5. CONDENSATOARE Condensatorul electric este definit [7] ca un sistem format din două suprafeńe conductoare (armături) încărcate cu sarcini electrice egale în valori absolute şi de semne contrare, între care se află un dielectric. Dacă la bornele unui condensator se aplică o tensiune electrică constantă, printr-o rezistenńă de limitare, prin circuitul va trece un curent care descreşte exponenńial. La aplicarea unei tensiuni variabile în timp (de exemplu: sinusoidală) la bornele condensatorului, în circuit se stabileşte un curent de deplasare a cărui valoare depinde de capacitate (direct proporńional). Condensatoarele se caracterizează prin înmagazinarea energiei electrice, prin acumularea de sarcină electrică la o anumită diferenńă de potenńial în câmp electric constant, iar în regim variabil se caracterizează printr-o reactanńă capacitivă. 5.1. GeneralităŃi. Clasificarea condensatoarelor În decursul timpului s-au încercat diverse variante de construcńie a condensatoarelor, folosind o varietate mare de materiale dielectrice şi de forme ale armăturilor. Acesta, deoarece nu există un dielectric perfect care să poată fi utilizat în mod universal în orice condińii de lucru: frecvenńă, tensiune, temperatură, fiabilitate, gabarit, etc. Raportul dintre valoarea sarcinii electrice Q a unei armături şi diferenńa de potenńial dintre armături U=V 1 -V 2 reprezintă capacitatea electrică a condensatorului. Simbolurile folosite pentru condensatoare sunt prezentate în figura 5.1, pentru condensatoare fixe: a) nepolarizate, b), c) polarizate, condensatoare reglabile: d) variabile, e), f) semireglabile. Expresia capacităńii electrice a condensatorului este: C = Q (5.1) U NoŃiunea de capacitate se poate interpreta ca proprietatea sistemului armături-dielectric de a acumula energie electrică W e : W C U 2 e = (5.2) 2 În regim variabil, între tensiunea u c de la bornele condensatorului şi curentul i care străbate condensatorul există relańia:
122 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE u c = 1 C i dt (5.3) Capacitatea C a unui condensator plan este dată de relańia: ε S r S C= ε 0 ε = d d (5.4) unde: ε =ε 0 ε r - permitivitatea electrică absolută; ε 0 =permitivitatea electrică a vidului; ε r = permitivitatea relativă a dielectricului; S = suprafańa armăturilor condensatorului; d = distanńa dintre armături. a) b) c) d) e) f) Fig.5.1. Simbolizarea condensatoarelor Unitatea de măsură a capacităńii electrice este faradul [F]. Un condensator electric are capacitatea de un farad [1F], dacă la o diferenńă de potenńial de 1V între armături, se încarcă cu o sarcină electrică de 1C. Deoarece, faradul este o unitate de măsură prea mare pentru construcńiile practice de condensatoare, se utilizează submultiplii acestuia: 1µF=10-6 F; 1nF=10-9 F; 1pF=10-12 F. Clasificarea condensatoarelor se poate face după următoarele criterii: După modul de construcńie se întâlnesc condensatoare fixe la care valoarea este stabilită în procesul de fabricańie, reglabile şi variabile la care valoarea se poate modifica în procesul utilizării între anumite limite; După natura dielectricului: gaz, lichid, solid (organic, anorganic); După tipul de dielectric: aer, hârtie, folie plastic, ceramic, mică, sticlă, oxid metalic, etc. După valoarea tensiunii nominale: de joasă tensiune (U<500V), de înaltă tensiune (U>500V). În funcńie de modul de realizare practică se întâlnesc mai multe variante constructive de condensatoare, dintre care cele mai utilizate sunt (tabelul 5.1) următoarele: Varianta de condensator plan se întâlneşte în construcńia condensatoarelor cu capacităńi de valori mici şi medii, având ca dielectric: aer, materiale ceramice, mică, sticlă, etc. Aceste condensatoare au inductivitate parazită mică, fiind destinańi circuitelor de radiofrecvenńă şi decuplării etajelor cu tranzistoare.
CONDENSATOARE 123 Varianta multistrat, care constă din mai multe condensatoare tip plan (n condensatoare plane) conectate în paralel. Se pot obńine, în acest fel, valori mai mari ale capacităńii, la caracteristici apropiate de cele ale condensatoarelor plane. Varianta de condensator cilindric se întâlneşte la construcńia condensatoarelor cu dielectrici materiale ceramice şi oxizi metalici (condensatoarele electrolitice). Varianta de condensator bobinat se întâlneşte la construcńia condensatoarelor cu dielectrici, care se pot compacta prin roluire, aşa cum sunt foliile din hârtie şi din materiale plastice. Datorită modului de realizare (prin bobinare) aceste condensatoare prezintă inductivităńi parazite, ceea ce face ca domeniul de frecvenńă în care se pot utiliza să fie limitat. Micşorarea inductivităńilor parazite, determinate de înfăşurarea armăturilor, se obńine în unele cazuri prin decalarea laterală a armăturilor şi scurcircuitarea prin metalizare a capetelor acestora (varianta neinductivă). Tabelul 5.1. Forme constructive de condensatoare Varianta Formă constructivă RelaŃii de calcul S d PLAN d S C ε 0 ε S = r d CILINDRIC l D i D e C = 2πε 0ε rl De ln D i S Metalizare BOBINAT 2d Inductiv Neinductiv C = 0 2 π ε ε r S d
124 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE MULTISTRAT S ε rs C n 0 ε = d O construcńie compactă a condensatoarelor (tabelul 5.1) se obńine prin: bobinarea armăturilor împreună cu dielectricul; conectarea în paralel a mai multor condensatoare plane (varianta multistrat); folosirea de materiale dielectrice caracterizate printr-o valoare mare a permitivităńii relative ε r (de exemplu: polimeri şi ceramice feroelectrice). 5.2. Caracteristicile condensatoarelor. Parametrii Caracteristicile condensatoarelor depind în cea mai mare măsură de cele ale materialului dielectric folosit. ObŃinerea unui condensator cu gabarit specific redus (raport gabarit / capacitate), care să poată funcńiona la o anumită valoare a tensiunii, implică folosirea de materiale dielectrice la care: permeabilitatea electrică relativă ε r, rezistivitatea de volum ρ v şi rigiditatea dielectrică E str trebuie să aibă valori cât mai mari posibil. ProprietăŃile electrice ale dielectricilor pentru condensatoare în varianta ideală şi reală se prezintă în tabelul 5.2. Tabelul 5.2 ProprietăŃile electrice ale dielectricilor de condensator ProprietăŃi ideal real ε r foarte mare ( ) 2 10 4 rezistivitatea ρ[ω m] foarte mare ( ) 10 10 10 18 E str [kv/cm] foarte mare ( ) 100 15.000 În afară de proprietăńile electrice ale dielectricilor acestea trebuie să aibă proprietăńi tehnologice, adică să se poată prelucra sub formă de benzi sau folii de grosimi cât mai reduse (de ordinul µm). Astfel, pentru construcńia condensatoarelor se folosesc următoarele categorii de materiale: - aer sau gaze; - ulei; - materiale solide (hârtie, folii din materiale plastice, ceramică) - oxizi metalici şi pelicule semiconductoare. La realizarea condensatoarelor fixe se utilizează de obicei, dielectricii solizi. Aceste condensatoare se pot împărńii în două grupe: - condensatoare având dielectrici sub formă de folii sau benzi subńiri (hârtie, folie plastic, mică, etc.) şi cu suprafańa mare a armăturilor; - condensatoare cu suprafańă mică a armăturilor, dar cu dielectrici cu permeabilitate foarte mare (condensatoarele ceramice şi electrolitice). Pentru condensatoare variabile şi semivariabile funcńia de dielectric o îndeplineşte aerul sau materiale solide: mica, ceramica, folii din materiale plastice. Cele mai bune caracteristici electrice se obńin la cele cu dielectric aer.
Parametrii principali ai condensatoarelor sunt: CONDENSATOARE 125 Capacitatea nominală (C n ) corespunde valorii pentru care a fost fabricat condensatorul, valoare care este marcată, de obicei, pe corpul condensatorului. Valoarea nominală se determină în condińii specificate: o anumită valoare a tensiunii şi frecvenńei tensiunii alternative aplicate la borne, temperatura de 20 0 C, etc. Valorile capacităńii nominale ale condensatoarelor sunt valori normate, situate în serii de valori, la fel ca la rezistoarele fixe. Pentru obńinerea unei capacităńi specifice cât mai mari (capacitate /volum) este necesar ca ε raportul r S să aibă valoare mare, respectiv permitivitatea dielectricului şi suprafańa d armăturilor să aibă valori ridicate, iar grosimea d a dielectricului cât mai mică. Marcarea valori nominale la condensatoare se face, ca şi la rezistoare, atât în clar, prin imprimarea valorii capacităńii nominale pe corpul condensatorului sau codificat (codul culorilor conform recomandărilor CEI-62 sau prin simboluri alfanumerice normalizate internańional sau specifice unui anumit producător). ToleranŃa capacităńii nominale (%) indică abaterile maxim admisibile ale valorii reale a capacităńii de la valoarea nominală. La valorile nominale C n <1µF corespund seriile de valori nominale E6, E12, E24, E48, E96, având toleranńele: ±20%, ±10%, ±5%, ±2,5%, ±1%. Pentru condensatoarele cu valori mai mari C n >1µF (condensatoare electrolitice), se folosesc, uzual, valorile nominale: 1; 2; 3; 4; 5; 8; 16; 25, 32; 50; 100µF etc. cu toleranńe între - 40% +100%.. Indicarea toleranńei se face în funcńie de modul de marcare al valorii nominale, respectiv în clar sau în cod. De exemplu: la condensatoarele ceramice marcate în codul culorilor (cu 5 benzi) toleranńa este codificată prin ultima bandă colorată, astfel: verde=5%; alb=10%; negru=20%. Tensiunea nominală (V n ) reprezintă valoarea maximă a tensiunii continue sau alternative (valoare efectivă) maxime la care condensatorul nu se străpunge la o funcńionare îndelungată. Dielectricul, prin natura sa, caracterizată prin rigiditatea dielectrică E str a materialului şi prin grosime, determină valoarea maximă a tensiunii ce se poate aplica la bornele condensatorului. La depăşirea intensităńii câmpului electric E str apare fenomenul de străpungere al dielectricului ( E str = U str d ) şi prin aceasta în majoritatea cazurilor condensatorul iese din funcńiune. Străpungerea gazelor este condińionată de fenomenul de ciocnire şi ionizare. Dacă energia cinetică a ionilor liberi din gaz, sub influenńa câmpului electric, creşte până la o anumită limită, aceştia pot prin ciocnire cu moleculele gazului alńi ioni. În acest fel conductivitatea gazului creşte foarte mult. Străpungerea gazului se produce brusc, dacă câmpul electric din condensator este uniform. Dacă câmpul electric este neuniform străpungerea este precedată de descărcări parńiale (efect corona). Rigiditatea dielectrică a gazului creşte odată cu creşterea presiunii gazului. Străpungerea dielectricilor solizi poate fi de trei tipuri: străpungere electrică, străpungere termică şi străpungere electrochimică. Străpungere electrică constă în aparińia unei avalanşe de electroni în corpul solid şi se caracterizează printr-un timp foarte scurt (10-7 10-8 s), procesul fiind independent de energia termică. Dielectricul se distruge inińial printr-un canal îngust. Străpungerea electrochimică apare în condińii de temperatură ridicată şi umiditate mărită.
126 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE Valorile tensiunii nominale la care se realizează condensatoarele fixe sunt valori tipizate. Astfel, pentru tipurile constructive de condensatoare se folosesc uzual în circuite electronice (de joasă tensiune), următoarele valori: 6, 12, 16, 25, 63, 70, 125, 250, 350, 450, 500, 650, 1000V. Se realizează însă pentru circuitele de înaltă tensiune şi condensatoare având tensiuni nominale de ordinul kv zeci kv. Valoarea tensiunii alternative U max este limitată de puterea activă maximă P max, putere determinată de pierderile în dielectricul condensatorului, pe care o poate disipa condensatorul. Valoarea puterii disipate maxime P max depinde de volumul condensatorului şi de temperatura ambiantă [20]. Tangenta unghiului de pierderi (tgδ) reprezintă raportul dintre puterea activă şi puterea reactivă a condensatorului determinată şi măsurată în condińii specificate (de tensiune, de frecvenńă a tensiunii alternative aplicate la borne şi de temperatură, etc.). La funcńionarea cu tensiune sinusoidală cu pulsańia ω, condensatorul având rezistenńa de pierderi R p (în dielectric şi în izolańie - schema echivalentă paralel) tangenta unghiului de pierderi tgδ p sau cu r (schema echivalentă serie) tgδ s se determină, în funcńie de schema echivalentă, cu una din relańiile: tgδ p 1 = ωc R p ; tgδ = r ωc (5.5) s Unghiul δ reprezintă complementul (abaterea) unghiului de defazaj dintre tensiunea şi curentul din circuitul unui condensator real. Un condensator real se apropie cu atât mai mult de un condensator ideal (tgδ=0), cu cât tangenta unghiului de pierderi tgδ are o valoare mai mică. Valorile uzuale ale unghiului δ se situează între câteva minute până la câteva grade. Inversul tangentei unghiului de pierderi tgδ poartă numele de factorul de calitate al condensatorului Q (Q=1/tgδ). Puterea disipată P în condensator în regim sinusoidal este: P= PR tgδ (5.6) unde, puterea reactivă P R = U I se calculează cu valorile efective ale tensiunii şi curentului. Tangenta unghiului de pierderi (tgδ) pentru condensatoare cu dielectric folie (plastic, hârtie) depinde de frecvenńa de lucru f conform relańiei: tgδ < tgδ 0 + K f (5.7) Valorile tipice pentru mărimile de calcul folosite în relańia (5.7), la condensatoarele de putere cu polipropilenă - cod MKP, styroflex - cod KS, poliester metalizat - cod MKT şi hârtie metalizată - cod MP sunt indicate în tabelul 5.3 (codificarea tipului de condensator este conform CEI). Tabelul 5.3 Valorile tipice pentru mărimile de calcul tgδ 0 şi K
CONDENSATOARE 127 Tip MKP şi KS MKT MP condensator tgδ 0 (0,2...0,8).10-3 10.10-3 13.10-3 K (10...30). 10-3 Modificarea proprietăńilor electrice ale dielectricului cu temperatura sau cu frecvenńa câmpului electric aplicat, determină şi modificări ale tgδ în funcńie de aceste mărimi. VariaŃia pierderilor cu temperatură tgδ =f(t), respectiv cu frecvenńa tgδ =f[f(hz)] se indică de către producători, de obicei sub formă grafică, pentru tipurile constructive de condensatoare [14], [22]. RezistenŃa de izolańie (R iz ) corespunde rezistenńei electrice dintre armături, valoare ce se obńine prin raportul dintre tensiunea continuă aplicată condensatorului şi curentul care îl parcurge, măsurat la un minut de la aplicarea tensiunii, la temperatura de 20 0 C. La condensatoarele cu C n >0,1µF se indică în locul rezistenńei de izolańie, constanta de timp T = R C (s). Această mărime este corelată cu timpul de încărcare sau de descărcare al unui s iz n condensator. Dacă se are în vedere legea de descărcare (încărcare) a unui circuit RC, după un interval de timp t 3 T s tensiunea la bornele sale este sub 5% din valoarea tensiunii de încărcare (descărcare). La condensatoarele cu dielectrici din oxizi metalici (condensatoare electrolitice) în locul rezistenńei de izolańie se indică curentul de fugă I f. Acesta reprezintă curentul de conducńie care trece prin condensator în regim permanent, când între terminale se aplică o tensiune continuă, curent măsurat după un timp specificat, din momentul aplicării tensiunii (1min. sau 5 min.). RezistenŃa de izolańie variază mult de la un condensator la altul, chiar pentru acelaşi tip de dielectric. La legarea în serie a condensatoarelor, acestea trebuie legate în paralel cu rezistenńe de egalizare, deoarece în caz contrar tensiunile de pe condensatoare s-ar repartiza proporńional cu rezistenńele de izolańie, ceea ce ar duce la străpungerea condensatorului cu rezistenńă de izolańie mai mare. Coeficientul de temperatură al capacităńii α T reprezintă variańia relativă a capacităńii la variańia corespunzătoare a temperaturii: C α T = [1/ 0 C] (5.8) C T n unde: C - reprezintă variańia capacităńii; T - reprezintă variańia temperaturii (din domeniul temperaturilor de utilizare). Un dielectric de condensator, se caracterizează pe lângă tensiunea de străpungere, prin dependenńa (stabilitatea) permitivitivităńii de temperatură. Această caracteristică se include în coeficientul de variańie a capacităńii de temperatură α c [% K -1 ]. (relańia 5.8). În unele cazuri, exprimarea coeficientului de temperatură α T se face în ppm/ 0 C (părńi per milion/ grd, 1ppm= 10-6 ). Pentru condensatoarele ceramice, marcate în codul culorilor, cu 4 sau 5 benzi, coeficientul de temperatură se codifică prin prima bandă (începând dinspre terminale), aşa cum se indică in tabelul 5.10.
128 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE Pentru funcńionare normală un condensator trebuie să se utilizeze în gama de temperaturi nominale indicată de producător, respectiv intervalul temperaturilor nominale. Acest interval, care depinde de natura dielectricului este de obicei asimetric (θ min θ max ): (-10 0 C; +70 0 C) pentru condensatoare cu hârtie cerată şi polistiren; (-40 0 C; +85 0 C) pentru condensatoare cu hârtie uleiată, cu mylar şi ceramice; (-25 0 C; +85 0 C) pentru condensatoare electrolitice cu aluminiu (Al 2 O 3 ); (-40 0 C; +100 0 C) pentru condensatoare cu policarbonat metalizat. (-40 0 C; +125 0 C) pentru condensatoare electrolitice cu aluminiu Al 2 O 3 şi cu tantal (Ta 2 O 5 ). La conectarea în paralel a două condensatoare C 1 şi C 2, având coeficienńii de temperatură α T1 şi α T2 coeficientul de temperatură al ansamblului α TP se determină cu relańia: α = C + α C T1 1 T 2 2 α TP (5.9) C1+ C2 iar pentru aceleaşi condensatoare legate în serie coeficientul de temperatură α TS : α C = + α C T1 2 T 2 1 α TS (5.10) C1+ C2 În tabelul 5.4 se indică principalele caracteristici electrice ale unor materiale dielectrice, frecvent utilizate în construcńia condensatoarelor fixe: permitivitivitatea relativă ε r., tangenta unghiului de pierderi tgδ, coeficientul de temperatură al permitivităńii α ε, rezistivitatea în curent continuu ρ dc, frecvenńa maximă de utilizare f max, rigiditatea dielectrică E str. şi temperatura maximă de funcńionare T max. S-au folosit următoarele abrevieri: PET-poliester (hostafan, mylar, melinex, polietilentereftalat), PC- policarbonat (macofol), PS- polistiren (styroflex), PP- polipropilenă, X7R şi X5U- codul dielectricilor ceramici care au la bază titanatul de bariu. ρ Tabelul 5.4 Caracteristici ale unor dielectrici pentru condensatoare Dielectrici ε r tgδ* α T f max E str T max [K -1 ]10 6 dc [Ωcm] [MHz] [MV/m] [ 0 C] Hârtie 6 0,01 +250 4 10 15 0,5 120 100 Mică 5-8 0,0001 +30 10 17 1000 500 200 Al 2 O 3 8,5 6 10 4 390 85 Ta 2 O 5 27,3 0,1-0,05* 2 10 6 1500 200 PET 3,2 0,004 +125 4 10 17 2 160 125 PC 2,8 0,002 +50 2. 10 17 1 180 150 Polimeri PS 2,4 0,0001-200 4. 10 17 2500 75 70 PP 2,3 0,0005-150 4 10 17 340 90 X7R 1800 0,02 ±1000-10 14 25 15 35 85 Ceramici NPO 60 0,001 +300 10 14 70 15 35 85 Tip 1 Z5U 6000 0,03 ±1000 10 13 2 15 35 85
CONDENSATOARE 129 Ceramici 7. 10 2 10 12 15 35 85 Tip 2 10 4 Valoarea tgδ este determinată la frecvenńa de 1kHz, iar la electrolitici * la 50 Hz.. Categoria climatică caracterizează comportarea condensatorului la acńiunile mediului ambiant. Se definesc următoarele caracteristici climatice: rezistenńa la variańii rapide de temperatură, rezistenńa la ciclul climatic şi rezistenńa la căldură umedă de lungă durată. Se indică printr-un format din trei grupe de cifre, dispuse astfel: primul grup indică gradul de severitate la încercarea la frig; al doilea grup indică gradul de severitate pentru încercarea la căldură uscată; al treilea grup de cifre indică gradul de severitate pentru proba de căldură umedă de lungă durată. Valorile primelor două grupe coincid, de obicei, cu extremităńile intervalului temperaturilor de lucru θ min θ max. De exemplu: 40/100/21 reprezintă gama de temperatură -40 0 C...+100 0 C, 21 de zile. Condensatoare reglabile (variabile sau ajustabile) se caracterizează, în mare parte, prin aceiaşi parametrii ca şi cele fixe, dar şi prin parametrii suplimentari legańi de modificarea capacităńii şi anume: - Legea de variańie a capacităńii C=C(C min, C max, ϕ) este o caracteristică a condensatoarelor variabile (tabelul 5.11). Legea de variańie exprimă dependenńa capacităńii de valorile limită C min, C max şi unghiul de rotańie ϕ. Această lege de variańie, care poate fi: liniară, exponenńială, variańie liniară pentru frecvenńa de acord a unui circuit acordat LC, variańie liniară pentru lungimea de undă de unui circuit acordat LC, se stabileşte prin construcńie, în funcńie de utilizările condensatoarelor variabile (tabelul 5.11). - Momentul de acńionare-reprezintă valoarea cuplului mecanic necesar pentru acńionarea elementului de comandă al rotorului. - RezistenŃa de contact - reprezintă rezistenńa electrică între terminalul de masă şi rotor. 5.3. Modelarea condensatoarelor Condensatorul real se caracterizează, pe lângă capacitatea electrică C (determinată de geometria constructivă, natura dielectricului - relańia 5.4) şi prin elemente parazite ale căror valori depind de varianta constructivă a condensatorului şi de tehnologia de fabricańie. Schema echivalentă a condensatorului real (fig.5.2) conńine: capacitatea C=ε r C 0 (C 0 capacitatea fără dielectric între armături) în paralel cu rezistenńele de pierderi: R p a materialului dielectric (R p =1ω C tg ), r p - rezistenńa stratului de protecńie. În serie se introduce rezistenńa δ ε armăturilor şi a terminalelor r s, împreună cu L inductivitatea echivalentă a terminalelor şi a armăturilor. Această schemă poate fi transformată, prin conectarea elementelor, într-o schemă echivalentă serie sau paralel. (fig. 5.3 şi fig. 5.5). Inductivitatea parazită L se datorează legăturilor electrice din interiorul condensatorului, precum şi câmpului magnetic din condensator.
130 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE C r S L R p Rp 1 = ωc tgδε r p Fig. 5.2. Schema echivalentă a condensatorului real ImpedanŃa complexă Z a condensatorului real, având schema echivalentă din figura 5.2 şi 12 Ńinând seama de expresia (5.5), se determină cu relańia: 1 1+ j + tgδ ε 1 rp ωc Z 12 = rs + jω L+ = rs + jω L+ (5.11) 1 jωc+ +ω C tgδ ε ω 1 2 j C 1+ + tg δ r ε p rp ωc Notând: 1 tgδ ε = - tangenta unghiului de pierderi în rezistenńa paralel; r ωc C p 2 ( 1+ tgδ + tg ) e = C P δ ε capacitatea echivalentă; tgδ =ω r C - tangenta unghiului de pierderi în rezistenńa serie. S s e Z ImpedanŃa complexă ia forma: 1+ j ( tgδ + tgδ ) ( tgδ + tgδ + tgδ ) p ε 12 = rs + jωl+ = S P ε jωce ωce 1 + 1 Ce jω 2 1 ω LC e (5.12) Prin identificarea relańiei (5.12) cu schema echivalentă serie a condensatorului (fig.5.3.a), rezultă parametrii schemei echivalente serie: C S C e = 2 1 ω LC e ; R S tgδ C = cu tgδ = tgδ + tgδ tgδε ωc e P S + Schema echivalentă serie (fig. 5.3.a) a condensatorului real conńine rezistenńa R S în serie cu capacitatea C S. ImpedanŃa echivalentă serie Z a condensatorului se pune sub forma: s Z s = R s + 1 jωc s (5.13)
CONDENSATOARE 131 I R S C S IR S I U ϕ c I / jωc s a) b) Fig.5.3. Schema echivalentă a condensatorului real a.) schema serie b.) Diagrama de fazori a.) Comportarea cu frecvenńa a condensatorului real Notând cu ω = 0 1 LC e pulsańia proprie de rezonanńă, capacitatea echivalentă serie rezultă: Ce C S = (5.14) 2 ω 1 ω0 Din relańia (5.14) se observă că capacitatea echivalentă serie CS εr Ce şi creşte odată cu creşterea frecvenńei. Capacitatea echivalentă serie poate fi considerată egală cu capacitatea ω echivalentă C e pentru frecvenńe mult mai mici decât pulsańia de rezonanńă << 1. ω 0 DependenŃa de frecvenńă a pierderilor rezultă din dependenńa tangentei unghiului de pierderi al condensatorului tgδ = tgδ (ω): δ c tgδ= tgδ P + tgδ S + tgδ ε = 1 r ωc p + tgδ ε + rωc s e (5.15) Din relańiile (5.14) şi (5.15) se obńine dependenńa elementelor schemei echivalente a condensatorului real de frecvenńă. DependenŃa de frecvenńă (pulsańie) a tangentei unghiului de pierderi al condensatorului real, la scară logaritmică, se prezintă în figura 5.4. Se observă, că în domeniul frecvenńelor joase predomină pierderile în rezistenńa paralel r p, iar în domeniul frecvenńelor mari devin importante pierderile din rezistenńa echivalentă serie r s. (fig.5.4). lg (tgδ c ) tgδ p tgδ tgδ s 0 lg (ω) Fig.5.4. DependenŃa de frecvenńă pentru tgδ (la scară logaritmică)
132 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE Având în vedere aceste dependenńe, în funcńie de domeniul de frecvenńă al circuitului în care se utilizează, se alege tipul de condensator la care elementele parazite sunt minime. Pentru a uşura această alegere unii producători de componente [14], [22] indică dependenńa frecvenńei de rezonanńă de valorile capacităńii f 0 =f(c n ) pentru diferite lungimi ale terminalelor. Prin identificarea elementelor schemei echivalente serie cu cele ale schemei echivalente paralel (fig.5.5), prin egalarea impedanńelor complexe ale acestor scheme, rezultă parametrii schemei echivalente paralel. R P I δ c jωcpu U C P ϕ c U a) Fig.5.5. a.) a) Schema echivalentă paralel b) b.) Diagrama de de fazori b) U / R P Pentru condensatorul real (cu pierderi) la care, în domeniul frecvenńelor de lucru se poate neglija inductivitatea parazită, se foloseşte una din cele două scheme echivalente (serie fig. 5.3. sau paralel fig. 5.5.). La alegerea condensatoarelor pentru anumite circuite trebuie să se Ńină seama de comportarea acestora cu frecvenńa, aşa cum se indică în figura 5.6. Polistiren Electrolitici Hârtie Ceramici Poliester 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. 5.6 Domeniul de utilizare al condensatoarelor în funcńie de frecvenńă b.) Calculul tensiunii alternative maxime Valoarea tensiunii alternative a unui condensator (V c.a. ) corespunde, de obicei, valorii tensiunii efective cu frecvenńa de 50 sau 60 Hz la 20 0 C. Valoarea maximă a tensiunii alternative cu altă frecvenńă U max, la care poate funcńiona un condensator se poate determina în funcńie de puterea disipată (relańia 5.6), care nu trebuie să depăşească puterea limită P max.
CONDENSATOARE 133 Puterea disipată într-un condensator real are loc în rezistenńa echivalentă de pierderi (R S- schema serie figura 5.3. sau paralel R P schema paralel figura 5.5.). Pentru schema echivalentă serie puterea P este dată de relańia: P = 2 R S I (5.16) iar, curentul I 2 prin condensator, după înlocuire ( tgδ= ω R S C ) se obńine: I 2 2 2 2 2 2 2 2 U ω C U ω C U = = = (5.17) 2 2 2 2 2 1 R 1+ ω RSC 1+ tg δ S + 2 2 ω C Puterea disipată P în dielectricul condensatorului este: P ω C U 1+ tg δ 2 2 2 2 2 2 2 = RS ω C U tgδ = R C U 2 Sω = S ω 2 2 ( R C) C U (5.18) Aproximarea făcută, în aceste calcule (C S C) este posibilă, pentru frecvenńe mai mici ω decât frecvenńa de rezonanńă << 1, deoarece în majoritatea cazurilor, tgδ<0,1. ω 0 DependenŃa de frecvenńă a valorilor maxim admisibile pentru tensiune şi curent (valori raportate) la condensatorul real sunt prezentate în figura 5.7. 1 U=Uma P d =P dmax I=I max I Im ax 0,1 I II III U max U ω 1 ω 2 ω Fig.5.7 DependenŃa de frecvenńă pentru U/U max şi I/I max Pentru domeniul frecvenńelor joase (ω<ω 1 ) străpungerea dielectricului limitează valoarea tensiunii aplicate la U<U max, unde U max corespunde tensiunii de străpungere a dielectricului. Pentru domeniul frecvenńelor medii (ω 1 <ω<ω 2 ) limitările sunt atât la tensiune cât şi la curent, deci din punct de vedere al puterii disipate (P d =P dmax ), valori dependente de unghiul de pierderi. La frecvenńe înalte limitarea apare din punct de vedere al curentului, care poate atinge şi chiar depăşi valoarea maxim admisibilă I max. Depăşirea acestei limite determină încălzirea terminalelor şi a armăturilor. Puterea disipată maxim admisă într-un condensator, depinde ca şi la rezistoare de dimensiunile condensatorului şi de temperatura ambiantă, scăzând liniar odată cu temperatura de lucru. Pentru condensatoarele uzuale, puterea activă disipată este mică şi de acest
134 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE lucru se Ńine seama doar la temperaturi ridicate ale mediului ambiant. Depăşirea puterii disipate maxim admise duce la distrugerea dielectricului prin străpungere termică. Puterea disipată se poate determina cu relańia (5.16) în funcńie de: frecvenńă, tensiune şi tgδ. Dacă nu se cunoaşte tgδ la frecvenńa de lucru, calculul se poate efectua cu partea finală a aceleiaşi relańii. Factorul (R S C) este o mărime care depinde de frecvenńă şi de aceea, această valoare se indică (în datele de catalog ale producătorului de ex. Philips, [20]) sub formă grafică pentru seria constructivă de condensatoare. Se observă (fig.5.7) că în domeniul frecvenńelor joase (domeniul I, ω<ω 1 ) puterea disipată nu se depăşeşte dacă tensiunea U U max (limitare prin tensiune), iar în domeniul frecvenńelor ridicate (domeniul III, ω ω 2 ) puterea disipată maximă trebuie limitată prin limitarea curentului din circuitul condensatorului (prin reducerea tensiunii din circuit sau prin micşorarea frecvenńei). 5.4. Condensatoare fixe Condensatoarele fixe se realizează în una dintre variantele constructive prezentate în tabelul 5.1. Caracteristicile electrice ale condensatoarelor depind în mare măsură de proprietăńile materialului dielectric dintre armături (tabel 5.3). Condensatoarele fixe se pot clasifică în funcńie de: materialul dielectric utilizat: hârtie, materiale anorganice (ceramică, mică, sticlă), materiale organice termoplastice (polistiren, policarbonat, polipropilenă, polietilenftalat, etc.), oxizi (Al 2 O 3,Ta 2 O 5, SiO 2 ) numite condensatoare electrolitice, deoarece contactul electric la una din armături este realizată prin intermediul unui electrolit; forma armăturilor: bobinate şi plane; tensiunea de lucru: de joasă şi de înaltă tensiune; varianta constructivă: gabarit normal, gabarit redus, cu gamă extinsă de temperatură, cu terminale radiale, axiale sau de implantare, etc. destinańie: pentru curent continuu (c.c.), pentru curent alternativ (c.a.), pentru antiparazitare, pentru protecńie, pentru startere, pentru pornire motoare, etc. 5.4.1. Condensatoare cu dielectric hârtie Condensatoare cu dielectric hârtie folosesc ca dielectric hârtia de condensator impregnată. Se realizează prin bobinarea armăturilor (folii metalice) împreună cu dielectricul: hârtie de condensator impregnată. Deoarece hârtia prezintă în structură pori şi incluziuni, la bobinarea condensatoarelor se folosesc cel puńin doua folii de hârtie de condensator. Condensatoarele cu hârtie se utilizează, în special, în circuitele de curent alternativ (compensarea factorului de putere, pornirea motoarelor asincrone monofazate) sau pulsatoriu, cu componentă alternativă suprapusă peste componenta continuă (cuplajul etajelor, protecńia diodelor şi tiristoarelor), în circuitele de antiparazitare (filtre de reńea, instalańii de aprindere şi antiparazitare ale autovehiculelor). Parametrii caracteristici Capacitatea nominală [C n ] se situează în domeniul zeci de nanofarazi până la zeci de microfarazi. Valoarea capacităńii se determină la o anumită frecvenńă (de obicei de 1kHz) şi la temperatura ambiantă (de+20 0 C sau +25 0 C). Marcarea se face în clar, înainte de valoarea nominală indicându-se tipul şi varianta constructivă printr-un cod literar sau numeric (firma
CONDENSATOARE 135 Philips). De exemplu: HPA 30.24 4,2 µf±10% 220Vca 25/085/21 HPA - condensator cu hârtie uleiată pentru c.a. (fabricańie ICEP Curtea de Argeş), 30.24 - reprezintă varianta constructivă, parametrii C n şi V n : 4,2 µf±10% 220Vca şi 25/085/21 - categoria climatică. Tensiunea nominală V n se marchează în clar pe corpul condensatorului, indicând: valoarea tensiunii continue - V dc, V cc sau tensiune alternativă - V rms, V ca.- valoare efectivă. Tensiunea aplicată condensatorului (valoare de vârf sau suma dintre componenta continuă şi alternativă) trebuie să fie inferioară tensiunii nominale V n (la 50Hz cu-20%). Tangenta unghiului de pierderi (tgδ) are o valoare relativ mare (ordin 10-2 ), comparativ cu alte variante constructive, fiind determinată la frecvenńa de 50Hz sau 1kHz. RezistenŃa de izolańie (R iz ) se determină cu următoarele tensiuni de măsură U ( la 20 0 C) [14]: - U=10±1V pentru V n <100V; - U=100±15V pentru 100<V n <500V; - U=500±50V pentru V n >500V. a) Condensatoare cu dielectric hârtie impregnată sunt formate din următoarele părńi componente: Dielectricul este constituit din două sau mai multe straturi de hârtie impregnată. Grosimea şi numărul straturilor de hârtie depind de tensiunea de lucru a condensatorului. Calitatea hârtiei şi ale materialului de impregnare, determină în mod substanńial caracteristicile electrice ale condensatoarelor realizate. Armăturile se realizează fie din folii de aluminiu de grosimi 5...15µm înfăşurate sub formă de bobină sau prin metalizare în vid. Tehnologia de realizare constă din următoarele faze: Bobinarea foliilor armăturilor este de două feluri: bobinare cu armături suprapuse - bobinare inductivă şi bobinarea neinductivă cu armături decalate (fig. 5.8.c). OperaŃia de bobinare se realizează pe maşini automate. După bobinare capetele armăturilor decalate se metalizează la cele două extremităńi (se reduce inductivitatea parazită). Conectarea terminalelor: legătura electrică la armăturile bobinate inductiv se realizează cu ajutorul unor lamele de contact din cupru cositorit, iar la armăturile bobinate neinductiv prin sârmă de cupru sudată de zonele metalizate. Impregnarea dielectricului, ce se face după operańia de bobinare, are scopul de a creşte rigiditatea dielectrică prin înlocuirea incluziunilor de gaze cu materialul de impregnare. Pentru impregnare se folosesc dielectrici lichizi: ulei de condensator, ulei clorurat, difenil-clorurat, triclordifenil (3DC), etc. sau solizi: parafină (ceară), răşini epoxidice. ProtecŃia mecanică şi climatică se obńine prin mularea ansamblului: armături-dielectric impregnat-terminale, într-un compund epoxidic sau prin introducerea într-un tub de aluminiu. Etanşarea ansamblului se face cu răşină epoxidică sau cu rondele din pertinax cauciucat.
136 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE Hârtie Hârtie b) a) Hârtie Fig.5.8 ConstrucŃia condensatoarelor cu hârtie a) Mod de bobinare b) SecŃiune prin bobina cu armături suprapuse c) SecŃiune prin bobina cu armături decalate Utilizările condensatoarelor cu hârtie sunt următoarele: la circuitele de curent continuu şi de curent alternativ de joasă frecvenńă,: filtrare, cuplare, decuplare, circuite de limitare a curentului şi de compensare a factorului de putere la lămpile cu descărcări în gaze, etc. b) Condensatoare cu dielectric hârtie metalizată (codificare: MP - metallised paper).prezintă avantajul unui gabarit mai mic, comparativ cu cele cu hârtie la aceiaşi capacitate, deoarece armăturile se obńin prin metalizare direct pe dielectric (hârtia de condensator). Grosimea foarte redusă a armaturilor face ca acestea să se poată vaporiza datorită căldurii degajate în cazul unui scurtcircuit (cauzat de incluziuni cu rezistivitate redusă) şi prin aceasta se elimină porńiunea defectă (autoprotecńie). Condensatoare cu hârtie metalizată au următoarele părńi componente: armăturile sunt pelicule metalice subńiri (zecimi de micron), care se depun în vid pe hârtie lăcuită în prealabil. dielectricul este format din două benzi de hârtie metalizată, aşezate astfel încât armăturile să fie decalate (fig.5.7.c), în vederea metalizări capetelor (pentru reducerea inductivităńii parazite). Tehnologia de realizare constă din bobinarea benzilor de hârtie metalizată. După bobinare şi sudarea terminalelor, condensatorul se supune unei tensiuni progresiv crescătoare (mai mare decât U n ) în scopul eliminări zonelor de scurtcircuit dintre armături, datorită imperfecńiunii dielectricului. Aceste porńiuni sunt scoase din circuit prin încălzirea şi vaporizarea peliculei din zona defectă (prin efect Joule-Lenz). ProtecŃia mecanică şi climatică se realizează asemănător cu cea de la condensatoarele cu hârtie impregnată. c) Condensatoare cu dielectric mixt folosesc alături de hârtie o folie de material plastic, ceea ce permite obńinerea de caracteristici superioare fańă de condensatoarele cu hârtie: rezistenńa de izolańie, tangenta unghiului de pierderi, rigiditate dielectrică. Sunt realizate din următoarele componente: armături: benzi subńiri de aluminiu; dielectricul: hârtie impregnată împreună cu o folie din material plastic (polietilenă, polipropilenă, etc.). ProtecŃia mecanică şi climatică se realizează în tuburi de aluminiu închise la capăt cu rondele din pertinax placat cu cauciuc prevăzute cu capse pentru trecerea terminalului sau etanşate cu răşini epoxidice. Utilizările condensatoarelor cu dielectric mixt sunt, în special, la circuitele cu componentă pusatorie a curentului (circuitele de impulsuri), datorită inductanńei proprii de valoare redusă. Al c)
5.4.2. Condensatoare cu pelicule plastice CONDENSATOARE 137 Condensatoare cu pelicule din materiale plastice s-au răspândit în ultimul timp, datorită perfecńionării tehnologiilor de fabricańie, care au permis obńinerea unui raport calitate-preń mai bun, comparativ cu alte categorii de dielectrici. Dielectricul este format dintr-o peliculă (film plastic) din materiale termoplaste polare: policarbonat, polietilentereftalat (mylar), răşini poliamidice sau nepolare: polistiren (stiroflex), polipropilenă, polietilenă, etc. Deoarece materialele plastice nu prezintă incluziuni sau goluri, ca hârtia de condensator, se poate folosi ca dielectric o singură folie de material plastic. Aceste folii pot fi obńinute sub forma unor pelicule subńiri cu grosimi de ordinul micronilor. De asemenea, rezistenńa de izolańie şi rigiditatea dielectrică prezintă valori mai ridicate decât la hârtie. Caracteristicile unor materiale dielectrice utilizate în construcńia condensatoarelor cu folie plastic cum ar fi: permeabilitatea ε r, tangenta unghiului de pierderi tgδ, coeficientul de temperatură α T, domeniul temperaturilor de lucru ϑ şi rezistivitatea ρ sunt indicate în tabelul 5.5. Tabelul 5.5 Caracteristici ale unor materiale dielectrice plastice Materialul ε r tgδ α T [K -1 ] ϑ [ 0 C] ρ [Ω m] dielectric Polistiren 2,58 (2-3)10-4 -100-300 -60 +60 (+85) 10 17-10 18 Polietilenă 2,25 5 10-4 -550-700 -60 +85 (+90) 10 16-10 17 Politetrafloretilen 2,05 (1-2)10-4 -100-120 -60 +200 (+250) >10 17 ă Polietilentereftala t 3,2 20 10-4 +500-60 +150 10 16-10 17 Armăturile se realizează din folii de aluminiu, staniu, sau din pelicule metalice obńinute prin depunerea in vid pe suprafańa dielectricului. Prin metalizarea armăturilor, ca la condensatoarele cu hârtie metalizată, se obńine reducerea gabaritului, rezultând capacităńi specifice mari. Tehnologia de realizare a acestor condensatoare se aseamănă cu cea a condensatoarelor cu hârtie (bobinare), dar datorită structurii mai compacte a dielectricului plastic, comparativ cu hârtia, se foloseşte o singură folie. La varianta constructivă cu armăturile decalate, la capetele bobinei acestea se metalizează (fig.5.8.c). Parametrii caracteristici Capacitatea nominală [C n ] a condensatoarelor cu pelicule din material plastic (cu film plastic) se situează în domeniul de valori cuprinse între câńiva picofarazi până la ordin microfarazi. Valoarea nominală corespunde (uzual) seriilor de valori E6 E24 (tabel 1.2 - cap.1). VariaŃia capacităńii nominale cu temperatura şi frecvenńa este în funcńie de tipul dielectricului. Aceste dependenńe se Cn Cn prezintă grafic sub forma: [%] = f( Tamb) şi [%] = f (f[hz]). Cn Cn Marcarea valorii nominale se face în clar, alături de varianta constructivă codificată printr-un cod literar sau numeric. Tensiunea aplicată condensatorului (valoare de vârf sau suma dintre componenta continuă şi alternativă) trebuie să fie inferioară tensiunii nominale V n (la 50Hz cu -20%). La condensatoarele la care se indică tensiunea continuă nominală V c,valoarea de vârf maximă a tensiunii alternative
138 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE U max trebuie să respecte indicańiile producătorului. Valoarea tensiunii alternative U max este limitată de puterea maximă P max pe care o poate disipa condensatorul. Valoarea P max depinde de dimensiunile condensatorului şi de temperatura ambiantă (relańia 5.14) (de ex. la styroflex U n <(0,2-0,4)V c, în funcńie de tensiunea nominală [14]). Tangenta unghiului de pierderi (tgδ) are valori reduse (0,1.10-3 < tgδ <30.10-3 ), cu până la două ordine de mărime mai mică decât la condensatoarele cu hârtie. Pierderile de energie se datorează parńial dielectricului (rezistenńei de izolańie şi histerezis dielectric), precum şi armăturilor (rezistenńei echivalente de metalizare). Pentru îmbunătăńirea comportării la înaltă frecvenńă sau la impulsuri (curent mare) se măreşte grosimea stratului de metalizare sau se introduce suplimentar o folie de aluminiu pentru micşorarea rezistenńei echivalente serie. Tangenta unghiului de pierderi (tgδ) depinde de temperatura mediului ambiant şi de frecvenńa de lucru. Aceste dependenńe se prezintă sub formă grafică pentru domeniile de funcńionare recomandate. RezistenŃa de izolańie (R iz ) se determină cu următoarele tensiuni de măsură U la 20 0 C. - U=20±1V pentru V n <100V; - U=100±15V pentru 100<V n <500V; - U=500±50V pentru V n >500V Valoarea tensiunii care se aplică condensatorului, pentru măsurarea rezistenńei de izolańie, depinde de tensiunea nominală şi de tipul dielectricului. Aceste valori sunt indicate în datele de catalog ale producătorului. Utilizări în circuitele electronice din aparatura industrială şi în cele din televizoare şi radioreceptoare. a) Condensatoare cu poliester metalizat (codificare MK sau PMP) sunt foarte răspândite datorită preńului de cost relativ redus. Acestea sunt formate din următoarele părńi componente: armături: pelicule de aluminiu depuse în vid; dielectric: polietilentereftalat (mylar) - material termoplast polar (ε r 3), caracterizat prin pierderi dielectrice relativ mari, dependente de frecvenńă şi temperatură, dar poate fi obńinut sub formă de pelicule subńiri (de ordinul microni), rezultând capacităńi specifice mari; terminale: sârmă de cupru cositorită. Procesul tehnologic este asemănător cu cel al condensatoarelor cu hârtie metalizată şi constă din: metalizarea foliei de polietilentereftalat cu un strat de aluminiu (de ordinul zecimi de microni); tăierea şi rularea foliei; lipirea terminalelor; protecńia condensatorului prin: mulare în compund sau prin încapsulare în capsule (cilindrice sau dreptunghiulare), etanşare cu răşină (prin injecńie sau prin turnare). Parametrii caracteristici Capacitatea nominală [C n ] a condensatoarelor cu poliester metalizat (mylar) se situează, în mod obişnuit, în domeniul 1000pF...10µF, având tensiunea nominală U n =100 630V. Marcarea capacităńii nominale C n şi a toleranńei t[%] se face în clar sau la unele variante constructive (Philips) în codul culorilor. De exemplu: PMP 0701-0,47/250 (codificarea condensatoarelor conform [14] PMP- condensator cu poliester metalizat); 07- varianta tehnologică; 01-codificarea capsulei; 0,47-capacitatea în µf;
CONDENSATOARE 139 250- tensiunea nominală în V. ToleranŃele capacităńilor nominale sunt cuprinse, în general, între ±10%, ±20% ; limitele indicate corespund seriilor E12 şi E6. Tensiunea nominală V n se indică în clar sau codificat (ultima bandă colorată). Valorile uzuale sunt: 100V, 160V, 250V, 400V, 630V, 1000V. Valoarea maximă a tensiunii alternative (valoare efectivă) depinde de puterea disipată maximă P d (relańia 5.6), valoare care nu poate fi depăşită. Astfel, la f=50-60hz U max <(0,3...0,5) V n. Tangenta unghiului de pierderi tgδ <5.10-3...10-2 ; variańiile cu temperatura şi frecvenńa se prezintă sub formă grafică la variantele constructive. RezistenŃa de izolańie (R iz ) dintre terminale se indică în funcńie de capacitatea nominală şi de tensiunea nominală a condensatoarelor. De exemplu, la condensatoare din seria PMP: - R iz > 3.10 4 MΩ pentru C n <0,33µF; - R iz.c n >10 4 s (MΩ. µf ) pentru C n >0,33µF. Coeficientul de temperatură al capacităńii α c este relativ mare, condensatoarele fiind folosite până la max. 70-75 0 Cn C. De obicei, se prezintă dependenńa [%] = f( Tamb). Cn Utilizările condensatoarele cu dielectric folie de poliester metalizat polietilenterftalat: în echipamentele electronice industriale şi în aparatura de larg consum (radioreceptoare, televizoare, etc.), dar mai ales la cuplarea dintre etaje sau decuplări în aparatura electronică la joasă frecvenńă. b.) Condensatoare cu polistiren (codificare KS (CEI)- sau PS-styroflex [14]) se caracterizează prin pierderi dielectrice mici şi stabilitate bună cu temperatura şi frecvenńa. Sunt formate din următoarele părńi componente: Armăturile se realizează din folii de aluminiu sau staniu; Dielectricul este format din una sau mai multe folii de polistiren (ε r =2,5...2,6). Numărul de folii utilizate depinde de tensiunea nominală a condensatorului. Terminalele realizate din conductoare de cupru cositorite se fixează prin sudare prin puncte în cursul procesului de bobinare (la bobinarea automată). Tehnologia de realizare a condensatoarelor cu polistiren (styroflex) este asemănătoare cu cea a condensatoarelor cu hârtie impregnată şi constă în bobinarea armăturilor împreună cu folia (foliile) din polistiren cu lăńime mai mare decât lăńimea armăturilor (fig. 5.9). După bobinare, condensatorul este supus unui proces termic în urma căruia poliesterul polimerizează şi asigură etanşarea condensatorului. În această fază, condensatorul obńinut se prezintă sub formă cilindrică, având culoare argintie datorită armăturilor de aluminiu care se pot vedea prin dielectricul transparent. Pentru condensatoarele cu polistiren cu gamă extinsă de temperatură se utilizează pentru protecńie capsule paralelipipedice de bachelită, în care se introduce condensatorul propriu-zis, iar apoi se ermetizează cu răşină epoxidică. Role polistiren Role aluminiu Ghidaj pentru folii Bobina condensatorului
140 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE Fig. 5.9 Explicativă la bobinarea condensatoarelor cu polistiren Parametrii caracteristici Capacitatea nominală [C n ] a condensatoarelor cu polistiren (styroflex) se situează, în mod obişnuit, în domeniul 47pF...100nF. Marcarea capacităńii nominale C n şi a toleranńei t[%] se face în clar. CapacităŃile nominale cuprinse între limitele indicate, corespund seriilor E48, E24, E12, E6. Tensiunea nominală V n se indică în clar sau se codifică prin culoarea unei extremităńi a condensatorului, situată lângă terminalul legat la armătura exterioară. Această culoare este imprimată înainte de bobinare pe extremitatea uneia din rolele de polistiren (fig.5.9). CorespondenŃa tensiunii nominale cu culoarea marcată, conform [14], este indicată în tabelul 5.6. Tabelul 5.6 Codificarea tensiunii nominale la condensatoarele cu polistiren (styroflex) Culoare Albastru Galben Roşu Verde Negru V n c.c.[v] 25 63 160 250 630 Pentru V n =1000V marcajul se face atât cu negru cât şi prin inscripńionarea acestei valori pe corpul condensatorului. Valoarea tensiunii continue maxime, care se poate aplica condensatoarelor cu polistiren (styroflex), se reduce proporńional cu temperatura de funcńionare, de obicei, peste 40 0 C. Tangenta unghiului de pierderi (tgδ) este mai mică decât la condensatoarele cu poliester metalizat cu aproximativ un ordin de mărime. Această valoare se determină la temperatura ambiantă şi se indică pentru domeniile de valori ale capacităńii nominale. Astfel, pentru condensatoarele din seria PS valorile tgδ sunt: - tgδ <10.10-4 la f=1000khz pentru C n <1000pF; - tgδ <5.10-4 la f=1khz pentru Cn>1000pF. RezistenŃa de izolańie (R iz ) a acestei categorii de condensatoare este una dintre cele mai mari valori pentru condensatoare cu dielectric solid. Valoarea rezistenńei dintre terminale se indică în funcńie de valoarea tensiunii nominale a condensatorului. De exemplu, la condensatoare din seria PS, [14]: - R iz > 1000 MΩ pentru V n <100V; - R iz > 100000 MΩ pentru V n >100V. Coeficientul de temperatură al capacităńii α c are valoare redusă şi negativă; astfel la condensatoarele din seria PS, α c =(-60...-220)10-6 / 0 C. Utilizările condensatoarelor cu styroflex: în circuitele electronice în care sunt necesare condensatoare cu pierderi reduse, respectiv: - radioreceptoare, televizoare şi aparatură de telecomunicańii (circuitele oscilante de intrare şi de acord, filtre de medie frecvenńă, circuitele de baleaj pe orizontală folosite în televiziune, etc.); - aparatura de măsurare digitală (circuite de impulsuri, integratoare cu un domeniu larg al constantei de timp, etc.).
CONDENSATOARE 141 5.4.3. Condensatoare ceramice Condensatoare ceramice folosesc drept dielectrici materiale ceramice, având diferite compozińii. Aceste condensatoare au armături plane (disc, plachetă) sau cilindrice (tubulare), caracterizându-se astfel, prin valori mici ale inductanńei parazite, mult mai redusă decât la condensatoarele bobinate. În funcńie de numărul de straturi condensatoarele ceramice se realizează cu un singur strat de dielectric - monostrat sau cu mai multe - multistrat. a.) Condensatoare ceramice monostrat Sunt formate din următoarele părńi componente: Armăturile - pelicule de argint depuse pe o parte şi pe alta a unui suport ceramic; Dielectricii - prin forma lor determină şi forma finală a condensatorului. În funcńie de compozińia lor, dielectricii pot avea coeficient de temperatură definit (tip I) sau nedefinit (tipurile II şi III), determinând o clasificare similară şi pentru condensatoarele ceramice. Formele acestor dielectrici sunt: disc, plachetă sau cilindric. Terminale Armături Armături Tub Disc ceramic Plachetă Dielectric Fig.5.10 Variante constructive de condensatoare ceramice monostrat Caracteristicile principalilor dielectrici ceramici se indică în tabelul 5.7. Tabelul 5.7. Caracteristicile electrice ale dielectricilor ceramici Parametrul Diel. ceramic tip I Diel. ceramic tip II Diel. ceramic tip III ε r 5...220 2.10 3...10 4 >10 5 α c [ppm/ 0 C] -750...±250 nedefinit nedefinit tgδ <15.10-4 <350.10-4 <1200.10-4 Dielectricii ceramici de tipul I (cu permeabilitate dielectrică mică - grupa I) au la bază titanańii de calciu, magneziu, bariu sau stronńiu (TiO 2.CaO, TiO 2.MnO, 9TiO 2.2BaO,TiO 2.SrO), care se caracterizează prin permitivitate relativ mică (ε r =5 200), comparativ cu cei de tip II şi III, având un coeficient de variańie cu temperatura redus, variańie negativă şi liniară (coeficient de temperatură definit).
142 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE Dielectricii ceramici de tipul II (grupa a-ii-a) au la bază titanańii şi zirconańii de bariu sau stronńiu (MgTiO 3, SrTiO 3, CaTiO 3, CaZrO 3 ) cu permitivitate foarte mare (ε r >500), dar prezintă dezavantajul unei instabilităńi mari a permeabilităńii electrice şi a pierderilor dielectrice cu temperatura şi frecvenńa. Dielectricii ceramici de tipul III (grupa a-iii-a) au la bază materiale feroelectrice, compozińii ale titanatului de bariu, care se supun unui tratament termic. Aceşti dielectrici se caracterizează printr-o anumită temperatură limită, numită punct Curie, peste care polarizarea spontană încetează. Titanatul de bariu are punctul Curie situat la temperatura de 120 0 C. de asemenea permeabilitatea electrică este influenńată şi de valoarea câmpului electric aplicat. Din acest motiv, aceşti dielectrici se folosesc numai la tensiuni mici. Prin oxidare în atmosferă reducătoare aceste compozińii formează la suprafańa ambelor părńi ale materialului un strat superficial oxidat, care constituie dielectricul. Cu aceste straturi dielectrice, de grosime foarte mică este posibilă obńinerea unei capacităńi specifice mari. SuprafeŃele exterioare ale dielectricilor astfel obńinuńi se metalizează şi apoi, pe acestea se conectează terminalele. Capacitatea echivalentă rezultantă este dată de cele două condensatoare înserate prin rezistenńa stratului semiconductor de titanat, care se află între ele. Condensatoarele realizate cu dielectricii ceramici de tipul III se caracterizează prin: dimensiuni reduse, deoarece permitivitatea electrică a stratului superficial este foarte mare; tgδ are valori mici şi lent crescătoare cu tensiunea aplicată; tensiunea nominală scăzută (în general, V n < 25V); toleranńa valorii nominale este largă (în general, -20%...+100%). Utilizările specifice ale condensatoarelor ceramice, alături de gama de valori sunt indicate în tabelul 5.8. Tabelul 5.8 Utilizările condensatoarelor ceramice Tipul condensator Valori nominale C n Utilizări Ceramic tip I 0,8pF...1nF circuite electronice profesionale şi industriale pentru înaltă frecvenńă Ceramic tip II 33pF...100nF circuite de cuplare şi decuplare Ceramic tip III 4,7nF...470nF circuite de cuplare şi decuplare, circuite de deparazitare, etc. Tehnologia de realizare a condensatoare ceramice este diferită de cea a condensatoarelor cu dielectric folie (hârtie, plastic), prezentate anterior. In primul rând, deoarece aceste condensatoare nu sunt bobinate, ele fiind plane sau cilindrice. Principalele faze tehnologice ale realizării condensatoarelor ceramice monostrat pot fi rezumate după cum urmează: obńinerea ceramicii dielectrice: substanńele constituente sunt dozate, amestecate, măcinate, pulberea obńinută se amestecă cu lianńi şi prin presare, turnare sau laminare se obńine forma de disc, plachetă sau tubulară cu dimensiuni impuse de valoarea capacităńii şi de tensiunea nominală;
CONDENSATOARE 143 depunerea armăturilor din argint (prin serigrafiere şi apoi fixarea peliculei prin descompunerea termică a unui compus al argintului) pe feńele discului sau plachetei sau în interiorul şi exteriorul tubului (forma tubulară); lipirea terminalelor (sârmă de cupru cositorită); încapsularea (protecńia mecanică şi climatică) - cu răşină termodură; sortare şi marcare. Forma şi structura condensatoarelor ceramice monostrat, varianta plană, se prezintă în figura 5.11. Terminal Strat de răşină Strat de argint a) b) c) Strat de argint Dielectric Fig. 5.11 Condensatoare ceramice monostrat. a) disc; b) plachetă; c) secńiune printr-un condensator ceramic. Parametrii caracteristici principali ai condensatoarelor ceramice uzuale, conform [14], sunt indicańi în tabelul 5.9. Capacitatea nominală [C n ] a condensatoarelor ceramice se marchează în clar sau în codul culorilor (fig. 5.12), astfel: banda 2, 3 - cifre semnificative; banda 3 multiplicator (10 n ); banda 5 toleranńa [t %]. Tabelul 5.9. Caracteristici ale condensatoarelor ceramice Nr. crt Parametrul Condensator ceramic tip I Condensator ceramic tip II 1. C n 0,8pF...1nF 33pF...100nF 2. pt. C n <10pF: ±0,25pF, ±0,5pF; ±10%; ±20% t [%] ±1pF. pt. C n >10pF: ±5%, ±10%, ±20% -20%...+80% -20%...+50% 3. tg δ <15.10-4 <350.10-4 4. V n [V] c.c. 63; 500 c.c. 25; 500;1kV; 2kV; 3kV 5. α c [ppm/ 0 C] liniar -750...±250 nedefinit 6. R iz >10GΩ >30GΩ La condensatoarele ceramice, marcate în codul culorilor, cu 5 benzi se codifică: coeficientul de temperatură α T prin prima bandă colorată, benzile 2, 3 valoarea, 4 multiplicator, iar 5 - toleranńa (fig. 5.12.a). Aceste condensatoare se mai codifică cu inińiala P (pozitiv) sau N (negativ) a variańiei coeficientului de temperatură α T urmată de valoarea numerică a acestuia (în ppm) aşa cum se indică în tabelul 5.10. 1 2 3 4 5 2 3 4 5
144 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE Fig. 5.12 Explicativă la marcarea condensatoarelor ceramice Tabelul 5.10 Codificarea coeficientului de temperatură şi a toleranńei la condensatoare ceramice Nr. ben zii Culoare Cod Negru NP0 Maro N033 Roşu N075 Portocaliu N150 Galben N220 Verde N330 Albas -tru N470 Violet N750 Auriu P100 1 α c [ppm/ 0 C ] 5 ToleranŃa [%] 0-33 -75-150 -220-330 -470-750 +100 20 1 2 5 La condensatoarele marcate în clar coeficientul de temperatură se indică printr-un cod numeric sau cod literar, specific producătorului de componente electronice. b) Condensatoare ceramice multistrat Condensatoarele ceramice multistrat sunt caracterizate printr-o capacitate specifică mare, proprietăńi electrice, mecanice şi climatice bune, ceea ce permite utilizarea lor în majoritatea aplicańiilor în locul celor, cu pelicule plastice styroflex şi mylar. Prezintă următoarele avantaje: formă paralelipipedică cu volum şi dimensiuni reduse; inductanńă foarte mică; posibilitatea de realizare de condensatoare "cip" (fără terminale). Singurul dezavantaj îl constituie preńul de cost, care este mai mare decât la condensatoarele cu dielectric plastic. Dielectricul utilizat poate fi împărńit în două categorii, la fel ca la condensatoarele monostrat: dielectricul de tip I - material ceramic tip NPO, CG şi COG se caracterizează printr-o bună stabilitate cu temperatura, pierderi mici, capacitate specifică medie; dielectricul de tip II - având la bază materialele ceramice X7R, 2C1, Z5U, 2F4 (indicative de cod pentru materiale ceramice) se caracterizează printr-o capacitate specifică mare, pierderi ceva mai mari şi o stabilitate cu temperatura mică ( C C=± 20%... 55% ). Tehnologia de realizare a condensatoare ceramice multistrat este asemănătoare parńial cu cea de la condensatoare ceramice monostrat, dar în acest caz se realizează două tipuri de armături: armături stânga (impare) şi dreapta (pare), care prin suprapunere (sandwich) formează un monobloc paralelipipedic -" bara" (fig.5.13). Această bară conńine un număr mare de "cipuri" (condensatoare) din care în urma debitării se obńin ansamblurile la care se conectează în paralel armăturile (prin scurtcircuitare) pare pe o parte şi cele impare pe cealaltă parte. Scurcircuitarea se realizează cu ajutorul unei pelicule metalice (pastă de PdAg şi tratare termică). Urmează testarea şi sortarea automată a condensatoarelor. Se obńin condensatoare cip (neîncapsulate) pentru anumite utilizări, iar la cealaltă variantă constructivă se conectează terminale şi se încapsulează.
CONDENSATOARE 145 Utilizări specifice au condensatoarele ceramice multistrat neîncapsulate (neprotejate şi fără terminale) în: circuitele integrate hibride, circuite electronice realizate în tehnologia SMD, electronica auto, tehnica medicală precum şi în alte microcircuite. Dielectric Cip multistrat Armătura stângă Armătura dreaptă Fig. 5.13 Condensatoare ceramice multistrat Condensatoarele ceramice multistrat încapsulate (cu terminale) se pot folosi în aceleaşi aplicańii ca şi condensatoarele ceramice monostrat (cuplare între etaje, decuplare, etc.). Parametrii caracteristici principali ai condensatoarelor ceramice multistrat uzuale sunt indicańi în tabelul 5.11. Tabelul 5.11 Caracteristici ale condensatoarelor ceramice multistrat Tipul cond. C n t[%] V n [V] R iz [Ω] tgδ α c [ppm/ 0 C] Tip I 3,3pF... 27nF ±1... ±20 25...200 >10.10 9 < 15.10-4 ±30 Tip II 100pF... 1µF ±5... ±20 50...200 >4.10-9 pt. C n <25nF R iz C n >100s pt. C n <25nF c) Condensatoare ceramice speciale. Condensatoare de trecere <300.10-4 C C <±20% Condensatoare de trecere fac parte din categoria condensatoarelor ceramice cu utilizări speciale, care trebuie să prezinte o reactanńă capacitivă foarte mică la frecvenńa de lucru a unui circuit electronic, ecranat fańă de circuitele din vecinătate (să reprezinte un scurtcircuit la frecvenńa de lucru). Aceste condensatoare se introduc pe circuitul de alimentare al unor circuite electronice de înaltă frecvenńă (VHF şi UHF) pentru reducerea semnalelor perturbatoare la frecvenńa de lucru care s-ar putea transmite pe circuitul de tensiune continuă. Condensatoarele de trecere sunt realizate asemănător cu condensatoarele ceramice - varianta tubular. Armătura exterioară corespunde zonei metalizate de la suprafańa exterioară a tubului ceramic. Pe interior se plasează armătura interioară prin care se asigură trecerea curentului continuu de la un capăt la celălalt al condensatorului.
146 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE Armătura exterioară este cea care se fixează prin cositorire sau cu şurub şi piulińă la masa electrică a circuitului electronic. Armătura interioară este conectată electric la conductorul filiform sau cu un ochi circular la capăt străbate tubul ceramic dintr-o parte în cealaltă (fig.5.13.). Având în vedere rolul acestor condensatoare, dielectricul folosit este, în general de tip II, care permite obńinerea unei capacităńi specifice mari. Parametrii caracteristici - Capacitatea nominală C n, uzual 2,5pF.10nF; - Tensiunea nominală V n :ca la condensatoarele ceramice, dar uzual: 250V, 350V; - Tangenta unghiului de pierderi: tgδ<10-3 ; - RezistenŃa de izolańie R iz >10.000 MΩ. Forma tipică a unui condensator de trecere se prezintă în figura 5.14. Armătura exterioară Armătura interioară i Traseu de curent Parte de lipire la masă Dielectric ceramic Fig.5.14 ConstrucŃia unui condensator de trecere 5.4.4. Condensatoare cu mică Condensatoarele cu mică folosesc drept dielectric mica, care este unul dintre cele mai bune materiale dielectrice. Mica este un silicat de aluminiu care conńine în afară de SiO 2 şi Al 2 O 3 şi oxizi ai altor metale şi grupe hidroxid. Prin aplicańiile lor, cele mai importante tipuri de mică sunt mica muscovit şi mica flogopit. Mica muscovit are proprietăńi mai bune pentru dielectrici de condensator fańă de mica flogopit. Mica muscovit (k[si 3 Al 3 O 10 ](OH) 2 ) are o structură cristalină şi se caracterizează prin: ε r =6,5 7, stabilitate mare a permitivităńii cu temperatură, rezistenńă de izolańie ridicată, rigiditate dielectrică mare. Mica prezintă şi dezavantaje, deoarece clivează uşor în folii de 25...100µm şi prin metalizare i se reduc în timp proprietăńile electrice, datorită migrării ionilor metalici. Condensatoarele cu mică se realizează în varianta plană, cu unul sau mai multe straturi, asemănător cu condensatoarele ceramice monostrat sau multistrat. Se folosesc folii de mică argintate între care se elimină interstińiile prin presare. Altă variantă constructivă foloseşte armături metalice care, în acest caz, sunt din folii de staniu, cupru electrolitic sau aluminiu, dispuse alternativ între straturile de dielectric (varianta multistrat). Deşi, prezintă caracteristici electrice bune, aceste condensatoare datorită preńului de cost mai ridicat sunt tot mai mult înlocuite de condensatoarele ceramice şi de cele cu pelicule plastice. 5.4.5. Condensatoare electrolitice
CONDENSATOARE 147 Condensatoarele electrolitice reprezintă o categorie de condensatoare cu o largă utilizare întro serie mare de circuite electrice şi electronice. Ele diferă fańă de celelalte tipuri de condensatoare (cu hârtie, film plastic, ceramice, etc.) prin dielectric, armături şi prin unele performanńe. Sunt, în general, condensatoare polarizate şi de aceea simbolizarea condensatoarelor electrolitice se face cu indicarea polarităńii (+) sau (-) (la cele polarizate) armăturilor (fig.5.1.b, c). Dielectricul condensatoare electrolitice este format din pelicule de oxizi metalici (Al 2 O 3, Ta 2 O 5, Mb 2 O 5, TiO 2 ), care se depun pe o armătură metalică. Metalul constituie una dintre armături, iar cealaltă armătură în contact cu dielectricul este un electrolit, de unde provine şi denumirea acestor condensatoare. Cei mai utilizańi dielectrici sunt: oxidul de aluminiu (Al 2 O 3 ) şi de tantal (Ta 2 O 5 ), care se caracterizează prin proprietăńi dielectrice bune: - permitivitate dielectrică relativă ε r mare: Al 2 O 3 cu ε r 8 şi Ta 2 O 5, cu ε r 27; - rigiditate dielectrică bună; - posibilitatea tehnologică a obńinerii unor straturi de grosimi mici (sub 1µm) Aceste caracteristici permit obńinerea unor capacităńi specifice foarte mari (de ordinul sutelor de µf/cm 3 ). Tensiunile nominale nu depăşesc 450...500V, domeniu până la care condensatoarele electrolitice nu au concurenńă în ceea ce priveşte capacitatea specifică. Peliculele de material dielectric îşi menńin proprietăńile numai la polarizarea directă a joncńiunii metal-oxid (plusul sursei aplicat pe metal - armătura anod). La inversarea polarităńii are loc un proces electrochimic de oxidare a catodului, proces însońit de încălzirea condensatorului. Se pot realiza şi condensatoare electrolitice nepolarizate, dar cele polarizate sunt mai răspândite. Armătura anod (electrodul pozitiv (+)) este realizat dintr-o folie de aluminiu - folia anod, respectiv din folii sau din pulbere de tantal. Dielectricul constă din pelicula de oxid care se formează prin oxidarea armăturii anodice. Pentru mărirea capacităńii specifice, anodul de aluminiu înainte de oxidare se supune unei operańii de asperizare (mărirea suprafeńei armăturii), iar tantalul sub formă de pulbere este supus unui proces de sinterizare. Electrolitul are rolul celei de a doua armături, acesta poate fi: lichid, lichid impregnat într-un material poros, sau solid (strat semiconductor). După felul electrolitului utilizat, condensatoarele electrolitice se împart în: umede, semiuscate şi cu electrolit solid. Varianta umedă este mai puńin răspândită datorită unor dezavantaje: probleme de etanşare, rezistenńă mare a electrolitului şi dependenńa rezistenńei de temperatură. Varianta semiuscată prezintă avantaje legate de rezistenńa mai mică a electrolitului, lipsa problemelor de etanşare şi pericol mai scăzut de solidificare a electrolitului la temperaturi joase. Această variantă este frecvent utilizată la condensatoarele electrolitice cu aluminiu, iar cea cu electrolit solid la cele cu tantal. Armătura catod (electrodul negativ (-)) la varianta semiuscată este formată de electrolitul îmbibat într-un strat de hârtie poroasă în contact cu a doua folie de aluminiu - folia catod. Durata de viańă a condensatoarelor electrolitice depinde de menńinerea caracteristicilor electrice a dielectricului şi a electrolitului. La aceste condensatoare producătorul trebuie să marcheze şi anul fabricańiei. Stocarea fără tensiune a condensatoarelor electrolitice, mai ales la temperaturi ridicate le afectează calitatea. La condensatoarele cu oxid de aluminiu neutilizate electrolitul atacă în timp stratul de oxid. Păstrarea îndelungată (1-2 ani) face să crească mult curentul rezidual, dar după aplicarea tensiunii aceasta scade în decurs de câteva minute (fenomen de reformatare). La condensatoarele cu oxid de tantal temperatura ridicată favorizează formarea unui strat de oxid de tantal cristalin între anod (tantal) şi dielectric (oxid de tantal amorf). Sub influenńa
148 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE temperaturii, are loc creşterea cristalelor de oxid, care străpung stratul amorf de oxid, scońând condensatorul din funcńie. În general, condensatoarele pot fi Ńinute cel puńin un an, fără tensiune fără a se modifica fiabilitatea, dacă se respectă condińiile de depozitare. Clasificări ale condensatoarelor electrolitice se poate face după următoarele criterii: a) În funcńie de tensiunea nominală, V n : - de joasă tensiune, V n <100V; - de înaltă tensiune, V n >100V; b) În funcńie de construcńie: - de tensiune continuă (polarizate); - de tensiune alternativă (nepolarizate); c) În funcńie de cerinńele de utilizare: - de uz general; - de uz industrial (îndelungat "long life"); d) În funcńie de execuńia mecanică - construcńie în tub metalic; - construcńie în tub de plastic; - variantă miniatură, normală şi varianta de mare capacitate. Parametrii caracteristici Capacitatea nominală [C n ] se caracterizează printr-o gamă largă de valori C n =0,5 22.000µF şi tensiuni nominale până la 500 V. Această mărime [C n ] reprezintă valoarea capacităńi măsurată în următoarele condińii: tensiunea de măsură: < 0,5V; frecvenńa: 100Hz şi temperatura: 20 0 C. Capacitatea nominală prezintă uşoare variańii cu temperatura şi frecvenńa. Curbele tipice de variańie ale capacităńii cu temperatura şi frecvenńa se prezintă în cataloagele producătorilor [14], [20]. Domeniul de temperatură este limitat, datorită modificării caracteristicilor electrolitului, situându-se între 25 +70 0 C la condensatoarele de uz general şi 40 +85 0 C la variantele pentru uz industrial. ToleranŃele capacităńii nominale sunt, în general nesimetrice, cuprinse între limitele: 10%...+100%; 20%...+50%; 10%...+5%. Tensiunea nominală V n corespunde tensiunii indicate pe corpul condensatorului, (tensiune continuă) care se poate aplica în limitele domeniului temperaturilor de lucru. În cazul suprapunerii unei tensiunii alternative trebuie ca suma dintre tensiunea continuă şi valoarea de vârf a tensiunii alternative să nu depăşească tensiunea nominală. Tangenta unghiului de pierderi tgδ este mare, ea situându-se între 0,1...0,4, şi depinde atât de temperatură cât şi de frecvenńă. În locul tgδ, la aceste condensatoare se indică valoarea maxim admisibilă a curentului alternativ prin condensator (limitarea prin tensiunea de funcńionare sau prin frecvenńă-fig.5.6). Curentul de fugă I f (de conducńie) reprezintă curentul prin condensator, când la bornele condensatorului se aplică o tensiune continuă de o anumită valoare. Curentul de fugă este proporńional cu produsul C n. V n, depinzând de tehnologie şi de temperatură, deoarece oxidul metalic folosit ca dielectric este semiconductor. DependenŃa curentului de fugă de capacitate se exprimă prin relańia: I f = K Cn Vn + I 0 (5.19)
CONDENSATOARE 149 unde, K este o constantă care depinde de schema de măsurare, iar I 0 reprezintă curentul rezidual. - pentru condensatoarele "long life": I = 0, 01 C V ; f n n - pentru condensatoarele de uz general: I = 0, 05 C V ; f n n VariaŃia curentului de fugă cu temperatura, tensiunea şi frecvenńa se indică, de obicei, sub formă grafică [14], [22]. Schema echivalentă pentru condensatoarele electrolitice polarizate este prezentată în figura 5.15. (+) D C S R s L (-) R iz Fig. 5.15. Schema echivalentă a condensatorului electrolitic Elementele schemei echivalente corespund din punct de vedere funcńional cu: C s - capacitatea echivalentă serie; cuprinde capacitatea anod - catod; R iz rezistenńa de izolańie a condensatorului (a dielectricului); R s rezistenńa echivalentă serie, care include rezistenńele: terminalelor, contactelor, armăturilor, dielectricului şi electrolitului; L inductanńa echivalentă; D diodă, ce simbolizează comportarea unidirecńională a dielectricului; rezistenńa de izolańie a dielectricului se anulează, dacă se inversează polaritatea tensiunii aplicate. a) Condensatoare electrolitice cu aluminiu se caracterizează printr-o gamă largă de valori, atingând cele mai mari valori care se realizează în practică (până la zeci de mii de µf). Aceste condensatoare sunt obńinute prin bobinare cu o tehnologie de fabricańie asemănătoare cu cea a condensatoarelor cu hârtie. Varianta semiuscată este cea mai răspândită. Procesul tehnologic al condensatoarelor electrolitice cu oxid de aluminiu, de tip semiuscat, cuprinde următoarele faze principale: pregătirea foliilor de aluminiu pentru armături; folia anod cu grosime de 20 120µm se asperizează mecanic şi chimic pentru creşterea suprafeńei efective de (1,5...20) ori mai mare decât suprafańa lor geometrică; oxidarea foliei anodice; fixarea terminalelor de folii prin sudură prin termocompresie sau cu ajutorul ultrasunetelor; bobinarea condensatorului, care se efectuează cu: armătura anod asperizată împreună cu două folii de hârtie (de grosime până la 100µm), care constituie suportul în care se va impregna electrolitul şi folia catodică din aluminiu pur (neasperizat) pentru asigurarea contactului electric cu electrolitul (fig. 5.16); impregnarea straturilor de hârtie cu electrolit (acid boric, etilen glicol, hidrat de amoniu); încapsularea în carcase metalice (de aluminiu cu capac de textolit) sau din material plastic; (de formă cilindrică);
150 COMPONENTE ELECTRONICE PASIVE formarea finală pentru refacerea stratului de oxid care s-a distrus în procesul de bobinaj şi de încapsulare. OperaŃia constă din aplicarea unei tensiuni continue crescătoare timp de (4...48) ore până când tensiunea atinge 1,41 V n. În figura 5.16 se indică o secńiune prin armăturile unui asemenea condensator (în partea stângă) între care se găseşte hârtia impregnată cu electrolit şi forma ansamblului după bobinarea armăturilor (în partea dreaptă). Armătura (+) Folie de aluminiu Al 2 O 3 Armătura (-) - hârtie îmbibată în electrolit Electrod (-) - carcasa Fig. 5.16 Structura unui condensator electrolitic (varianta semiuscat); secńiune prin armături (partea stângă); condensatorul bobinat (partea dreaptă) Marcarea condensatoarelor electrolitice cu aluminiu se face în clar, incluzând următoarele: varianta constructivă (cod al producătorului); capacitatea nominală; tensiunea nominală; marcaj pentru identificarea terminalului negativ (-) sau pozitiv. De exemplu: EG 52.62 470/25 (condensator de producńie I.C.E.P. Curtea de Argeş) EG condensator electrolitic miniatură; 52 familia tehnologică; 62 codificarea capsulei; 470 capacitatea nominală în µf; 25 tensiunea nominală în V; Carcasa din aluminiu a condensatorului electrolitic polarizat se conectează la catod (-). b) Condensatoare electrolitice cu tantal ProprietăŃile electrice şi mecanice mai bune ale oxidului de tantal, comparativ cu oxidul de aluminiu, permite obńinerea unor condensatoare cu o capacitate specifică mai mare, fańă de condensatoarele electrolitice cu aluminiu. Se pot diferenńia trei grupe de condensatoare cu tantal: - cu folie de tantal (semiuscate); - cu corp de tantal sinterizat cu electrolit lichid sau pastă; - cu corp de tantal sinterizat cu electrolit solid (uscate). Condensatoare electrolitice cu tantal semiuscate au o construcńie asemănătoare cu a celor semiuscate cu aluminiu, însă acestea sunt mai rar folosite, fiind înlocuite cu condensatoarele cu anod din tantal sinterizat. Un condensator cu anod din tantal sinterizat este format din: