Electrotenica Condensatoare

1. Referat prezentat de : Cristurean Daniel-Iulian
&
Dumbrava Mihai
1

2. Condensatorul – istoric şi tendinţe
 1745 primul condensator –
Pieter van Messchenbroek –
Universitatea din Lyden –
cunoscut sub denumirea de
borcanul Lyden (Lyden jar).
 Tendinţele evoluţei:
 Creşterea capacităţilor specifice
 Scăderea dimensiunilor
 Creşterea tensiunilor la care pot
fi supuse
2

3. Capacitatea dependentă de geometria
condensatorului
-Q
A r
-Q +Q a
++++ a
d ----- +Q
b L b
Armături paralele Armături cilindrice
2πεo L Armături sferice
εo A C=
C= b ab
d ln  C = 4π ε o
a b− a
ε 0 =8,85419 pF/
m
3

4. Influenţa dielectricului
 Un rol important în comportarea condensatorului îl
joacă materialul izolator (dielectricul) aflat între
armăturile metalice.
 Prin permitivitatea sa relativă εr măreşte capacitatea
condensatorului:
A
C = ε r ⋅ C0 ; C 0 = ε 0 ⋅
d
 Prin câmpul electric la care apare străpungerea sa
(rigiditate electrică) se limiteză superior tensiunea
ce poate fi aplicată condensatorului.
4

5. Permitivitatea- mărime complexă
dependentă de frecvenţă
 Partea reală
caracterizează acumularea
ε*=ε’+i ε’’
εd 0
de energie în condensator;'
 Partea imaginară
caracterizează disiparea
de energie în condensator;
 Raportul lor este tangenta
unghiului de pierderi; ε0 '
ε"
tg (δ ) =
ε' log(ω/ω0)
5

6. Condensatorul – schema electrică
echivalentă
Rp
Z C = R s + jωL p +
1 + jωR p C
1
ZC = R s + jωL p +
jωC
6

7. ZC
Rp + Rs ≈ Rp
10%
z o n a c a p a c itiv ã ωL
Condensatorul -
caracteristica
1
de frecvenţă 10% ωC
Rs
2 ω
1
Rp ⋅ C 0,3 ⋅ ω0 ω0 =
LpC
7

8. Echivalenţa circuit paralel – circuit
serie
 În unele situaţii
este util să
transformăm
circuitul RC
echivalent paralel
într-un circuit
serie echivalent.
8

9. Condensatoare în paralel
 Uneori în circuitele
electronice apar
conectate în paralele un
conensator de valoare
mare cu unul de valoare C1 C2
foarte mică.
C 1 C 2 10 µ 10 n
 În acestă situaţie
condensatorul cu
+
10µ 10 n
capacitatea mică are rolul
de a compensa L1 L2 <L1
componenta inductivă a
condensatorului de
valoare mare.
9

10. Clasificări – criteriul constructiv
 Discrete
 Fixe
 Variabile
 Embedded (incluse în structură)
 La nivelul plachetei
 La nivelul substratului ceramic (module multicip – MCM)
 La nivelul circuitelor integrate
10

11. Condensatoare discrete - clasificare
 Fixe
 Nepolarizate
 Polarizate
 Variabile
 Cu dielectric aer
 Trimeri
11

12. Parametrii condensatoarelor fixe
 Parametri inscripţionaţi în majoritatea situaţiilor
 Capacitatea nominală
 Toleranţa valorii nominale
 Tensiunea nominală
 Parametri ce caracterizează neidealitatea condensatoarelor
 Rezistenţa de pierderi
 Tangenta unghiului de pierderi
 Parametri ce caracterizează influenţa mediului
 Coeficientul de temperatură
 Parametri de performanţă
 Intervalul temperaturilor de lucru
 Capacitatea specifică
 Domeniul frecvenţelor de lucru
12

13. Capacitatea nominală şi toleranţa ei
 Pentru condensatoarele cu valori sub 1µF 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

14. 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

15. 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

16. 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: 104MΩ pentru condensatoare
ceramice, 102-105 pentru condensatoare cu film
plastic.
16

17. 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: τ = Cn ⋅ Riz
Vn
 Curentul de fugă (cc): If =
Riz
17

18. 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:
V2
P 2 Riz 1
tg (δ ) = a = =
Pr V 2 ωCn Riz
ωC n
2
 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:
I Riz 1
tg (δ ) = =
I Cn ωCn Riz
18

19. Tangenta unghiului de pierderi
 tg(δ) – 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:
1
Q= = ωCn Riz
tg (δ )
19

20. Coeficientul de temperatură
 Apare inscripţionat în cazul unor condensatoare. În funcţie de
acest parametru condensatoarele se împart în diferite clase.
 Parametrul este definit astfel:
1 dC
αC = ⋅
C dT
 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:
1 C − C0
αC = ⋅ [ppm/ o C]
C0 T − T0
20

21. 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

22. Marcarea condensatoarelor
 Marcarea se referă la modul în care este
codificată informaţia inscripţionată pe
condensatoare.
 Marcare în cod de litere şi cifre
 Marcare 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

23. 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).
B↔0,1%; C↔0,25%; D↔0,5%; F↔1%;
G↔2%; H↔2,5%; J↔5%; K↔10%; M↔20%
23

24. 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.
Valoare 47, multiplicator 104,
474J toleranţă 5%=470nF, toleranţă 5%
24

25. Marcarea în codul culorilor
 Se pot întâlni inscripţionări diferite:
 Cu trei culori – numai valoarea capacităţii nominale
 Cu patru culori
 Cu cinci culori - pot avea semnifcaţii diferite de la un tip la
altul de condensator
 La unele condensatoare ceramice coeficientul de
temperatură poate fi indicat de culoarea corpului.
 Se recomandă consultarea tabelelor de echivalenţă
pentru fiecare tip de condensator.
25

26. Exemplificare
pentru
condensatoare
ceramice
26

27. Exemplificare
pentru
condensatoare
cu hârtie şi mică
27

28. Exemplificar
e pentru
condensatoa
re cu mică
28

29. Exerciţii – identificaţi tipul şi
parametrii următoarelor
condensatoare
29

30. 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,
10µF, 50V.
30

31. 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

32. Alegerea tipului de condensator
A
C = ε rε 0
d
e le c tr o litic e c u A l
e le c tr o litic e c u T a m ic ã , c e r a m ic e c u p ie r d e r e m ic ã
c u h â r tie c u h â r tie m e ta liz a tã
c e r a m ic e K m a r e
p o lis tir e n
10 0 101 102 103 104 105 106 107 108 109 f
32

33. Condensatoare ceramice tip I
 Proprietăţi:
 Dielectricul o ceramică pe bază de silicaţi de magneziu cu
εr∈[5-200];
 Stabilitate la variaţia temperaturii;
 Parametri:
 Toleranţe mici şi foarte mici;
 Cn ∈[0,8pF-27nF]; Riz>10GΩ; tg(δ)<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

34. Condensatoare ceramice tip II
 Proprietăţi:
 Dielectricul o ceramică cu permitiitate electrică foarte mare, εr
pâna la 15000;
 Capacităţile specifice cele mai mari în domeniul pF şi nF;
 Parametri:
 Toleranţe medii;
 Cn ∈[33pF-100nF]; Riz>3GΩ; tg(δ)<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

35. 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-6,8µF]; tg(δ) 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

36. 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-20µF]; tg(δ) 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

37. 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(δ)<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

38. 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

39. 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 ∈[1µF-200µ F] – miniatură, Cn ∈[100µF-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

40. 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 ∈[0,1µF-680µ F] – picătură, Cn ∈[100µF-330 µF] –
profesionale;
 Tensiuni nominale până la 50V (picătură) şi 63V (profesionale);
 tg(δ) 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

41. 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 ∈[4,7µF-150µ F]; e l e c tr o lit
 Tensiuni nominale până la 10V;
 tg(δ) este mică; a rm ă tu ră m e ta lic ă (T a ) a r m ă tu r ă m e ta l ic ă ( T a )
+ +
 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

42. 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 m e ta l o x id e le c t r o lit
marcată fie borna pozitivă, fie +
borna negativă. Dacă lipseşte
marcajul, atunci carcasa este V
C
V
C
V
C
conectată la borna negativă. V
C >0
 Dacă nu se respectă condiţia
vC>0 condensatorul se poate
distruge prin încălzire excesivă.
42