Referat prezentat de : Dombici Serban

1

Condensatorul – istoric şi tendinţe

1745 primul condensator – 1745 primul condensator – Pieter van Messchenbroek – Pieter van Messchenbroek – Universitatea din Lyden – Universitatea din Lyden – cunoscut sub denumirea de cunoscut sub denumirea de borcanul Lyden (Lyden jar). borcanul Lyden (Lyden jar).

Tendinţele evoluţei:Tendinţele evoluţei:Creşterea capacităţilor specificeCreşterea capacităţilor specificeScăderea dimensiunilorScăderea dimensiunilorCreşterea tensiunilor la care pot Creşterea tensiunilor la care pot

fi supusefi supuse

2

Capacitatea dependentă de geometria condensatorului

3

d

A

- - - - -

+ + + +

Armături paralele

d

AC o

a

b L

r

+Q

-Q

Armături cilindrice

abL

C o

ln

2

a

b

+Q-Q

Armături sferice

ab

abC o 4

pF/m

Influenţa dielectricului Un rol important în comportarea condensatorului îl

joacă materialul izolator (dielectricul) aflat între armăturile metalice.

Prin permitivitatea sa relativă r măreşte capacitatea condensatorului:

Prin câmpul electric la care apare străpungerea sa (rigiditate electrică) se limiteză superior tensiunea ce poate fi aplicată condensatorului.

4

d

ACCC r 000;

Permitivitatea- mărime complexă dependentă de frecvenţă

Partea reală caracterizează acumularea de energie în condensator;

Partea imaginară caracterizează disiparea de energie în condensator;

Raportul lor este tangenta unghiului de pierderi;

5

log(/0)

*=’+i ’’

'

")( tg

'0d

'0

Condensatorul – schema electrică echivalentă

6

CRj1

RLjRZ

p

ppsC

Cj

1LjRZ psC

Condensatorul - caracteristica de frecvenţă

7

10%

10%

zona capacitivã

sR

psp RRR

CL

1

p0 03,0 CR

2

p

L

C

1

CZ

Echivalenţa circuit paralel – circuit serie

În unele situaţii este util să transformăm circuitul RC echivalent paralel într-un circuit serie echivalent.

8

Condensatoare în paralel

Uneori în circuitele electronice apar conectate în paralele un conensator de valoare mare cu unul de valoare foarte mică.

În acestă situaţie condensatorul cu capacitatea mică are rolul de a compensa componenta inductivă a condensatorului de valoare mare.

9

+

C 1 C 2

10 10 n

C 1 C 2

1010

L1 L2 <L1

n

Clasificări – criteriul constructiv

DiscreteFixeVariabile

Embedded (incluse în structură)La nivelul placheteiLa nivelul substratului ceramic (module multicip – MCM)La nivelul circuitelor integrate

10

Condensatoare discrete - clasificare

FixeNepolarizate

Polarizate

VariabileCu dielectric aer

Trimeri

11

Parametrii condensatoarelor fixe Parametri inscripţionaţi în majoritatea situaţiilorCapacitatea nominalăToleranţa valorii nominaleTensiunea nominală

Parametri ce caracterizează neidealitatea condensatoarelorRezistenţa de pierderiTangenta unghiului de pierderi

Parametri ce caracterizează influenţa mediuluiCoeficientul de temperatură

Parametri de performanţăIntervalul temperaturilor de lucruCapacitatea specificăDomeniul frecvenţelor de lucru

12

Capacitatea nominală şi toleranţa ei

Pentru condensatoarele cu valori sub 1F acest parametru respectă seriile de valori normalizate E6, E12, E24, ... cu toleranţele corespunzătoare.

Obţinerea condensatoarelor cu toleranţe mici este mult mai dificilă decât în cazul rezistoarelor.

Pentru condensatoarele de valori mari (electrolitice în special) se întâlnesc următoarele valori normalizate: 1, 2, 3, 4, 5, 8, 16, 25, 32, 64. Toleranţa lor se găseşte în limite mult mai largi: t[-40%; +100%]

13

Tensiunea nominală Vn Reprezintă tensiunea continuă maximă (sau valoarea

maximă a valorii efective a unei tensiuni alternative) ce poate fi aplicată la terminalele condensatorului în regim de funcţionare îndelungată la limita superioară a temperaturilor de lucru.

Depăşirea valorii acestui parametru aduce condensatorul în situaţii de risc de străpungere a dielectricului.

Valoarea acestui parametru este aleasă cu un coeficient de siguranţă k[1,5; 3] mai mică decât o tensiune de încercare (apropiată de tensiunea de străpungere) la care este supus condensatorul. Coeficientul de siguranţă acoperă fenomenele de îmbătrânire ce pot să se manifeste în cazul unor dielectrici.

14

Tensiunea nominală Vn

Valorile acestui parametru sunt realizate într-o serie de valori standardizate: 6, 12, 16, 25, 63, 70, 100, 125, 250, 350, 450, 500, 630, 1000 volţi.

Pentru unele condensatoare electrolitice acest parametru este inscripţionat pe corp.

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

15

Rezistenţa de izolaţie - Riz

Caracterizează imperfecţiunea proprietăţilor de izolator a dielectricului utilizat.

Se defineşte ca raport între tensiunea continuuă aplicată condensatorului şi curentul continuu care îl străbate.

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

16

Rezistenţa de izolaţie – parametri echivalenţi

Parametrul, rezistenţă de izolaţie, poate fi dedus din alţi doi parametri ce pot fi specificaţi pentru condensatoare (mai ales pentru cele de valori mari (electrolitice):

Constanta de timp specifică:

Curentul de fugă (cc):

17

izn RC

iz

nf R

VI

Tangenta unghiului de pierderi Reprezintă raportul dintre puterea activă ce se disipă în

condensator şi putere reactivă a acestuia atunci când la bornele sale se aplică o tensiune sinusoidală:

Parametrul are şi semnificaţia raportului dintre curenţii care se închid prin rezistenţa de izolaţie şi prin capacitatea nominală atunci când se aplică o tensiune sinusoidală:

18

iznn

iz

r

a

RCVC

RV

P

Ptg

1

2

2)( 2

2

iznCn

Riz

RCI

Itg

1

)(

Tangenta unghiului de pierderi

tg() – este dependentă de pulsaţie, de aceea ea se indcă în catalog la pulsaţia la care a fost măsurată şi capacitatea condensatorului.

Pentru un condensator ideal acest parametru este nul. În cazul condensatoarelor reale este de dorit ca el să fie cât mai mic.

În funcţie de tehnologia de realizare a condensatorului acest parametru poate fi între 10-5 (condensatoare ceramice sau cu mică) şi 0,25 (cele electrolitice).

În cataloage poate fi indicat şi un parametru echivalent, factorul de calitate, reprezentând inversul tangentei unghiului de pierderi:

19

iznRCtg

Q

)(

1

Coeficientul de temperatură Apare inscripţionat în cazul unor condensatoare. În funcţie de

acest parametru condensatoarele se împart în diferite clase. Parametrul este definit astfel:

20

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

În cataloage el poate fi exprimat în parţi pe milion pe grad Celsius:

dT

dC

CC 1

C][ppm/1 o

0

0

0 TT

CC

CC

Parametri de performanţă

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

Domeniul frecvenţelor de lucru este limitat de comportarea dielectriculu şi de comportarea inductivă. În cazul condensatoarelor ceramice domeniul se extinde până la ordinul GHz, iar la cele electrolitice până la zeci de KHz.

Capacitatea specifică caracterizează performanţele tehnologiei, fiind definită ca raportul dintre capacitatea nominală şi volumul condensatorului.

21

Marcarea condensatoarelor

Marcarea se referă la modul în care este codificată informaţia inscripţionată pe condensatoare.Marcare în cod de litere şi cifreMarcare în codul culorilor

Marcarea este mult mai diversificată decât la rezistoare. Informaţia transpusă pe condensator diferă foarte mult de la un tip tehnologic la altul.

22

Marcarea în cod de litere şi cifre Pe unele condensatoare valoarea nominală şi tensiunea nominală pot fi

inscripţionate în clar iar pentru toleranţă se adugă literele standardizate (prezentate şi pentru rezistoare).

23

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

Marcarea în cod de litere şi cifre

Un alt cod ce poate fi întâlnit este cel de 3 cifre şi o literă. Primele două cifre reprezită digiţii valorii nominale, a doua multiplicatorul faţă de 1 pF, iar litera toleranţa.

24

474JValoare 47, multiplicator 104, toleranţă 5%=470nF, toleranţă 5%

Marcarea în codul culorilor

Se pot întâlni inscripţionări diferite:Se pot întâlni inscripţionări diferite:Cu trei culori – numai valoarea capacităţii nominaleCu trei culori – numai valoarea capacităţii nominaleCu patru culoriCu patru culoriCu cinci culori - pot avea semnifcaţii diferite de la un tip la Cu cinci culori - pot avea semnifcaţii diferite de la un tip la

altul de condensatoraltul de condensator

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

Se recomandă consultarea tabelelor de echivalenţă Se recomandă consultarea tabelelor de echivalenţă pentru fiecare tip de condensator.pentru fiecare tip de condensator.

25

Exemplificare pentru condensatoare ceramice

26

27

Exemplificare pentru condensatoare cu hârtie şi mică

Exemplificare pentru condensatoare cu mică

28

Exerciţii – identificaţi tipul şi parametrii următoarelor condensatoare

29

Codificarea condensatoarelor

Codurile de catalog (româneşti) conţin în general informaţii structurate pe patru câmpuri:Câmpul I – tipul constructiv sugerat de un cod literal;Câmpul II – familia tehnologică şi capsula utilizată (cod de

cifre);Câmpul III – valoarea capacităţii nominale;Câmpul 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.

30

Alegerea tipului de condensator

În funcţie de cerinţele aplicaţiei în care se utilizează condensatoarele ele se aleg din diferite familii tehnologice.

Domeniul frecvenţelor în care se utilizezeză capacitatea stabileşte în primul rând tipul tehnologic la care se poate apela.

O caracterizare succintă a principalelor tipuri tehnologice poate fi un reper în selectarea condensatoarelor.

31

Alegerea tipului de condensator

32

d

AC 0 rε

010 110 210 310 410 510 610 710 810 910 f

electro litice cu Al

electro litice cu Ta

cu hârtie cu hârtie m etalizatã

ceram ice K m are

m icã, ceram ice cu pierdere m icã

polistiren

Condensatoare ceramice tip I Proprietăţi:Dielectricul o ceramică pe bază de silicaţi de magneziu cu r[5-

200];Stabilitate la variaţia temperaturii;

Parametri:Toleranţe mici şi foarte mici;Cn [0,8pF-27nF]; Riz>10G; tg()<15x10-4;Coeficienţi mici de temperatură şi comportare liniară;

Aplicaţii: în echipamente industriale şi profesionale unde se pune accentul pe stabilitate cu temperatura, se pot utiliza şi în înaltă frecvenţă.

33

Condensatoare ceramice tip II Proprietăţi:Dielectricul o ceramică cu permitiitate electrică foarte mare, r

pâna la 15000;Capacităţile specifice cele mai mari în domeniul pF şi nF;

Parametri:Toleranţe medii;Cn [33pF-100nF]; Riz>3G; tg()<0,035;Coeficienţi de temperatură nedefiniţi;Tensiuni nominale mari;

Aplicaţii: în echipamente industriale şi profesionale unde se pune accentul pe miniaturizare, la decuplări şi filtrări, se utilizează la înaltă tensiune, nu au limitări în înaltă frecvenţă.

34

Condensatoare cu film plastic - cu polistiren (stiroflex) sau cu myler

Proprietăţi:Dielectricul este folia de film plastic pe care se depun armăturile

sub forma unei pelicule de Al.;Folia se rulează rezultând astfel capacităţi specifice mai mari

(myler), dar şi inductivităţi parazite; Parametri:Toleranţe medii;Cn [47pF-6,8F]; tg() mică la cele cu stiroflex şi mare şi

dependentă de temperatură la cele cu myler;Coeficienţi de temperatură mici la cele cu stiroflex;

Aplicaţii: în echipamente de uz general, la decuplări şi filtrări, au limitat domeniul de frecvenţă datorită componentei inductive.

35

Condensatoare cu hârtie Proprietăţi:Dielectricul o hârtie specială, numită hârtie de

condensator, pe care se depun armăturile;Hârtia chiar dacă este specială îşi poate modifica

foarte mult proprietăţile (rigiditatea electrică) datorită umidităţii;

Parametri:Toleranţe mari (20%);Cn [10nF-20F]; tg() mare şi puternic

dependentă de temperatură;Capacitate specifică mică, deci gabarit mare; Instabile cu temperatura şi umiditatea;

Aplicaţii: în circuite de putere, decuplări, pornirea motoarelor, în aplicaţii unde sunt necesare capacităţi mari şi nu pot fi utilizate condensatoare electrolitice, numai la joasă frecvenţă.

36

Condensatoare cu mică

Proprietăţi:Dielectricul este mica iar armăturile sunt folii de staniu,

cupru electrolitic sau aluminiu;Datorită tehnologiei au preţ ridicat;

Parametri:Toleranţe medii;Cn [1pF-100nF]; tg()<15x10-4;Tensiuni nominale foarte mari, până la 35KV;Stabilitate foarte bună cu temperatura;

Aplicaţii: în circuite profesionale unde se cere o foarte bună stabilitate cu temperatura, în circuite în care apar tensiuni foarte mari.

37

Condensatoare electrolitice cu aluminiu Tehnologie:Dielectricul se obţine prin

oxidarea suprafeţei armăturii din aluminiu;O armătură o constituie folia

de aluminiu, iar cealaltă o soluţie conductoare numită electrolit;Electrolitul poate fi

impregnat într-un substrat (hârtie), obţinându-se condensatoare uscate sau semiuscate;

38

Condensatoare electrolitice cu aluminiu Proprietăţi:

Grosimea mică a stratului de oxid, limitează drastic valoarea tensiunii la care poate fi supus condensatorul;

Capacităţi specifice mari se obţin prin mărirea suprafeţei armăturii prin asperizare;

Posibilităţile limitate de control a suprafeţei armăturii şi a grosimii dielectricului determină realizarea capacităţilor cu toleranţe foarte mari;

Parametri:Toleranţe mari [-20% +100%] pentru cele miniatură şi [-20% +50%]

pentru cele de mare capacitate ;Cn [1F-200 F] – miniatură, Cn [100F-10mF] – mare capacitate;Tensiuni nominale până la 350V (miniatură) şi 450V (mare

capacitate);Elemente parazite mari;

Aplicaţii: în circuite industriale, numai la joasă frecvenţă

39

Condensatoare electrolitice cu tantal Proprietăţi:Proprietăţile mecanice superioare ale tantalului permit folosirea

unor folii cu grosime mai mică;Permitivitatea relativă a oxidului de Ta este dublă faţă de oxidul

de Al; Parametri:Toleranţe mari [-20% +30%] pentru cele picătură şi [-20% +20%]

pentru cele profesionale ;Cn [0,1F-680 F] – picătură, Cn [100F-330 F] –

profesionale;Tensiuni nominale până la 50V (picătură) şi 63V (profesionale);tg() mai mică decât la cele cu Al;Elemente parazite mai mici decât cele cu Al.

Aplicaţii: în circuite industriale, până la frecvenţa de 10KHz.

40

Condensatoare electrolitice nepolarizate Proprietăţi:Se realizează tot pe bază de tantal, constructiv fiind două

condensatoare cu tantal înseriate la care dielectricul este armătura comună;

Prin înseriere capacitatea specifică se micşorează; Parametri:Toleranţe [-20% +20%] Cn [4,7F-150 F];Tensiuni nominale până la 10V; tg() este mică;

Aplicaţii: în circuite unde sunt necesare capacităţi mari şi nu pot fi utilizate condensatoare polarizate şi nici cele cu hârtie, nu pot fi utilizate la tensiuni mari şi nici peste 20KHz.

41

+ +

a rm ă tu ră m e ta l ic ă (T a )a rm ă tu ră m e ta l ic ă (T a )

e le c tro l it

Utilizarea condensatoarelor electrolitice Semnul plus arată că armătura

respectivă trebuie conectată în circuit totdeauna la un potenţial mai mare decât cealaltă.

Pe condensator se găseşte marcată fie borna pozitivă, fie borna negativă. Dacă lipseşte marcajul, atunci carcasa este conectată la borna negativă.

Dacă nu se respectă condiţia vC>0 condensatorul se poate distruge prin încălzire excesivă.

42

+

V C V C V C

V C >0

electrolitoxidmetal

Problemă Pe un condesator sunt inscripţionaţi parametrii: 1 µF şi 63V. Din

foaia de catalog se extrag parametrii: tg=0.001, determinată la frecvnţa reţelei, şi T= 0.002 [1/oC].

Poate fi conectat condensatorul direct la reţeaua electrică de alimentare dacă temperatura mediului este 50 oC (argumentaţi răspunsul)?

Cât este modulul impedanţei condensatorului dacă la bornele lui se aplică tensiunea vI=5 +20 sin(100t) [V]?

Condensatorul se conectează în serie cu o rezistenţă de 10 K. Cum arată forma de undă a tensiunii de la bornele condensatorului după 10 ms de la conectarea sursei anterioare la bornele circuitului serie?

43

Problemă Pentru condesatorul din circuitul

alăturat se citesc din foaia de catalog parametrii: Domeniul de temperatură -40 oC ~ +85

oC Toleranţa±20% Capacitatea nominală1µF Tangenta unghiului de pierderi 0,02 la

1KHz şi 25 oC Tensiunea nominală 250 VDC

să se calculeze rezistenţa de izolaţie a condesatorului

să se deseneze circuitul echivalent

să se reprezinte modulul funcţiei de transfer vo/vi.

CRvi vo

1K

44