1Componente i circuite pasive - CCP

Cursul 10

2Cuprins

CondensatoareScurt istoric

Proprieti electrice

Clasificri

Parametri

Marcare

Codificare

Alegerea tipului de condensator

3Adrese web cu informaii pentru curs

http://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor#Hydraulic_model

http://www.interq.or.jp/japan/se-inoue/e_capa.htm

http://www.illinoiscapacitor.com/

http://www.americancapacitor.com/

http://www.uoguelph.ca/~antoon/gadgets/caps/caps.html

http://www.williamson-labs.com/

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/varcapacitor/

http://www.capacitorindustries.com/

http://www.tpub.com/neets/book2/index.htm

4Condensatorul istoric i tendine

1745 primul condensator Pieter van Messchenbroek Universitatea din Lyden cunoscut sub denumirea de borcanul Lyden

(Lyden jar).

Tendinele evoluei:

Creterea capacitilor specifice

Scderea dimensiunilor

Creterea tensiunilor la care pot fi supuse

5Capacitatea dependent de geometria

condensatorului

d

A

- - - - -

+ + + +

Armturi paralele

d

AC o

a

bL

r

+Q

-Q

Armturi cilindrice

a

b

LC o

ln

2

a

b

+Q

-Q

Armturi sferice

ab

abC o

4

08,85419 pF/m

6Influena dielectricului

Un rol important n comportarea condensatorului l joac materialul izolator (dielectricul) aflat ntre armturile metalice.

Prin permitivitatea sa relativ r mrete capacitatea condensatorului:

Prin cmpul electric la care apare strpungerea sa (rigiditate electric) se limitez superior tensiunea ce poate fi aplicat condensatorului.

d

ACCC r 000;

7Permitivitatea- mrime complex dependent

de frecven

Partea real caracterizeaz acumularea de energie n condensator;

Partea imaginar caracterizeaz disiparea de energie n condensator;

Raportul lor este tangenta unghiului de pierderi;

log(/0)

*=+i

'

")(

tg

'

0d

'

0

8Proprietile dielectricilor

9Condensatorul schema electric echivalent

CRj1

RLjRZ

p

ppsC

Cj

1LjRZ psC

10

Condensatorul -

caracteristica de

frecven

10%

10%

zona capacitiv

sR

psp RRR

CL

1

p

0 03,0 CR

2

p

L

C

1

CZ

11

Condensatoare n paralel

Uneori n circuitele electronice apar conectate n paralel un conensator de valoare mare cu unul de valoare foarte mic.

n acest situaie condensatorul cu capacitatea mic are rolul de a compensa componenta inductiv a condensatorului de valoare mare.

+

C1 C2

10 10 n

C1 C2

1010

L1 L2

12

Modulele impedanelor condensatoarelor

13

Modificarea modulului impedanei echivalente

la nalt frecven

14

Clasificri criteriul constructiv

Discrete Fixe

Variabile

Embedded (incluse n structur) La nivelul plachetei

La nivelul substratului ceramic (module multicip MCM)

La nivelul circuitelor integrate

15

Condensatoare discrete - clasificare

Fixe Nepolarizate

Polarizate

Variabile Cu dielectric aer

Trimeri

16

Parametrii condensatoarelor fixe

Parametri inscripionai n majoritatea situaiilor

Capacitatea nominal

Tolerana valorii nominale

Tensiunea nominal

Parametri ce caracterizeaz neidealitatea condensatoarelor

Rezistena de pierderi

Tangenta unghiului de pierderi

Parametri ce caracterizeaz influena mediului

Coeficientul de temperatur

Parametri de performan

Intervalul temperaturilor de lucru

Capacitatea specific

Domeniul frecvenelor de lucru

17

Capacitatea nominal i tolerana ei

Pentru condensatoarele cu valori sub 1F acest parametru respect seriile de valori normalizate E6, E12, E24, ... cu toleranele corespunztoare.

Obinerea condensatoarelor cu tolerane mici este mult mai dificil dect n cazul rezistoarelor.

Pentru condensatoarele de valori mari (electrolitice n special) se ntlnesc urmtoarele valori normalizate: 1, 2, 3, 4, 5, 8, 16, 25, 32, 64. Tolerana lor se gsete n limite mult mai largi: t[-40%; +100%]

18

Tensiunea nominal Vn

Reprezint tensiunea continu maxim (sau valoarea maxim a valorii efective a unei tensiuni alternative) ce poate fi aplicat la terminalele condensatorului n regim de funcionare ndelungat la limita superioar a temperaturilor de lucru.

Depirea valorii acestui parametru aduce condensatorul n situaii de risc de strpungere a dielectricului.

Valoarea acestui parametru este aleas cu un coeficient de siguran k[1,5; 3] mai mic dect o tensiune de ncercare (apropiat de tensiunea de strpungere) la care este supus condensatorul. Coeficientul de siguran acoper fenomenele de mbtrnire ce pot s se manifeste n cazul unor dielectrici.

19

Tensiunea nominal Vn

Valorile acestui parametru sunt realizate ntr-o serie de valori standardizate: 6, 12, 16, 25, 63, 70, 100,

125, 250, 350, 450, 500, 630, 1000 voli.

Pentru unele condensatoare electrolitice acest parametru este inscripionat pe corpul lor.

Pentru celelalte tipuri de condensatoare se poate deduce din gabaritul condensatorului.

20

Rezistena de izolaie - Riz

Caracterizeaz imperfeciunea proprietilor de izolator a dielectricului utilizat.

Se definete ca raport ntre tensiunea continuu aplicat condensatorului i curentul continuu care l strbate.

Valori tipice: 104M pentru condensatoare ceramice, 102-105 pentru condensatoare cu film plastic.

21

Rezistena de izolaie parametri echivaleni

Parametrul, rezisten de izolaie, poate fi dedus din ali doi parametri ce pot fi specificai pentru condensatoare (mai ales pentru cele de valori

mari (electrolitice):

Constanta de timp specific:

Curentul de fug (cc):

izn RC

iz

nf

R

VI

22

Tangenta unghiului de pierderi

Reprezint raportul dintre puterea activ ce se disip n condensator i putere reactiv a acestuia atunci cnd la bornele sale se aplic o tensiune sinusoidal:

Parametrul are i semnificaia raportului dintre curenii care se nchid prin rezistena de izolaie i prin capacitatea nominal atunci cnd se aplic o tensiune sinusoidal:

iznn

iz

r

a

RCVC

R

V

P

Ptg

1

2

2)(

2

2

iznCn

Riz

RCI

Itg

1)(

23

Tangenta unghiului de pierderi

tg() este dependent de pulsaie, de aceea ea se indic n catalog la pulsaia la care a fost msurat i capacitatea condensatorului.

Pentru un condensator ideal acest parametru este nul. n cazul condensatoarelor reale este de dorit ca el s fie ct mai mic.

n funcie de tehnologia de realizare a condensatorului acest parametru poate fi ntre 10-5 (condensatoare ceramice sau cu mic) i 0,25 (cele electrolitice).

n cataloage poate fi indicat i un parametru echivalent, factorul de calitate, reprezentnd inversul tangentei unghiului de pierderi:

iznRCtg

Q

)(

1

24

Coeficientul de temperatur

Apare inscripionat n cazul unor condensatoare. n funcie de acest parametru condensatoarele se mpart n diferite clase.

Parametrul este definit astfel:

Pentru majoritatea condensatoarelor acest parametru poate fi considerat constant numai pentru un interval limitat

de temperaturi.

n cataloage el poate fi exprimat n pari pe milion pe grad Celsius:

dT

dC

CC

1

C][ppm/1 o

0

0

0 TT

CC

CC

25

Parametri de performan

Intervalul temperaturilor de lucru difer mult de la o tehnologie la alta: -10oC +70oC pentru condensatoarele cu hrtie, -40oC +125oC pentru cele electrolitice cu tantal.

Domeniul frecvenelor de lucru este limitat de comportarea dielectriculu i de comportarea inductiv. n cazul condensatoarelor ceramice domeniul se extinde pn la ordinul GHz, iar la cele electrolitice doar pn la zeci de KHz.

Capacitatea specific caracterizeaz performanele tehnologiei, fiind definit ca raportul dintre capacitatea nominal i volumul condensatorului.

26

Marcarea condensatoarelor

Marcarea se refer la modul n care este codificat informaia inscripionat pe condensatoare.

Marcare n cod de litere i cifre

Marcare n codul culorilor

Marcarea este mult mai diversificat dect la rezistoare. Informaia transpus pe condensator difer foarte mult de la un tip tehnologic la altul.

27

Marcarea n cod de litere i cifre

Pe unele condensatoare valoarea nominal i tensiunea nominal pot fi inscripionate n clar iar pentru toleran se adug literele standardizate (prezentate i pentru rezistoare).

B0,1%; C0,25%; D0,5%; F1%;G2%; H2,5%; J5%; K10%; M20%

28

Marcarea n cod de litere i cifre

Un alt cod ce poate fi ntlnit este cel de 3 cifre i o liter. Primele dou cifre reprezit digiii valorii nominale, a doua multiplicatorul fa de 1 pF, iar litera tolerana.

474J Valoare 47, multiplicator 104,

toleran 5%=470nF, toleran 5%

29

Marcarea n codul culorilor

Se pot ntlni inscripionri diferite: Cu trei culori numai valoarea capacitii nominale

Cu patru culori

Cu cinci culori - pot avea semnifcaii diferite de la un tip la altul de condensator

La unele condensatoare ceramice coeficientul de temperatur poate fi indicat de culoarea corpului.

Se recomand consultarea tabelelor de echivalen pentru fiecare tip de condensator.

30

Exemplificare

pentru

condensatoare

ceramice

31

Exemplificare

pentru

condensatoare

cu hrtie i mic

32

Exemplificare

pentru

condensatoare

cu mic

33

Exerciii identificai tipul i parametrii

urmtoarelor condensatoare

34

Codificarea condensatoarelor

Codurile de catalog (romneti) conin n general informaii structurate pe patru cmpuri:

Cmpul I tipul constructiv sugerat de un cod literal;

Cmpul II familia tehnologic i capsula utilizat (cod de cifre);

Cmpul III valoarea capacitii nominale;

Cmpul IV valoarea tensiunii nominale; Exemple:

MZ 32.02 10n/25 condensator ceramic multistrat tip II, 10 nF, 25V;

CTS-P 10.96 10/50 - condensator electrolitic cu tantal, 10F, 50V.

35

Alegerea tipului de condensator

n funcie de cerinele aplicaiei n care se utilizeaz condensatoarele ele se aleg din diferite familii

tehnologice.

Domeniul frecvenelor n care se utilizezez capacitatea stabilete n primul rnd tipul tehnologic la care se poate apela.

O caracterizare succint a principalelor tipuri tehnologice poate fi un reper n selectarea condensatoarelor.

36

Alegerea tipului de condensator

d

AC 0 r

010

110

210

310

410 510 610 710 810 910 f

electrolitice cu Al

electrolitice cu Ta

cu hrtie cu hrtie metalizat

ceramice K mare

mic, ceramice cu pierdere mic

polistiren

37

Condensatoare ceramice tip I

Proprieti: Dielectricul o ceramic pe baz de silicai de magneziu cu r[5-

200];

Stabilitate la variaia temperaturii;

Parametri: Tolerane mici i foarte mici;

Cn [0,8 pF-27 nF]; Riz>10 G; tg()

38

Condensatoare ceramice tip II

Proprieti:

Dielectricul o ceramic cu permitivitate electric foarte mare, r pna la 15000;

Capacitile specifice cele mai mari n domeniul pF i nF;

Parametri:

Tolerane medii;

Cn [33pF-100nF]; Riz>3G; tg()

39

Condensatoare cu film plastic - cu polistiren

(stiroflex) sau cu myler

Proprieti:

Dielectricul este folia de film plastic pe care se depun armturile sub forma unei pelicule de Al.;

Folia se ruleaz rezultnd astfel capaciti specifice mai mari (myler), dar i inductiviti parazite;

Parametri:

Tolerane medii;

Cn [47 pF-6,8 F]; tg() mic la cele cu stiroflex i mare i dependent de temperatur la cele cu myler;

Coeficieni de temperatur mici la cele cu stiroflex;

Aplicaii: n echipamente de uz general, la decuplri i filtrri, au limitat domeniul de frecven datorit componentei inductive.

40

Condensatoare cu hrtie

Proprieti: Dielectricul o hrtie special, numit hrtie de

condensator, pe care se depun armturile;

Hrtia chiar dac este special i poate modifica foarte mult proprietile (rigiditatea electric) datorit umiditii;

Parametri: Tolerane mari (20%);

Cn [10 nF-20 F]; tg() mare i puternic dependent de temperatur;

Capacitate specific mic, deci gabarit mare;

Instabile cu temperatura i umiditatea;

Aplicaii: n circuite de putere, decuplri, pornirea motoarelor, n aplicaii unde sunt necesare capaciti mari i nu pot fi utilizate condensatoare electrolitice, numai la joas frecven.

41

Condensatoare cu mic

Proprieti:

Dielectricul este mica iar armturile sunt folii de staniu, cupru electrolitic sau aluminiu;

Datorit tehnologiei au pre ridicat;

Parametri:

Tolerane medii;

Cn [1 pF-100 nF]; tg()

42

Condensatoare electrolitice cu aluminiu

Tehnologie:

Dielectricul se obine prin oxidarea suprafeei armturii din aluminiu;

O armtur o constituie folia de aluminiu, iar cealalt o soluie conductoare numit electrolit;

Electrolitul poate fi impregnat ntr-un substrat (hrtie),

obinndu-se condensatoare uscate sau semiuscate;

43

Condensatoare electrolitice cu aluminiu

Proprieti: Grosimea mic a stratului de oxid, limiteaz drastic valoarea tensiunii la

care poate fi supus condensatorul;

Capaciti specifice mari se obin prin mrirea suprafeei armturii prin asperizare;

Posibilitile limitate de control a suprafeei armturii i a grosimii dielectricului determin realizarea capacitilor cu tolerane foarte mari;

Parametri: Tolerane mari [-20% +100%] pentru cele miniatur i [-20% +50%]

pentru cele de mare capacitate ;

Cn [1 F-200 F] miniatur, Cn [100 F-10 mF] mare capacitate;

Tensiuni nominale pn la 350 V (miniatur) i 450 V (mare capacitate);

Elemente parazite mari;

Aplicaii: n circuite industriale, numai la joas frecven

44

Condensatoare electrolitice cu tantal

Proprieti: Proprietile mecanice superioare ale tantalului permit folosirea unor folii

cu grosime mai mic;

Permitivitatea relativ a oxidului de Ta este dubl fa de oxidul de Al;

Parametri: Tolerane mari [-20% +30%] pentru cele pictur i [-20% +20%] pentru

cele profesionale ;

Cn [0,1 F-680 F] pictur, Cn [100 F-330 F] profesionale;

Tensiuni nominale pn la 50 V (pictur) i 63 V (profesionale);

tg() mai mic dect la cele cu Al;

Elemente parazite mai mici dect cele cu Al.

Aplicaii: n circuite industriale, pn la frecvena de 10 KHz.

45

Condensatoare electrolitice nepolarizate

Proprieti: Se realizeaz tot pe baz de tantal, constructiv fiind dou condensatoare

cu tantal nseriate la care dielectricul este armtura comun;

Prin nseriere capacitatea specific se micoreaz;

Parametri: Tolerane [-20% +20%]

Cn [4,7 F-150 F];

Tensiuni nominale pn la 10V;

tg() este mic;

Aplicaii: n circuite unde sunt necesare capaciti mari i nu pot fi utilizate condensatoare polarizate i nici cele cu hrtie, nu pot fi utilizate la tensiuni mari i nici peste 20 KHz.

+ +

armtur metalic (Ta)armtur metalic (Ta)

electrolit

46

Utilizarea condensatoarelor electrolitice

Semnul plus arat c armtura respectiv trebuie conectat n circuit totdeauna la un potenial mai mare dect cealalt.

Pe condensator se gsete marcat fie borna pozitiv, fie borna negativ. Dac lipsete marcajul, atunci carcasa este conectat la borna negativ.

Dac nu se respect condiia vC>0 condensatorul se poate distruge prin nclzire excesiv.

+

VC

VC

VC

VC

>0

electrolitoxidmetal

47

Problem

Pe un condesator sunt inscripionai parametrii: 1 F i 63 V. Din foaia de catalog se extrag parametrii: tg=0.001, determinat la frecvna reelei, i T= 0.002 [1/

oC].

Poate fi conectat condensatorul direct la reeaua electric de alimentare dac temperatura mediului este 50 oC (argumentai rspunsul)?

Ct este modulul impedanei condensatorului dac la bornele lui se aplic tensiunea vI=5 +20 sin(100t) [V]?

Condensatorul se conecteaz n serie cu o rezisten de 10 K. Cum arat forma de und a tensiunii de la bornele condensatorului dup 10 ms de la conectarea sursei anterioare la bornele circuitului serie?

48

Problem

Pentru condesatorul din circuitul urmtor se citesc din foaia de catalog parametrii:

Domeniul de temperatur -40 oC ~ +85 oC

Tolerana20%

Capacitatea nominal1 F

Tangenta unghiului de pierderi 0,02 la 1KHz i 25 oC

Tensiunea nominal 250 VDC s se calculeze rezistena de

izolaie a condesatorului

s se deseneze circuitul echivalent

s se reprezinte modulul funciei

de transfer vo/vi.

CRvi vo

1K