( ε 0ε 2A/ d2) α 1 = C + C εεa/ d + εε A/ d (3.73) α c = ( ε / d ) α ( / ) ε + ε d α ε / d + ε / d ε (3.74) Tangenta unghiului de pierderi în dielectricul condensatorului, tgδ C va fi: tgδ C = C tg C tg 1 δ δ 1 (3.75) C + C 1 2 Înlocuind 3.66 în relaţia 3.75, rezultă: tgδ C = ( ε / ) ( / ) 1 d1 tgδ 2 + ε 2 d2 tgδ 1 ε / d + ε / d (3.76) Având în vedere relaţia (3.57) rezultă intensitatea câmpului electric E 1 în stratul de dielectric unu şi intensitatea câmpului electric E 2 în stratul doi. U E 1 = (3.77) d + d ε / ε U E 2 = (3.78) d2 + d1ε2 / ε1 unde U este tensiunea de la bornele condensatorului. Tensiunea nominală a condensatorului va fi determinată astfel încât: E 1 << E str1 E 2 << E srt2 (3.79) unde E str1, reprezintă rigiditatea dielectricului unu şi E srt2 este rigiditatea dielectricului doi. 48

5 Componente şi circuite pasive De exemplu utilizând pentru un condensator o folie cu grosimea d 1 = 10 µm, ε 1 = 5, α ε1 = 10-3 / C, tgδ 1 = şi alta cu grosimea d 2 = 10 µm, ε 2 = 3, α ε2 = / C, tgδ 2 = , rezultă un condensator cu parametrii: 20 ε ef = = 375, (3.80) 10/ 5+ 10/ 3 α c = 5/ 10( 10 ) + 3/ / / = 25, 10 / C (3.81) tg δ εef = 510 / (5 10 ) / 510 / / = 53, 10 (3.82) E 1 = 0,0375V [V/µm] (3.83) E 2 = 0,0625V [V/µm] Condensatoare ceramice Materialele ceramice utilizate la realizarea dielectricului condensatoarelor sunt de o mare diversitate, fiind compuşi oxidici. Proprietăţile unui anumit tip de ceramică (dielectric) depind atât de materialele de bază utilizate, dar şi de tratamentele termice la care sunt supuse în timpul procedeului de fabricaţie. Într-un procent mai mare sau mai mic, în funcţie de combinaţie se utilizează: MgO, TiO 2, SiO 2, BaO, CaO, ZrO 2. Dielectricii ceramici ai condensatoarelor, în funcţie de compoziţie, respectiv parametrii caracteristici ai acestora, se împart în trei clase: tip I, II şi III. Compoziţia celor de tip I şi de tip II este prezentată în tabelul Tabelul 3.15.Compoziţia dielectricilor ceramici de tip I şi II [31]. Tip I, ε r = Tip II ε r > 250 P100, MgTiO3, Mg 2 SiO 4 BaTiO 3, ε r = 2000 NPO, MgTiO3 N75, Ba 2 Ti 9 O 20 +TiO 2 (Ba,Ca) (Ti,Zr)O 3 +adauşi subprocentuali, ε r = N150, Ba 2 Ti 9 O 20 +TiO 2 N220, Ba 2 Ti 9 O 20 +TiO 2 N330, Ba 2 Ti 9 O 20 +TiO 2 N470, Ba 2 Ti 9 O 20 +TiO 2 N750 TiO 2 +adauşi subprocentuali N1500 CaTiO 3 +adauşi subprocentuali 49

6 Condensatoare. Materialele ceramice de tip III sunt de tip semiconductor, având o puternică dependenţă a capacităţii de tensiune. Sunt foarte rar utilizate. Influenţa câtorva materiale utilizate la realizarea dielectricilor ceramici asupra parametrilor dielectrici sunt prezentate, în figurile Dielectricii ceramici sunt codificaţi conform celor expuse în paragraful 3.13, tabelul Dielectricii ceramici de tip 1 utilizaţi în mod frecvent sunt prezentaţi în tabelul Dielectricul ceramic de tip 1 poate fi specificat în cod literal (tabelul 3.9), Fig Variaţia lui ε r şi α εr funcţie de procentul de TiO 2 pentru ceramică TiO 2 - ZrO 2, [5] Fig Variaţia permitivităţii relative εr cu frecvenţa f pentru diferite materiale ceramice pe bază de BaTiO 3 (1), CaTiO 3 (2) şi MgTiO 3 (3), [6]. 50

7 Componente şi circuite pasive coduri alfanumerice (tabelul 3.9, 3.10, 3.11). De exemplu: dielectric de tip NPO, sau tip COG, sau tip CG. Dielectricii ceramici de tip II sunt de asemenea codificaţi literal sau alfanumeric. Exemplu: dielectric tip SB sau 2B4 sau Y5P. Dielectricii ceramici de tip 1 prezintă permitivitate relativă mică ( ), dar foarte stabilă cu frecvenţa până la frecvenţe înalte (10GHz). Au coeficientul de variaţie cu temperatura al permitivităţii definit ( )ppm/ C, pierderi mici, tgδ ε = , R iz > 10GΩ, E str = KV/mm. Dielectricii ceramici de tip II şi III au permitivitate relativă mare ( ), care însă în funcţie de materialele de bază, în special de conţinutul de BaTiO 3, are o variaţie mai mare sau mai mică cu frecvenţa şi tensiunea. Variaţia cu temperatura este mare, având pierderi relativ mari tgδ ε = , E str = 3..5KV/mm. Ca formă constructivă condensatoarele ceramice sunt tubulare, plate, disc, prismatice. Pot fi de asemenea monostrat (un strat de dielectric) sau multistrat ( straturi de dielectric). Se utilizează tehnologia ceramicii pentru realizarea lor. Această tehnologie implică următoarele faze principale: dozarea materialelor de bază; măcinarea umedă a acestora; sitarea prafului ceramic obţinut; tratament termic. Dielectricul sub formă de disc se obţine prin presare. Dielectricul sub formă plată (plachetă) se obţine prin laminarea unei paste ceramice obţinute prin amestecarea prafului ceramic cu liant de legătură (cauciuc natural), rezultând folii ceramice cu o grosime de 0,1...0,8mm. Dielectricul condensatoarelor ceramice multistrat se obţine tot prin laminare, foliile ceramice având grosimea de µm. Dielectricul obţinut (disc sau folie) este supus unui tratament termic de ardere a ceramicii ( C). Armăturile condensatoarelor monostrat se depun prin serigrafie, utilizându-se o pastă de argint (soluţie coloidală AgCO 3, Bi 2 O 3 şi PbB 4 O 7 dizolvată în lac de colofoniu). Armăturile realizate în acest fel au o grosime de 10-12µm. Armăturile mai pot fi realizate şi din cupru prin evaporare în vid, rezultând grosimi tipice de 0,1 µm. Armăturile sunt acoperite cu un strat de 0,1...0,2mm din aliaj plumbcositor. Terminalele sunt conecatate la armături prin lipire. Protecţia se realizează cu răşină fenolică termodură şi eventual ceruire. Armăturile condensatoarelor multistrat se realizează prin serigrafie, din pastă de Ag-Pd cu grosimi de 4-6µm. Se suprapun mai multe straturi de dielectric cu armăturile depuse alternativ stânga-dreapta, după care ''sandvişul'' obţinut se presează la cald. Se taie cipurile cu lame de oţel. Cu pastă de Ag-Pd se conectează armăturile stânga între ele, respectiv dreapta. Regiunea metalică obţinută, reprezintă terminalul condensatorului multistrat utilizat în tehnologia montării direct pe suprafaţă a componentelor.terminalele acestora mai pot fi formate şi din mai multe straturi: Ag + Ni + Sn sau Ag + Ni (vezi fig. 3.26a). Condensatoarele ceramice multistrat SMD sunt cele mai utilizate condensatoare 51

8 Condensatoare. în tehnologia montării pe suprafaţă. Condensatoarele ceramice multistrat cu terminale pentru plantare se obţin prin lipirea terminalelor din sârmă de cupru dublă cositorită la cipul obţinut anterior. Sunt protejate cu răşină epoxidică. Structura constructivă a diverselor tipuri de condensatoare ceramice este prezentată în figurile , în care s-au utilizat notaţiile: 1 - dielectric ceramic; 2 - armături; 3 - zone de contactare; 4 - terminale; 5 - element de protecţie. Fig Condensator ceramic disc. Fig Condensator ceramic tubular. 52

9 Componente şi circuite pasive Fig Condensator ceramic plat. a) SMD b) pentru plantare Fig Condensator ceramic multistrat. 53

10 Condensatoare. Condensatoarele ceramice sunt cu dielectric mixt, cu amestec în volum. Condensatoarele ceramice monostrat de tip 1 au capacitatea nominală mică, de la 0,33 pf la 560 pf, cu toleranţe de ±2%, ±5%, ±10%, ±20%, coeficient de temperatură definit de la ±30 ppm/ C la ±250 ppm/ C. Tangenta unghiului de pierderi este relativ mică, tgδ la 1MHz este 10-3, rezistenţa de izolaţie este mare (R iz > 10GΩ). Tensiunea nominală în c.c. este 400 (500)V pentru cele cu formă de disc, 63V pentru plachetă, 16V, 25V, 50V pentru tubulare. Categoria climatică este în general 40/85/21. În România se realizează condensatoare ceramice monostrat tip 1 cu codurile: CGX12XX (disc), CGX32XX (plachetă clasică), CMU32XX (plachetă miniatură) cu parametrii comuni: toleranţa de ±5%, ±10%, ±20% pentru C N > 10pF, respectiv ±0,25pF, ±0,5pF, ±1pF pentru C N 10pF; tgδ la 1MHz este maxim ; R iz > 10GΩ; U Ncc = 500V pentru disc şi U Ncc = 63V pentru plachetă; categoria climatică 40/085/21. Parametrii specifici dependenţi de tipul de dielectric: - CGA12XX, C N = [0,82-10]pF, α TC = +100 ±100 ppm/ C; - CGH12XX, C N = [2,2-120]pF, α TC = - 33 ±60 ppm/ C; - CGP12XX, C N = [2,2-150]pF, α TC = -150 ±60 ppm/ C; - CGU12XX, C N = [2,7-270]pF, α TC = -750 ±250 ppm/ C; - CGP32XX, C N = [10-390]pF, α TC = -150 ±60 ppm/ C; - CGU32XX, C N = [ ]pF, α TC = -750 ±250 ppm/ C; - CMU32XX, C N = [27-180]pF, α TC = -750 ±250 ppm/ C; - COV100X (condensator cilindric), cu C N = [1-2,2] pf, α TC = ppm/ C, toleranţa ±0,25pF, U ncc = 500V, R iz > 10GΩ. Condensatoarele ceramice monostrat de tip 2 au o capacitate specifică mai mare faţă de tip 1, respectiv capacităţi nominale mai mari, au toleranţe mari (de la ±20% la -20%...+80%), au variaţii mari ale capacităţii cu temperatura (±20%, -55%...+20%), pierderi de putere mare (tgδ la 1MHz de ), capacitatea scade mai mult sau mai puţin la creşterea frecvenţei şi a tensiunii de la bornele condensatorului. Condensatoarele româneşti ceramice monostrat de tip 2 au codurile generale: CL*12** (disc), CL*32** (plachetă clasică), CM*32** (plachetă miniatură) cu parametrii comuni: tgδ maxim 3,5% (la f = 1KHz), R iz > 3GΩ, tensiunea nominală în c.c. 400V (pentru disc) şi 25V (pentru plachetă), categoria climatică 40/085/21. Parametrii dependenţi de tipul dielectricului: - CLX12**, C N = [0,47-6,8]nF, cu toleranţa -20%...+80%, C/C 20 = ( )% - CLY12**, C N = [0,68-10]nF, cu toleranţa -20%...+80%, C/C 20 = ( )% - CLZ12**, C N = [ ]pF, cu toleranţa ±10%, ±20%, C/C 20 = ±20%. - CLX32**, C N = [3,3-10]nF, cu toleranţa -20%...+80%, C/C 20 = ( )%. 54

11 Componente şi circuite pasive - CLY32**, C N = [10-100]nF, cu toleranţa -20%...-80%, C/C 20 = ( )%. - CLZ32**, C N = [0,47-22]nF, cu toleranţa ±10%, ±20%, C/C 20 = ±20%. - CMX32**, C N = [1,5-8,2]nF, cu toleranţa -20%...+80%, C/C 20 = ( )%. Se realizează de asemenea condensatoare ceramice de tip 2 sub formă de disc pentru înaltă tensiune, cu codurile CAX12** şi CAZ12** cu tensiunea nominală în c.c. de 1KV şi dielectric de tip X, respectiv Z şi codurile CBX12**, CBZ12** pentru tensiunea nominală în c.c. de 2KV, cu dielectric de tip X, respectiv Z. Condensatoarele de tip CLY10** sunt condensatoare ceramice de tip 2 (dielectric Y) de tip,,cip disc'' neprotejate, utilizate în general în telefonie pentru protecţia contactelor mecanice şi reducerea perturbaţiilor produse de contactele mecanice cu sarcini inductive. Au capacităţi nominale de 1,5nF, 2,2nF, 3,3nF, 4,7nF tensiunea nominală în c.c. de 100V. Condensatoarele multistrat, faţă de cele monostrat, prezintă o capacitate specifică mai mare, datorită grosimii mici a dielectricului şi construcţia multistrat (conectarea în paralel a mai multor condensatoare). Un condensator multistrat care are n straturi de dielectric, are n / 2 armături stânga şi (n / 2) + 1 armături dreapta ( sau invers), are o capacitate C = nc 0, C 0 fiind capacitatea unui condensator cu un singur strat de dielectric. Condensatoarele multistrat prezintă parametrii asemănători cu ai condensatoarelor ceramice monostrat, (în funcţie de tipul dielectricului), cu excepţia capacităţii nominale şi a tensiunii nominale. Condensatoarele multistrat de tip1 cip (SMD) cu codul CC30** au parametrii: capacitatea nominală de la 3,3pF, la1800pf, cu toleranţa de ±2%, ±5%, ±10%, ±20%; tensiunea nominală în c.c. de 50V, 100V, 200V; coeficientul de variaţie cu temperatura de 30 ppm/oc; R iz > 10GΩ; categoria climatică 55/125/56. Condensatoarele multistrat SMD de tip 2 au codul CZ30XX şi parametrii: C N de la 100pF la 1µF; t de ±5%, ±10%, ±20%; U N de 50V, 100V, 200V; tgδ < 3%; R iz > 4GΩ; C/C 20 = ±20%; categoria climatică 55/125/56. Condensatoarele multistrat cu terminale pentru plantate de tip 1, MC32**, au aceeaşi parametrii ca şi CC30** cu diferenţa că: se realizează şi pentru tensiuni nominale în c.c.de 25V; toleranţa de ±1%; capacitatea maximă a valorii nominale este de 27nF. Condensatoarele ceramice multistrat cu terminale pentru plantare de tip 2 cu codul MZ32** au aceeaşi parametrii ca şi cele de tip CZ32**, cu diferenţa că: au capacitatea maximă nominală de 1,5µF; sunt realizate şi pentru tensiunea nominală în c.c. de 250V. Condensatoarele multistrat ceramice cu terminale pentru plantare cu codul MX32** au parametrii: capacitatea nominală de la 4,7nF la 4,7µF, cu toleranţa de ±20%, -20%...+50%, -20%...+80%; tgδ < (la1khz); R iz > 4GΩ; tensiunea nominală în c.c. de 25V sau 50V; categoria climatică de 10/85/56; C/C 20 = - 55%...+20%. 55

12 Condensatoare. Având în vedere forma constructivă plană, toate condensatoarele ceramice prezintă inductanţă parazită mică, putându-se aproxima cu 5nH pentru condensatoarele ceramice cu terminale pentru plantare (cu terminale cât mai scurte, de aproximativ 0,5cm) şi de 2nH pentru condensatoarele multistrat SMD. Deci în funcţie de capacitate pot fi utilizate până la frecvenţe înalte. De exemplu un condensator cu C N = 10pF, cu terminale pentru plantare, are frecvenţa de rezonanţă de f r = 1,2GHz. În electronica de mică putere, condensatoarele ceramice sunt printre cele mai utilizate. Curentul nominal al condensatoarelor ceramice monostrat este relativ mic, fiind de aproximativ 0,5A pentru dimensiuni mici, d < 5mm şi de 1A pentru d > 6mm. Condensatoarele ceramice de tip 1 au o foarte bună stabilitate a capacităţii cu frecvenţa, sunt relativ stabile şi cu temperatura. Au abateri mici, pierderi mici, rezistenţă de izolaţie mare. Se utilizează într-o mare varietate de circuite electronice, în special la înaltă frecvenţă. Dezavantajul acestora constă în putere nominală mică, curent nominal mic, tensiune sinusoidală relativ mică. Condensatoarele ceramice de tip 2, prezintă capacităţii mai mari, însă au capacitatea instabilă cu frecvenţa, tensiunea şi temperatura, abateri mari, pierderi mari. Se utilizează în circuitele în care precizia nu este critică, în special pentru cuplări, decuplări, pînă la frecvenţe înalte (dependentă de tipul dielectricului). În figurile se prezintă comparativ câţiva parametrii ai condensatoarelor ceramice de tip 2. 56

13 Componente şi circuite pasive 0-10 C/C(%) X7R Vcc (V) Z5U Fig Variatia relativa a capacitatii in functie de tensiunea continua de la borne (f = 1 KHz, U ca = 0.1V, θ = 25 o C) 2E3 57

14 Condensatoare. C/C (%) 20 X7R Z5U -60 2E θ ( o C) Fig Variatia relativa a capacitatii in functie de temperatura, raportata la capacitatea de la 20 o C (f = 1 KHz, U ca = 0.1V) 58

15 Componente şi circuite pasive C/C (%) X7R -15 Z5U E3 f (Hz) Fig Variatia relativa a capacitatii cu frecventa, raportata la capacitatea de la 300Hz ( θ = 25 o C, U ca = 0.1V) tg δ (%) X7R Fig Variatia tangentei unghiului de pierderi cu temperatura ( f = 1KHz, V ca = 0.1V) 2E3 θ ( o C) 59

16 Condensatoare Condensatoare cu mică Mica de tip muscovit este unul dintre cela mai bune materiale dielectrice, având permitivitatea relativă ε r = 6...7, o variaţie mică a permitivităţii cu temperatura, α ε = / C, piederi mici, tgδ ε = , rigiditatea dielectrică mare 100MV/m, temperatură maximă de utilizare mare. Constructiv condensatoarele cu mică au o structură specifică condensatoarelor plane-multistrat. Mica este un material natural cu structură cristalină, care poate fi foarte uşor desfăcut în plane paralele. Armăturile sunt din folii din staniu, cupru,aluminiu. Se suprapun alternativ armături stînga, strat de mică şi armături dreapta, după care se scurtcircuitează la capete, conectându-se armăturile stânga între ele, respectiv dreapta. Mica fiind higroscopică, condensatoarele se protejează cu ceruri minerale, răşini fenolformaldefidice, epoxidice, cu ceramică, cu sticlă. Performanţe superioare se obţin pentru condensatoare cu mică argintată, când se elimină interstiţiile dintre dielectric şi armătură. Condensatoarele cu mică au capacitatea nominală de la 1pF la 100nF, toleranţa de la ±0,5% la ±20%, tgδ < , α c = 20-70ppm/ C, tensiunea nominală de la 100V la 10KV. Deşi sunt condensatoare cu parametrii foarte buni, asemănătoare cu cele cu polistiren şi ceramică de tip I (C0G), datorită complexităţii tehnologiei de realizare, în etapa actuală sunt foarte puţin produse de firme. Ele au fost înlocuite în diverse aplicaţii de condensatoarele ceramice multistrat de tip Condensatoare electrolitice Categoria condensatoarelor electrolitice cuprinde condensatoarele care au ca dielectric o peliculă de oxid unipolar: Al 2 O 3, Ta 2 O 5, Mb 2 O 5, TiO 2. Denumirea de electrolitic persistă de la primele condensatoare de acest fel realizate cu Al 2 O 3 şi electrolit lichid, variantă care astăzi nu se mai realizează. Principalul avantaj al condensatoarelor electrolitice este capacitatea specifică foarte mare, ajungând la sute de µf/cm 3, rezultat obţinut datorită grosimii foarte mici a dielectricului (cel mult un micron) şi a suprafeţei efective a armăturii mult mai mare decât suprafaţa geometrică, precum şi o permitivitate relativ ridicată. Dezavantajul esenţial îl constituie faptul că sunt polarizate (majoritatea), deci sunt utilizate numai în aplicaţii de c.c. Se realizează în mod curent condensatoare electrolitice cu Al 2 O 3 şi Ta 2 O 5, denumite condensatoare cu aluminiu, respectiv cu tantal. 60

17 Componente şi circuite pasive Condensatoare electrolitice cu aluminiu Condensatoarele electrolitice reprezintă o categorie specială în cadrul condensatoarelor, deoarece funcţionarea lor se bazează parţial pe procese electrochimice, ceea ce impune cunoaşterea modului de realizare al acestora. Fiind polarizate, borna pozitivă se va numi anod, iar cea negativă catod. Ca orice condensator, cuprinde două armături şi un dielectric, zone de contactare, terminale şi elementul de protecţie. Principala clasificare are în vedere tipul de electrolit utilizat, fiind: cu electrolit semiuscat (hârtie impregnată în electrolit), cu electrolit solid de tip MnO 2, cu electrolit solid de tip semiconductor organic. Realizarea condensatoarelor electrolitice cu aluminiu cu electrolit semiuscat, parcurge următoarele etape esenţiale. Armătura anod este o folie de Al de înaltă puritate care este asperizată prin corodare electrochimică, rezultând o suprafaţă efectivă a foliei de aproximativ de ori mai mare faţă de suprafaţa geometrică. După asperizare, folia anodică este oxidată pe toată suprafaţa laterală printr-un proces de electroliză. Stratul de oxid (Al 2 O 3 ) format, reprezintă dielectricul condensatorului, având grosimea în funcţie de tensiunea nominală, de aproximativ 1,2nm/V. Armătura catod este un electrolit lichid cu o bună conducţie electrică şi termică, cum ar fi acidul boric în amestec cu hidroxid de amoniu şi glicoletilenă. Se utilizează electrolitul lichid pentru a face un contact,,intim" cu oxidul de aluminiu vaporizat (electrolitul se,,aşterne" perfect pe suprafaţa poroasă a foliei anodice asperizate şi oxidate) astfel încât cele două armături ale condensatorului să aibă aceeaşi suprafaţă efectivă. Pentru,,susţinerea'' electrolitului se utilizează hârtie de condensator, fără impurităţi. Acest tip de condensatoare electrolitice fiind numite şi condensatoare cu electrolit semiuscat. 1 - folie anodică de aluminiu; 2 - dielectric de Al 2 O 3 ; 3 - hârtie impregnată în electrolit; 4 - folie catodică de aluminiu. 61

18 Condensatoare. Fig Structura de bază a unui condensator electrolitic cu aluminiu cu electrolit semiuscat. Încă din faza de pregătire a foliilor anodice şi catodice se pregăteşte contactarea acestora la terminalul anod, respectiv catod, prin intermediul unor folii metalice intermediare de lăţime redusă, dar mult mai groase, sudate la foliile anodice, respectiv catodice (contactarea foliei anodice poate fi realizată şi direct la terminal prin sudură). La realizarea condensatoarelor electrolitice cu Al cu electrolit semiuscat se utilizează tehnologia bobinării. Se bobinează simultan: folie de hârtie, folie anodică asperizată şi oxidată, folie de hârtie neimpregnată în electrolit, folie catodică, folie de hârtie; (fig.3.32.). După realizarea bobinei condensator are loc impregnarea cu electrolit, rezultând în final o structură de principiu conform figurii După contactarea terminalelor şi protecţia condensatorului (de obicei în tuburi de Al etanşate cu cauciuc sau plastic, tubul de aluminiu fiind conectat la catod) are loc procesul de formare, când aste supus la o tensiune continuă de formare V f, de obicei mai mare decât tensiunea nominală V N (V f = 1,2...1,3V N ). În timpul formării, porii asperizaţi,,cresc '' direct proporţional cu tensiunea de formare, reducându-se în mod deosebit tangenta unghiului de pierderi. Structura constructivă a unui condensaror electrolitic cu aluminiu cu electrolit semiuscat este prezentată în figurile folie anodică de aluminiu; 2 - dielectric de Al 2 O 3 ; 3 - hârtie impregnată în electrolit; 4 - folie catodică de aluminiu. Figura Structura constructivă a unui condensator electrolitic cu aluminiu cu electrolit semiuscat, [32].

19 Componente şi circuite pasive Pentru a prelua contactul electric al armăturii catod, către terminalul catod, se utilizează o folie de Al de înaltă puritate neasperizată şi neoxidată, (având în vedere că Al se oxidează uşor, poate să apară doar o uşoară oxidare nedorită, a foliei catodice în timpul procesului tehnologic, datorită contactului cu aerul). În funcţie de curentul nominal al condensatorului (sau curentul ondulatoriu) folia anodică are grosimi de µm, folia de hârtie µm, iar folia de Al catodică este în general de 10µm. Necesitatea polarizării în c.c. a unui condensator electrolitic cu aluminiu (aspect valabil pentru orice tip de condensator electrolitic în variantă polarizată) rezultă din însăşi soluţia constructivă precizată anterior, şi anume formarea unei joncţiuni de tip metal-oxid metalic (izolator), cu caracteristica curent-tensiune conform figurii 3.33, în care s-au utilizat notaţiile: - U N, tensiunea nominală în c.c.; - U f, tensiunea de formare; - U d, tensiunea de deschidere (de intrare în conducţie) a joncţiunii metal-oxid; - U ac, tensiunea în c.c. între anod şi catod; - I f, curentul de fugă (curentul continuu prin condensator). 63

20 Condensatoare. T 1 >T 2 U f Figura Caracteristica curent-tensiune a joncţiunii metal-oxid metalic (Al-Al 2 O 3 ). Deci aplicând la bornele condensatorului o tensiune continuă U ac > 0 şi cel mult egală cu tensiunea nominală (U ac U N ), joncţiunea metal - oxid este polarizată invers, prin condensator trece un curent continuu de valoare relativ mică, (creşte aproximativ liniar cu U ac ) numit curent de fugă, şi condensatorul îşi realizează funcţia capacitivă relativ corespunzător. Dacă se depăşeşte tensiunea nominală, iar în anumite condiţii tensiunea de vârf (Uv), curentul prin condensator I f creşte practic parabolic cu tensiunea, ducând la distrugerea termică a condensatorului, (la condensatoarele electrolitice cu electrolit semiuscat poate să apară şi fenomenul de explozie, datorită emanărilor de gaze). La aplicarea unei tensiuni U ac negative (U ac < 0) până la tensiunea de deschidere a joncţiunii metal - oxid U d, curentul I f prin condensator este relativ mic, şi condensatorul poate funcţiona încă normal. Dacă U ac depăşeşte tensiunea de deschidere a joncţiunii U d (în sens negativ) joncţiunea metal - oxid intră în conducţie curentul creşte puternic prin condensator cea ce conduce la distrugerea acestuia. De aceea la polarizarea inversă a condensatorului electrolitic polarizat, tensiunea negativă U ac nu trebuie să depăşească valoarea de vârf de 2-3V. Pentru siguranţă se acceptă de obicei în practică valori de 1,12V valori de vârf şi 0,8 valori efective (valoarea U d este specificată de producător în catalog). Condensatoarele electrolitice cu aluminiu cu electrolit semiuscat se realizează în general în varianta inductivă, fiind folosite în general la frecvenţe joase. Anumite firme realizează însă aceste condensatoare şi în varianta antiinductivă, cu inductanţă redusă prin decalarea foliilor anodică şi catodică şi scurtcircuitarea bobinei condensator la capete. 64

21 Componente şi circuite pasive Varianta nepolarizată are structura de bază din figura folie de aluminiu, asperizată şi oxidată; 2 - peliculă de Al 2 O 3 (dielectric); 3 - hârtie impregnată în electrolit lichid. Fig Structura unui condensator nepolarizat electrolitic cu Al cu electrolit semiuscat. Tehnologia de realizare a condensatorului nepolarizat electrolitic cu Al este foarte asemănătoare cu cea a celui polarizat. Diferenţa constă în faptul că şi folia catodică de Al este asperizată şi oxidată. Rezultă de fapt două condensaroare polarizate conectate în serie. Această variantă constructivă este relativ puţin utilizată, deoarece scade capacitatea specifică. Pentru aceeaşi capacitate, condensatorul nepolarizat are un volum dublu faţă de cel polarizat. O altă variantă constructivă pentru condensatoarele electrolitice cu Al este cea cu electrolit solid (MnO 2 ), prezentată în figura La această variantă constructivă rolul electrolitului lichid este preluat de MnO 2, numit şi electrolit solid. Diferenţa constructivă esenţială constă deci în depunerea unui strat de MnO 2 prin piroliză pe toată suprafaţa laterală a foliei anodice de Al asperizată şi oxidată. Se realizează tot prin bobinare. 1 - folie anodică de Al, asperizată şi oxidată; 2 - peliculă de Al 2 O 3 (dielectric); 3 - strat de MnO 2 (electrolit solid); 4 - fibră de sticlă; 5 - folie catodică de Al, neasperizată şi neoxidată. Fig Structura unui condensator electrolitic cu Al cu electrolit solid (bobinat), [32]. 65

22 Condensatoare. 1 - portanod (armătură anod); 2 - peliculă de Al 2 O 3 (dielectric); 3 - MnO 2 (electrolit); 4 - grafit; 5 - argint; 6 - răşină epoxidică; 7 - terminal anod; 8 - terminal catod. Fig Structura constructivă a condensaroarelor electrolitice cu Al cu electrolit solid tip picătură. Condensatoarele electrolitice cu Al cu electrolit solid se realizează şi în varianta constructivă ca cea din figura Armătura anod este o plăcuţă metalică de Al. După asperizare se oxidează pe toată faţa laterală şi apoi prin piroliză se depune un strat de MnO 2 (electrolit), care reprezintă armătura catod. Pentru preluarea contactului foliei catodice, se depune un strat de grafit şi apoi un strat de Ag. Terminalul catod se lipeşte la stratul de Ag. Protecţia se realizează cu răşină epoxidică. Cercetările în domeniul condesatoarelor electrolitice au avut permanent în vedere realizarea unui "electrolit'' cu conducţie electrică cât mai bună, pentru a se reduce rezistenţa electrică a acestuia, care-şi aduce o contribuţie esenţială la pierderile totale de putere ale condensatorului. În acest sens poate fi specificat condensatorul electrolitic cu aluminiu cu electrolit solid de tip semiconductor organic (OSCON) realizat de firma SANYO [43]. Structura constructivă a acestui condensator este prezentată în figura La această variantă constructivă, electrolitul lichid clasic a fost înlocuit cu unul organic de tip semiconductor. Marele avantaj al acestui electrolit îl reprezintă conductibilitatea electrică mult mai bună. 66

23 Componente şi circuite pasive Fig Structura constructivă a condensatorului electrolitic cu Al cu electrolit organic semiconductor, [43]. Comparativ, în tabelul 3.16 se prezintă conductivitatea electrică σ a celot trei tipuri de electrolit utilizate la realizarea condensatoarelor electrolitice cu aluminiu. Tabel Conductivitatea electrică a celor trei tipuri de electrolit.. Tip condensator electrolitic Tip electrolit σ (ms / cm) cu electrolit semiuscat soluţie electrolitică 3 cu electrolit solid dioxid de mangan semiconductor organic Rezultă, conform tabelului 3.16, că în acest caz pierderile prin conducţie în armătura catod se reduc cu două ordine de mărime, respectiv cu un ordin de mărime, faţă de electrolitul lichid, respectiv electrolitul solid de tip MnO 2. Rezultă deci o mare varietate de condensatoare electrolitice având în acelaşi timp şi o mare diversitate a parametrilor specifici. Din punct de vedere al electrolitului pot fi clasificate în condensatoare electrolitice cu Al cu electrolit semiuscat sau cu electrolit solid. Cele de tip semiuscat pot fi realizate în varianta inductivă sau antiinductivă. Cele cu dielectric solid pot fi bobinate sau tip picătură (fig.3.36.). Din punct de vedere al tensiunii pot fi de joasă tensiune (U N < 100V) şi înaltă tensiune (U N > 100V). Se împart de asemenea în două clase de fiabilitate : de uz general, numite şi de tip II sau GP (general-purpose aplications) sau de înaltă fiabilitate, numite şi de tip I sau LL (long life). Condensatoarele electrolitice cu Al cu electrolit semiuscat au capacitatea nominală de la 0,33µF la (470000)µF, cu toleranţa de la ±20% la (-10% +100%); tensiunea nominală de la 4V la 500V; curentul ondulatoriu de la câţiva ma la 20A; curentul de fugă I f de la câţiva µa la 300µA; tangenta unghiului de pierderi la 67

24 Condensatoare. 100Hz de la 0,1 la 0,5; constanta de izolaţie τ iz > 1000s; categoria climatică 20/70/21, 40/85/21. Condensatoarele electrolitice cu Al cu electrolit solid de tip MnO 2 au capacităţi nominale mai mici, de la 0,1µF la 330µF; tensiuni nominale mai mici de la 6,3V la 40V, toleranţa capacităţii de ±10%, ±20%; curentul ondulatoriu de la 10mA la 300mA; curentul de fugă I f de la 2µA la 200µA; tgδ = 0,1...0,2 ; categoria climatică 55/125/56. În România se realizează condensatoare electrolitice cu Al cu electrolit semiuscat, având codul general EGXXXX. Terminalele pot fi axiale sau radiale pentru plantare pe cablaj imprimat sau terminal cu şurub şi piuliţă. Sunt protejate în tub de aluminiu sau în capsulă de material plastic. Capacitatea nominală ia valori de la 1,5µF la 10000µF, cu toleranţa de la (-10% +50%), (-10% +100%); tensiunea nominală de la 3V la 450V; tgδ = 0,1...0,4 la 100Hz, curentul ondulatoriu de la 10mA la 3A; curentul de fugă este proporţional cu produsul C N U N; categoria climatică 10/70/04. Condensatoarele electrolitice nepolarizate cu Al, având codurile EN7512 şi EN7522, sunt utilizate în circuitele de pornire a motoarelor electrice. Au capacitatea nominală de 80µF şi 200µF, cu toleranţa de -20%...+50%. Tensiunea nominală de 125Vc.a., respectiv 220Vc.a., tgδ < 0,15. Se utilizează în gama de temperatură [ ] C. Condensatoarele electrolitice cu Al au o capacitate mare la un volum relativ redus al condensatorului. Prezintă însă abateri mari ale capacităţii, pierderi mari de putere, capacitatea şi tgδ fiind instabile cu frecvenţa şi temreratura Condensatoare electrolitice cu tantal Structura constructivă a unui condensator electrolitic cu tantal tip,,picătură'' este prezentată în figura Structura constructivă a condensatoarelor electrolitice cu Ta tip picătură este foarte asemănătoare cu cea a condensatoarelor electrolitice cu Al cu dielectric solid (fig.3.36). Anodul (armătura anod ) se obţine prin sinterizarea unui praf de Ta, sub formă cilindrică, rezultând o suprafaţă efectivă a cilindrului mult mai mare decât suprafaţa geometrică. Anodul se oxidează electrochimic şi apoi se depune prin piroliză un strat de MnO 2 (electrolitul). Pentru conectarea terminalului catod la armătura catodică (MnO 2 ) se depune un strat de grafit şi apoi un strat de argint. Terminalul catod se lipeşte la stratul de Ag. Protecţia se realizează cu răşină epoxidică. Se realizează şi varianta construstivă cu terminale axiale şi protecţia în tub metalic. Această variantă diferă relativ puţin faţă de cea anterioară. Pentru protecţia 68

25 Componente şi circuite pasive condensatorului se utilizează tuburi de cupru la care se conectează terminalul catod. Se etanşează cu sticlă, prin care trece terminalul anod. 1 - anod sinterizat (armătura anod); 2 - Ta 2 O5 (dielectric); 3 - MnO 2 (electrolit); 4 - grafit; 5 - argint; 6 - răşină epoxidică; 7 - terminal anod; 8 - terminal catod. Fig Structura constructivă a condensatorului electrolitic cu Ta tip picătură. Condensatoarele electrolitice nepolarizate cu Ta se obţin practic prin conectarea în serie şi cu polarităţile inverse a două condensatoare polarizate în aceeaşi capsulă metalică. Condensatoarele electrolitice cu Ta au capacitatea nominală de la 10nF la 1000µF, cu toleranţa de ±5%, ±10%, ±20%. Tensiunea nominală este de la 1,6 V la 75V, curentul ondulatoriu de la ma la sute de ma, tgδ = 4...8%; I f = 0, µA, categoria climatică 55/85/56 sau 55/125/56. Cele româneşti au codurile : CTS-P10xx (tip picătură cu terminale radiale); CTS- M20xx şi CTS-T30xx (cu terminale axiale şi protejate în tub metalic). Capacitatea nominală este de la 0,1µF la 680µF; cu toleranţa de ±10%, ±20% ±30%. Tensiunea nominală de la 3V la 63V, tgδ = 0,08...0,1, categoria climatică 55/85/21. Cele nepolatizate sunt codificate CTS-Nx, având capacitatea nominală de la 4,7µF la 150µF, cu toleranţa de ±20%, U N = 10V, tgδ < 0,1; I f < 0,04C N U N [µfv], categoria climatică 55/85/21. Dielectricul condensatoarelor electrolitice, Al 2 O 3 sau Ta 2 O 5, are parametrii caracteristici foarte buni, făcând parte din categoria materialelor dielectrice foarte bune 69

26 Condensatoare. utilizate la realizarea condensatoarelor, (α ε = / C, tgδ ε = , E str > 500MV/m, ε r fiind 10 pentru Al 2 O 3 şi 27 pentru Ta 2 O 5 ). Cu toate acestea parametrii condensatoarelor electrolitice sunt relativ mult mai reduse faţă de celelalte tipuri de condensatoare. Acest aspect se datorează influenţei puternice a celorlalte materiale utilizate la realizarea lor, conform structurii constructive prezentate. Din acest punct de vedere condensatoarele electrolitice diferă mult faţă de celelalte, la care principalii parametrii ai condensatorului depind puternic de tipul de dielectric utilizat. Pentru a obţine condensatoare electrolitice de calitate mai bună, producătorii au avut în vedere reducerea pierderilor de putere, a curentului de fugă, a inductanţei parazite; creşterea curentului ondulatoriu, a puterii maxime, a capacităţii specifice. Capacitatea specifică a fost crescută prin creşterea raportului dintre suprafaţa efectivă şi cea geometrică, ajungându-se la 300. Reducerea pierderilor şi a curentului de fugă, precum şi creşterea curentului ondulatoriu a fost obţinută prin utilizarea unor materiale de înaltă puritate (Al, Ta). La condensatoarele electrolitice cu Al cu electrolit semiuscat pierderile depind puternic de tipul electrolitului. Electrolitul pe bază de glicol are o rezistivitate electrică mare şi o variaţie mare a acesteia cu temperatura. Anumite firme utilizează electrolit modern de înaltă calitate, cum ar fi cel pe bază de dimetil acetamid, care are rezistivitatea mică şi stabilitate cu frecvenţa. Condensatoarele electrolitice sunt utilizate în general la frecvenţe joase. Condensatoarele electrolitice bobinate cu Al realizate în varianta inductivă au o inductanţă parazită mare, (proporţională în general cu capacitatea ) ce poate lua valori de la 10nH la peste 100nH. Sunt indicate a fi utilizate sub frecvenţa de 1KHz. Cele realizate în variantă inductivă au o inductanţă parazită mică 3nH...15nH, dar având pierderi mari se utilizează cel mult în domeniul AF (cele mai indicate sunt cele cu electrolit solid). Condensatoarele electrolitice cu Ta şi cele cu Al tip picătură cu electrolit solid prezintă inductanţă parazită mică (5nH datorată în special terminalelor) şi pierderi mai mici putând fi utilizate până la MHz. Cele de tip SMD cu Ta sunt cele mai indicate la înaltă frecvenţă. Trebuie făcută observaţia că dacă depozitarea condensatoarelor cu Al cu electrolit semiuscat depăşeşte un anumit timp (dependent de firmă), ele trebuie supuse din nou procesului de formare la tensiunea nominală, timp de o oră. Întrucât depozitarea se realizează fără tensiune la borne, stratul de oxid este atacat treptat de electrolit, lipsind curenţii de fugă prin condensator care să transmită ionii de oxigen spre anod. După depozitarea îndelungată condensatorul prezintă curenţi mari de fugă (de ori mai mari), iar utilizarea lui fără a fi reformat poate conduce la încălzirea lui şi la distrugere. Dacă tensiunea variabilă la care este utilizat în circuit este mică, el se poate forma şi în circuit datorită tensiunii continue la care este utilizat (variantă nerecomandată însă). 70

27 Componente şi circuite pasive Pentru o comparaţie globală între condensatoarele electrolitice cu Al şi Ta, precum şi între cele cu electrolit semiuscat şi solid de tip MnO 2, în figurile se prezintă dependenţele tipice ale unor parametrii în funcţie de temperatură şi frecvenţă. Fig Dependenţa capacităţii de frecvenţa. (C 0 este capacitatea la f =10Hz, θ = 25 C.) [31] Fig Dependenţa rezistenţei serie echivalente pierderilor de frecvenţă. (ESR O este rezistenţa serie echivalentă pierderilor la 100Hz şi θ = 25 C) [31]. 71

28 Condensatoare. Fig Dependenţa de temperatură a capacităţii C. (C 0 este capacitatea la θ = 25 C şi f = 100Hz ) [31]. Fig Dependenţa rezistenţei serie echivalentă pierderilor de temperatură. (ESR O este rezistenţa serie echivalentă pierderilor la θ = 25 C şi f = 100Hz). 72