L.2 PARAMETRII ONDENATOARELOR. DEPENDENŢA PARAMETRILOR DE FREVENŢĂ 1. copul lucrării - cunoaşterea parametrilor conensatoarelor şi a epenenţei acestora e construcţie şi frecvenţă; - însuşirea moului e eterminare a parametrilor schemei echivalente; - omenii e utilizare a conensatoarelor în funcţie e construcţie (ceramice, cu ielectric plastic şi electrolitice). 2. onsieraţii teoretice onensatoare sunt elemente e circuit cu o largă răspânire în circuitele electronice. onensatoare se caracterizează prin îmagazinarea energiei electrice prin acumularea e sarcină electrică sub o anumită tensiune, în câmp electric constant, iar în regim variabil se caracterizează printr-o reactanţă capacitivă. Noţiunea e capacitate se poate interpreta ca proprietatea sistemului armăturiielectric e a acumula energie electrică W e : W e = U 2 2 (1) Această proprietate a conensatorului este folosită în circuitele e: filtrare a tensiunii reresate, filtre trece-jos şi e temporizare. În regim variabil, între tensiunea u c e la bornele conensatorului şi curentul i care străbate conensatorul există relaţia: u = 1 (2) i t c Această proprietate a conensatorului este folosită în circuite e: cuplaj între etaje, circuite e efazare, filtre trece-sus. apacitatea a unui conensator plan este ată e relaţia: ε ε 0 ε r = = (3) une: ε =ε 0 ε r - permitivitatea electrică absolută; ε 0 =permitivitatea electrică a viului; ε r = permitivitatea relativă a ielectricului; = suprafaţa armăturilor conensatorului; = istanţa intre armături. Varianta e conensator plan se întâlneşte în construcţia conensatoarelor cu capacităţi e valori mici, avân ca ielectric: aer, materiale ceramice, mică, sticlă, etc. Aceste conensatoare au inuctivitate parazită mică, fiin estinaţi circuitelor e raiofrecvenţă şi ecuplării circuitelor cu tranzistoare.
2 Tehnici şi aparate e măsură în telecomunicaţii Prof. r. Ioan D. Oltean Tabelul 1 Forme constructive e conensatoare Varianta Formă constructivă PLAN aracteristici Relaţii e calcul - n e valori mici - Dielectrici: ceramici, sticlă; - Utilizări: la frecvenţe mari (neinuctivi) ε 0 ε = r l Iem con. plan ILINDRI D i D e = 2πε 0ε rl De ln D i BOBINAT 2 Inuctiv Metalizare Neinuctiv n e valori meii şi mari Dielectrici: folii plastic, hârtie; Utilizări la frecvenţe meii şi joase (inuctivi) = 2 π ε0εr MULTITRAT n e valori meii = n i Dielectrici: ceramici, sticlă; Utilizări la circuite e cuplare şi e ecuplare la frecvenţe meii şi mari (neinuctivi) Varianta multistrat constă in mai multe conensatoare tip plan (n conensatoare plane) conectate în paralel. e pot obţine, în acest fel, valori mai mari ale capacităţii, la caracteristici apropiate e cele ale conensatoarelor plane. Varianta e conensator cilinric se întâlneşte la construcţia conensatoarelor cu ielectrici materiale ceramice.
TMME - Lucrarea 2 PARAMETRII ONDENATOARELOR. DEPENDENŢA PARAMETRILOR DE FREVENŢĂ 3 Varianta e conensator bobinat se întâlneşte la construcţia conensatoarelor cu ielectrici flexibili (folii plastic, hârtie) care se pot rula prin înfăşurarea oată cu armăturile. onensatoarele electrolitice sunt conensatoarele cu cea mai mare valoare a capacităţii care se întâlneşte în practică (mii, zeci e mii e µf). Acestea sunt conensatoare polarizate cu ielectric format in pelicule e oxizi care se epun pe o armătură metalică. Metalul constituie una intre armături, iar cealaltă armătură în contact cu ielectricul este un electrolit, e une provine şi enumirea acestor conensatoare. ei mai utilizaţi ielectrici sunt: oxiul e aluminiu (Al 2 O 3 ) şi e tantal (Ta 2 O 5 ), care se caracterizează prin proprietăţi ielectrice bune. 2.1. Parametri conensatoarelor aracteristicile conensatoarelor epin în cea mai mare măsură e cele ale materialului ielectric folosit. Parametrii principali ai conensatoarelor sunt: apacitatea nominală ( n ) corespune valorii pentru care a fost fabricat conensatorul, valoare care este marcată pe corpul conensatorului. Valoarea nominală se etermină în coniţii specificate: tensiune şi frecvenţa tensiunii alternative aplicate, temperatura e 20 0, etc. Valorile capacităţii nominale ale conensatoarelor sunt valori normate, situate în serii e valori, la fel ca la rezistoare. Toleranţa capacităţii nominale (%) inică abaterile maxim amisibile ale valorii reale a capacităţii e la valoarea nominală. La valorile nominale n <1µF corespun seriile e valori nominale E6, E12, E24, E48, E96, avân toleranţele: ±20%, ±10%, ±5%, ±2,5%, ±1%. Măsurarea conensatoarelor se poate face cu punţi e c.a. cu echilibrare manuală sau automată sau cu impeanţmetre vectoriale (RL- metrele). Tensiunea nominală (V n ) reprezintă valoarea maximă a tensiunii continue sau alternative (valoare efectivă) maxime la care conensatorul nu se străpunge la o funcţionare înelungată. Dielectricul, prin rigiitatea ielectrică E str a materialului şi prin grosime, etermină valoarea maximă a tensiunii ce se poate aplica conensatorului. La epăşirea intensităţii câmpului electric E str apare fenomenul e străpungere al ielectricului ( Estr = Ustr ) şi prin aceasta, în majoritatea cazurilor, conensatorul iese in funcţiune. Tangenta unghiului e piereri (tgδ) reprezintă raportul intre puterea activă şi puterea reactivă a conensatorului eterminată şi măsurată în coniţii specificate (e tensiune, e frecvenţă a tensiunii alternative aplicate la borne şi e temperatură, etc.). La funcţionarea cu tensiune sinusoială cu pulsaţia ω, tangenta unghiului e piereri pentru schema echivalentă paralel tgδ p sau pentru schema echivalentă serie tgδ s se etermină cu una intre relaţii: 1 tgδ p = ; tgδ s = R s ω (4) ω R p Unghiul δ reprezintă complementul (abaterea) unghiului e efazaj intre tensiunea şi curentul in circuitul unui conensator real. Valorile uzuale ale unghiului δ se situează între câteva minute până la câteva grae. La conensatoarele cu n >0,1µF se inică uneori constanta e timp T s în locul tgδ sau R p : T = R [s]. (5) s p n
4 Tehnici şi aparate e măsură în telecomunicaţii Prof. r. Ioan D. Oltean Această mărime este corelată cu timpul e încărcare sau e escărcare al conensatorului. 2.2. omportarea conensatorului real în frecvenţă onensatorul real se caracterizează, pe lângă capacitatea electrică şi prin elemente parazite R, L ale căror valori epin e varianta constructivă a conensatorului tabelul 1 şi e tehnologia e fabricaţie. chema echivalentă paralel a conensatorului real (fig.2.2.a) conţine: capacitatea p =ε r 0 ( 0 capacitatea fără ielectric între armături) în paralel cu rezistenţele e piereri: R p a materialului ielectric (R p =1 ω tg δ ε ). Această schemă poate fi transformată, prin conectarea elementelor, într-o schemă echivalentă serie (fig.2.2.b). R P I U P ϕ c δ c jω p U U a) U/ R P c) I R IR I U ϕ c I / jω s b) δ c ) Fig. 2.2 chema echivalentă a conensatorului real a) chema echivalentă paralel b) schema serie c), ) Diagrame e fazori La alegerea conensatoarelor pentru circuite electronice trebuie să se ţină seama e omeniul e frecvenţă în care acestea se pot utiliza (fig. 2.3). Polistiren Tip conensator eramici Poliester Hârtie Electrolitici 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 f[hz] Fig. 2.3 Domeniul e frecvenţă pentru iferite tipuri conensatoare
TMME - Lucrarea 2 PARAMETRII ONDENATOARELOR. DEPENDENŢA PARAMETRILOR DE FREVENŢĂ 5 3. Probleme e stuiat 3.1. e măsoară parametrii schemei echivalente la un număr e conensatoare (ceramice, cu poliester metalizat, cu polistiren) la iferite frecvenţe şi se etermină toleranţa iniviuală t [%]; 3.2. e etermină epenenţa tgδ e frecvenţă [ tgδ (f) ]; 3.3. e măsoară capacitatea unor conensatoare electrolitice şi se etermină constanta e timp; 3.4. e etermină puterea isipată care rezultă la utilizarea lor la tensiunea nominală şi la frecvenţa maximă e funcţionare a seriei in care conensatorul face parte. 4. Desfăşurarea lucrării 4.1. e va conecta pe rân câte un conensator la bornele la bornele RL metrului (impeanţmetru e laborator WK-4265 -Wayne Kerr) (fig. 2.4). Aparatul va inica schema echivalentă parametrii corespunzătore schemei echivalente serie sau paralel ( şi R sau şi tgδ). RL -metru x Fig. 2.4. chema e măsurare a conensatoarelor cu cu RL - metru RL -metru permite măsurarea capacităţii la frecvenţe cuprinse între 100 Hz şi 100 khz. Prin moificarea în trepte a frecvenţei e măsură se pot obţine parametrii schemei echivalente la patru frecvenţe iferite: f=100 Hz, 1 khz, 10 khz, 100 khz. Datele conensatoarelor (tip conensator, valoarea nominală n [nf, pf], toleranţa t[%]) alături e atele eterminărilor experimentale se trec în tabelul 2. Tabelul 2 Nr. Tip conensator (o) n [nf]±t[%] i [nf] R s [Ω] sau R p [kω] t m [%] f [Hz] tgδ P [W] Observaţii [limite, toleranţe] - e calculează toleranţa corespunzătoare conensatorului măsurat t: t m = n n 100 [%] (6) une: - valoarea capacităţii măsurate; n capacitatea nominală (valoarea marcată).
6 Tehnici şi aparate e măsură în telecomunicaţii Prof. r. Ioan D. Oltean De obicei, toleranţa unei măsurări iniviuale este mai mică ecât toleranţa t a seriei in care face parte conensatorul. Îneplinirea acestei coniţii se va consemna la rubrica Observaţii. - e calculează puterea isipată în ielectricul conensatorului la frecvenţa la care se măsoară tgδ cu ajutorul relaţiei: P = 2 n 2 π f U tgδ (7) une: U n tensiunea nominală a conensatorului; f frecvenţa e măsurare. 4.2. e măsoară parametrii schemei echivalente pentru un număr e conensatoare electrolitice (minim 5). Datele măsurărilor şi cele calculate se trec în tabelul 3. Tabelul 3 Nr. Date nominale [ n,, t%, U n ] i [µf] Parametrii schemei. echivalente. p [µf] R p [Ω] (tgδ) f [Hz] T s [s] Observaţii e calculează constanta e timp T s folosin relaţia (5). 5. Întrebări 1. um se pot etermină parametrii schemei echivalente serie în funcţie e cei ai schemei echivalente paralel şi care sunt relaţiile e calcul în funcţie e tgδ? 2. are este valoarea permitivităţii relative ε r a ielectricului ceramic folosit la realizarea unui conensator isc (plan) cu iametrul D=15 mm şi grosimea g=0,5 mm, acă =200 pf? 3. um epine puterea isipată într-un conensator e construcţia acestuia? 4. um s-a obţinut relaţia e calcul a puterii isipate în ielectricul conensatorului (relaţia (7))? 6. onţinutul referatului 1. copul lucrării; 2. Parametrii conensatoarelor şi mo e eterminare; caracteristicile aparaturii folosite. 3. ompletarea tabelelor 2 şi 3 şi inicarea moului e calcul (exemple e calcul). 4. Prezentarea concluziilor esprinse in eterminărilor experimentale (caracteristicile e frecvenţă, omenii e utilizare ale conensatoarelor). 5. Răspunsuri la întrebări.