Noțiuni generale [310749]

CONDENSATOARE

Noțiuni generale

Definiție: Condensatorul electric este un dispozitiv (un ansamblu) format din două plăci, ([anonimizat]) aflate la potențiale diferite și având sarcini electrice de semne contrare (+Q, -Q ) [anonimizat] (dielectric) și a cărui funcționare se bazează pe proprietatea înmagazinării unei cantități de electricitate.

[anonimizat] o [anonimizat]. [anonimizat] a ocupa un spațiu cât mai mic și apoi este închis într-o cutie metalică prevăzută cu borne de ieșire.

Legând un condensator la o [anonimizat] Q (pozitivă pe o armătură și negativă pe cealaltă). Prin circuit trece un curent electric numai atât timp cât durează încărcarea armăturilor. [anonimizat], prin circuit nu mai trece nici un curent. Dezlegându-l [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], unde neutralizează sarcinile pozitive.

Între tensiunea U de le bornele armăturilor și sarcina Q de pe armături există relația: Q = CU

– C este o mărime fizică numită capacitate electrică a condensatorului (a nu se confunda cu capacitatea pilelor electrice și acumulatoarelor) [anonimizat] (F) în S.I. .

[anonimizat]. Capacitatea unui condensator plan (figura 1.21.)([anonimizat], între care dielectricul are o grosime constantă) se calculează cu ajutorul relației: – în care C – capacitatea, în Farazi

ε – permitivitatea absolută a mediului dintre cele două armături

S – suprafața comună a celor două armături în „m2”

d – distanța dintre armături (grosimea dielectricului), în „m”.

Pentru un condensator cilindric, (figura 1.23.) valoarea capacității se determină cu ajutorul relației: ;

Condensatorul este un dispozitiv a cărui funcționare se bazează pe proprietatea înmagazinării unei cantități de electricitate.

Raportul dintre sarcina Q [anonimizat], reprezintă capacitatea condensatorului:

C =

Clasificare

Din punct de vedere constructiv

a) [anonimizat] a condensatorului;

b) condensatoare variabile a căror capacitate poate fi modificată frecvent între anumite limite relativ largi impuse de funcționarea circuitelor electronice (de exemplu condensatoarele de acord pentru radioreceptoare).

c) condensatoare semiregrabile (trimeri) a [anonimizat].

După natura dielectricului utilizat

a) cu dielectric gazos (aer, vid, gaze electronegative);

b) cu dielectric lichid (ulei);

c) [anonimizat] (hârtia, lacuri, polistiren-stiroflex, teflon, polipropilena, polietilentereftalat-mylar);

– anorganic (sticla, mica, materiale ceramice, etc.)

d) cu dielectric peliculă din oxizi metalici (electrolitici – Al, Ta, Mo.).

Parametrii electrici ai condensatoarelor

a) – Capacitatea nominală ; : reprezintă valoarea capacității condensatorului (la 25 0C și la o anumită frecvență – ex. 1 KHz) realizată în procesul tehnologic și care este înscrisă sau marcată pe corpul acestuia;

b) – Toleranța (t)[%]: reprezintă abaterea maximă a valorii reale a capacității, față de valoarea ei nominală;

c) – Tensiunea nominală (Un)[V]: este tensiunea continuă maximă sau valoarea efectivă maximă a tensiunii sinusoidale care poate fi aplicată la bornele condensatorului un timp îndelungat, fără ca acesta să-și modifice performanțele de funcționare;

d) – Rezistența de izolație (Riz) [Ω]: este definită ca fiind raportul dintre tensiunea continuă aplicată condensatorului și curentul continuu (de fugă) care se măsoară între terminale, la 1 minut după aplicarea tensiunii. Riz poate varia între 100MΩ și 100GΩ. Pentru condensatoarele cu Cn>0,1μF se indică în locul Riz, constanta de timp (care depinde de proprietățile electrice ale dielectricului);

e) – Tangenta unghiului de pierderi(): În condensator, datorită pierderilor în dielectric (If) și rezistențelor nenule ale armăturilor și terminalelor (R), se disipă putere activă (P=RIf2cosφ). Tangenta unghiului de pierderi este definită ca fiind raportul dintre puterea activă Pa care se disipă pe condensator și puterea reactivă a acestuia (Q= XcIf2sinφ): .

Pentru un condensator ideal, într-un circuit de c.a. defazajul pe care-l introduce este de 900 al curentului înaintea tensiunii, însă, pentru cel real, cu tangenta unghiului de pierderi mare, acest defazaj este mai mic. Complementul unghiului de defazaj φ este unghiul de pierderi δ.

Dacă considerăm schema echivalentă din figura 1.24. în care pierderile în condensator sunt reprezentate fie prin rezistența r (în schema echivalentă serie), fie prin rezistența R (în schema echivalentă paralel) construind diagrama fazorială tensiune – curent se observă că unghiul de defazaj φ dintre tensiunea aplicată și curentul care parcurge condensatorul este mai mic de 900.

Un condensator este cu atât mai bun cu cât pierderile de putere activă și deci și , sunt mai mici.

f) Reactanța capacitivă (Xc)

g) Energia acumulată în câmpul electric al condensatorului

h) Forța de atracție între armături

Simbolizarea condensatoarelor

condensator fix:

condensator variabil:

condensator semireglabil:

condensator electrolitic:

Marcarea condensatoarelor

Condensatoarele sunt marcate: a) în clar sau b) codificat (prin codul culorilor, prin simboluri alfanumerice, sau printr-un cod numeric).

În mod obligatoriu, caracteristicile ce se înscriu pe corpul condensatorului sunt: capacitatea nominală și toleranța, iar pe unele și polaritatea bornelor, terminalul conectat la armătura exterioară, tensiunea nominală, coeficientul de temperatură etc.

în clar: 15mF=15*10-3F; 25μF=25*10-6F; 1nF=10-9F; 1pF=10-12F; 150fF=150*10-15F; 1aF=10-18F;

codificat, 1) utilizând codul culorilor, (mai ales la condensatoarele ceramice) valoarea este marcată în picofarazi[pF] și prima cifră din cod este banda sau punctul cel mai apropiat de unul sau de ambele terminale. Banda inițială poate să lipsească (coeficientul de variație cu temperatura) și astfel banda unu și doi reprezintă cifrele semnificative, a treia factorul de multiplicare iar banda a patra toleranța (vezi figura 1.25. și tabelul 1.4.)

sau 2) utilizând un cod de litere și cifre (cod alfanumeric), la care în locul virgulei se utilizează simbolurile literale p(U), n(T sau K), μ(M)

sau 3) utilizând codul numeric, capacitatea fiind marcată din trei cifre, conform tabelului 1.3.

Exemplu: 102→10*102 pF=1nF; 223→22*103pF=22nF; 474→47*104pF=470nF

Încărcarea și descărcarea condensatoarelor

Condensatorul numit și capacitor este cea de-a doua componentă utilizată în electronică. Condensatorul poate fi considerat un dispozitiv în care un strat subțire de izolator se află între două straturi conductoare.

Să analizăm dacă prin acest „dispozitiv" poate circula curentul electric. În mod evident, curentul continuu nu trece, dar, datorită sursei de tensiune, pe fiecare dintre plăcile condensatorului se vor aduna sarcini electrice. Pe o placă se vor aduna sarcini electrice negative (exces de electroni), iar pe cealaltă, se vor acumula sarcini electrice pozitive (goluri).

Dacă punem în circuit un condensator și un miliampermetru, iar condensatorul are valoare mare, din momentul conectării condensatorului la o baterie apare în scurt timp un curent care scade. Este vorba de fenomenul de încărcare (de acumulare) a condensatorului. Cu cât condensatorul poate acumula o cantitate mai mare de sarcină electrică, cu atât se spune că are o capacitate mai mare. Prin urmare, un condensator este un dispozitiv electric pasiv, care înmagazinează energie sub forma unui câmp electric între două armături încărcate cu o sarcină electrică egală, dar de semn opus. Prin conectarea unui capacitor la o sursă electrică de curent continuu, la armătura conectată la polul negativ se acumulează un exces de electroni, iar la armătura conectată la polul pozitiv ai bateriei va fi un deficit de electroni. Dar, circuitul electric fiind deschis, deoarece armăturile condensatorului sunt izolate una față de alta, diferența de acumulare a electronilor reprezintă o sarcină electrică sau, cum se mai spune, condensatorul este încărcat. Deconectând sursa, capacitorul rămâne încărcat, putându-se descărca în timp. Prin scurtcircuitarea cu un conductor se descarcă brusc, obținând o scânteie electrică. Dacă însă se aplică o tensiune alternativă la bornele aceluiași capacitor, cele două armături se vor încărca și se vor descărca pe rând, electronii acumulându-se când pe o armătură, când pe cealaltă. Prin urmare, electronii nu trec prin dielectric, ci prin circuitul exterior, această mișcare oscilatorie a electronilor fiind determinată de câmpul electric produs între armăturile capacitorului.

În consecință, curentul sau mișcarea electronilor își va schimba sensul la fiecare alternanță a curentului alternativ. S-ar părea că, într-un astfel de circuit, condensatorul lasă să treacă curentul alternativ. Din această cauză, într-un circuit de curent alternativ, condensatorul este un dispozitiv de cuplaj. Dacă în circuit avem suprapuși doi curenți, unul continuu și unul alternativ, pentru circuitul de curent continuu condensatorul prezintă interes în primul moment, la încărcare. Curentul alternativ suprapus va încărca și va descărca alternativ condensatorul. Dacă încărcarea în curent continuu este mai mare decât variația curentului alternativ apare un fenomen de egalizare, la bornele condensatorului tensiunea variind mai puțin decât în circuitul fără condensator. Acest fenomen poartă numele de filtrare.

Procesul de acumulare a sarcinii electrice reprezintă încărcarea condensatorului. (figura 1.26.). Ea se efectuează după o lege exponențială de forma:

unde:

E- tensiunea sursei de alimentare;

– constanta de timp de încărcare, calculată cu relația = RC.

Încărcarea este cu atât mai lentă, cu cât constanta de timp este mai mare. Cu alte cuvinte, s-ar putea spune că tensiunea aplicată la bornele condensatorului se înmagazinează în acesta. Dacă îndepărtăm sursa, condensatorul va rămâne încărcat până în momentul în care se conectează un consumator (rezistor, impedanță).

Gruparea condensatoarelor

Condensatoarele electrice pot fi legate:

în serie;

în paralel;

mixt.

Gruparea condensatoarelor în serie

*toate condensatoarele au aceiași sarcină q

; dar ;

Gruparea condensatoarelor în paralel

*condensatoarele nu mai au aceiași sarcină q, în schimb au aceiași tensiune U

dar

=++

=++.

Gruparea mixtă a condensatoarelor

; ;

Condensatoare electrolitice

Condensatoarele electrolitice prezintă proprietăți remarcabile (permitivitate și rigiditate mare) și posibilitatea de obținere a unei pelicule sub un micron, ceea ce duc la realizarea de capacitați specifice mari (sute). Ele se bazează pe proprietatea oxizilor unor metale ca aluminiul și tantalul, de a conduce într-un sens și de a prezenta o rezistență de blocare mare în celalalt sens. De aceea, aceste condensatoare sunt polarizate.

La condensatoarele cu aluminiu, anodul este format dintr-o folie de aluminiu de înaltă puritate, groasă de 60-100 microni, care este oxidată simultan pe ambele părți prin electroliză. Stratul de oxid gros de circa o miime de micron pentru fiecare volt al tensiunii nominale, constituie dielectricul. Pentru mărirea suprafeței anodului și deci pentru obținerea de capacitați mari într-un volum mic, ea nu este netedă ci asperizată prin corodare electrochimică.

Catodul este o soluție de acid boric, hidroxid de amoniu și glicoletilenă, care pătrunde în toți porii anodului. Aceasta soluție este menținută în contact cu stratul de oxid anodic pe toată suprafața prin impregnarea a 2-5 foițe de hârtie fără impurități. Contactul catodic se realizează prin altă folie de aluminiu dar de grosime mult mai mică (10 microni), care se așează peste foile de hârtie. Întreg ansamblul, format dintre două folii de aluminiu (anodul și contactul catodic), având între ele foițele de hârtie este apoi rulat până capătă o formă cilindrică. Acesta se introduce apoi în tuburi de aluminiu etanșate cu dopuri de cauciuc. Contactul anodic este izolat iar contactul catodic se leagă la carcasă.

După asamblarea condensatoarelor, urmează procesul de formare care constă în aplicarea unei tensiuni mai mare cu 5 – 10% față de tensiunea de vârf. UV este mai mare cu 10 – 50%, decât tensiunea nominală (Un). Funcționarea condensatoarelor la tensiuni mai mari ca UV duce la creșterea rapidă a curentului de fugă manifestată prin încălzirea puternică și degajare de gaze și în ultimă instanță deteriorarea lor.

Daca se aplică o tensiune inversă (minus pe anod), atunci condensatorul nu conduce până la o valoare de 2-3 V, după care curentul crește brusc asemănător cu o diodă Zener, producându-se deteriorarea printr-o încălzire exagerată.

Fenomenul se explică prin faptul ca stratul de oxid depus pe folia de metal (aluminiu) se comportă ca o joncțiune semiconductoare metal – oxid (MO) de tip NP cu pragul de deschidere de 2 – 3 V.

Dacă dorim obținerea de condensatoare de mare capacitate nepolarizate, acestea se realizează prin legarea în serie dar în antifază a doua condensatoare electrolitice (ambii anozi sau ambii catozi conectați împreună).

Gama de valori a condensatoarelor electrolitice este foarte largă mergând de la 1µF până la 10 000 µF. Toleranțele uzuale sunt în limitele de 20% și +100%. Domeniul admis al temperaturilor de lucru este cuprins între 20șC și +70șC. Curentul de fugă depinde de capacitatea și tensiunea nominală putând fi determinat cu o relație dată în catalog pentru fiecare tip de condensator.

Datorită modului de realizare constructiv, condensatoarele electrolitice prezintă o inductanță pronunțată care este supărătoare în circuitele de decuplare. De aceea, când este necesar, se montează în paralel, condensatoare de valori mici, neinductive, cum ar fi condensatoarele ceramice sau cele cu poliester metalizat.

O problemă specifică condensatoarelor electrolitice apare atunci când din diferite motive, acestea nu sunt utilizate un timp mai mare de un an de zile. În acest caz are loc o degradare a stratului de oxid de către electrolit și pentru a le face reutilizabile este necesar a le aplica o tensiune nominală timp de circa o oră.

Un alt condensator electrolitic este condensatorul cu tantal în care anodul este sinterizat din pulbere de tantal, care apoi se oxidează, iar ca electrolit se utilizează o peliculă solidă semiconductoare de MnO2. Condensatoarele cu tantal sunt utilizate in domeniul de temperatură -80șC și +85șC.

Față de condensatoarele electrolitice cu aluminiu, condensatoarele cu tantal prezintă o serie de avantaje:

– gama frecventelor de lucru este mai largă;

– temperatura minimă de funcționare este mai coborâtă;

– fiabilitatea este mai ridicată;

– timpul de stocare este mai mare;

– curentul de fugă este extrem de mic.

Dezavantajul condensatoarelor cu tantal se manifestă în comportarea în regim de impulsuri, prin cristalizarea Ta2O5 în punctele slabe ale peliculei (curent de fugă mărit), ceea ce duce la străpungere termică. Îmbunătățirea comportării în regim de impulsuri s-a obținut prin utilizarea pentoxidului de tantal dopat (cu molibden) ameliorând și rezistența la tensiunea inversă, curentul în sens direct crescând nesemnificativ.

Condensatoarele electrolitice cu aluminiu acoperă gama (0,5……150.000) și tensiuni nominale până la 500V, iar cele cu tantal până la o tensiune de 100-125 V, cu toleranțe mai strânse, până la 5%.

Imagini cu diferite tipuri de condensatoare

Condensatoare ceramice

Condensatoare cu hârtie

Condensatoare cu polistiren (stiroflex)

Condensatoare cu polietilentereftalat (mylar)

Condensatoare electrolitice

Condensatoare cu mică

Condensatoare variabile cu aer

Condensatoare semivariabile cu aer

Transfigurarea stea triunghi și triunghi stea

La transfigurarea triunghi stea sunt valabile relațiile: ;;

și respectiv la transfigurarea stea triunghi relațiile sunt: ; ; în condițiile C1=C2=C3 , C12=C23=C31 și CY=CΔ .

Aplicații:

Un condensator plan de capacitate având distanța între armături d=2 mm și dielectric aer este încărcat la U=3000V.

Se cere: Valoarea energiei electrice acumulate în câmpul condensatorului și valoarea forței de atracție între armături.

S: W=22,5 10-5J; F=0,1125 N.

Determinați capacitatea echivalentă

a ansamblului de condensatoare din figura 1.43., știind că:

și .

S: Cetotal=4,8μF

Considerăm gruparea a două condensatoare C1 și C2 conectate în serie. Capacitatea echivalentă a acestei grupări are valoarea C12s=2,4μF. Dacă aceste condensatoare se vor grupa în paralel (derivație), capacitatea echivalentă va avea valoarea C12p=10μF. Să se determine valorile celor două capacități, C1 și C2 ale celor două condensatoare.

S: și .

La sfârșitul acestei lecții fiecare elev trebuie să fie în măsură:

să definească Condensatorul și să descrie fiecare termen din relațiile de definiție ale acestuia;

să clasifice, după cele două criterii și să simbolizeze condensatoarele;

să determine corect valoarea condensatoarelor cu ajutorul aparatelor și al tipului de marcaj;

să descrie modul de comportare al condensatoarelor la încărcare și descărcare;

să identifice tipurile de condensatoare după figură și simbolizare;

să deducă relațiile capacității echivalente pentru diferite grupări ale condensatoarelor;

să rezolve aplicații specifice teoriei acestei lecții.