Rezistenţa de izolaţie Riz, a condensatorului este de fapt … · 2011-01-06 · mică....

20
Condensatoare 26 Rezistenţa de izolaţie, Riz, a condensatorului este de fapt rezistenţa de izolaţie a dielectricului. Rezultă în mod evident şi dependenţa constantei de timp τ iz şi a curentului de fugă de dielectric (conform relaţiilor de definiţie). Tensiunea nominală, U N , este direct proporţională cu rigiditatea dielectrică E str şi grosimea dielectricului. Mai mult sau mai puţin de dielectric depind şi alţi parametrii: domeniul valorilor nominale, domeniul temperaturilor de utilizare şi depozitare, puterea nominală, etc. 3.1.4.2.Armăturile condensatorului Armăturile condensatorului se realizează din materiale conductoare cu rezistivitate cît mai mică. Se utilizează în general: cupru, aluminiu, argint, staniu, aur, argint-paladiu, tantal. Armăturile pot fi realizate sub formă de folii, în general din aluminiu şi mai rar din staniu sau cupru, cu grosime de aproximativ 8...20µm (condensatoare cu hârtie, polistiren, poliester, polipropilenă, policarbonat, dielectric mixt, mică, electrolitice cu Al). Armăturile se realizează de asemenea prin tehnologia straturilor groase (T.S.G.) utilizând metoda serigrafică şi tehnologia straturilor subţiri (T.S.S.) utilizând metoda evaporării în vid. Peliculele groase au grosimi de ordinul µm (2...10 µm) şi se obţin prin depunerea serigrafică a pastei de argint (soluţie coloidală-AgCO 3 , Bi 2 O 3 , PbB 4 O 7 , lac de calafoniu) sau pastă de Ag-Pd. Se utilizează la condensatoarele ceramice. Peliculele subţiri, obţinute prin condensarea în vid înaintat a vaporilor de aluminiu sau cupru au grosimi de 0,1-1µm şi se utilizează la condensatoarele cu: hârtie, poliester, polipropilenă, policarbonat, dielectric mixt şi cele ceramice. La condensatoarele electrolitice una din armături este metalică - anodul (folie de Al sau un cilindru obţinut prin sinterizarea pulberii de Ta), iar cealaltă este electrolitul solid sau lichid. Tabel 3.13. Caracterizarea principalelor materiale utilizate la realizarea armăturilor [5,6] Material Rezistivitate a la 25°C (10 -9 m) Coeficient termic al rezistivităţii la 20°C(K -1 ) Conductivita tea termică (W/mK -1 ) Temperatura de topire (°C) Coeficientul de dilatare liniară 10 -6 (K -1 ) Argint 16 4,1·10 -3 414 961 Aur 22,2 3,9·10 -3 293 1063 Aluminiu 28 4·10 -3 217 23,9 Cupru 17,2 3,9·10 -3 394 1083 17,7

Transcript of Rezistenţa de izolaţie Riz, a condensatorului este de fapt … · 2011-01-06 · mică....

Condensatoare

26

Rezistenţa de izolaţie, Riz, a condensatorului este de fapt rezistenţa de izolaţie a dielectricului. Rezultă în mod evident şi dependenţa constantei de timp τiz şi a curentului de fugă de dielectric (conform relaţiilor de definiţie). Tensiunea nominală, UN, este direct proporţională cu rigiditatea dielectrică Estr şi grosimea dielectricului. Mai mult sau mai puţin de dielectric depind şi alţi parametrii: domeniul valorilor nominale, domeniul temperaturilor de utilizare şi depozitare, puterea nominală, etc. 3.1.4.2.Armăturile condensatorului Armăturile condensatorului se realizează din materiale conductoare cu rezistivitate cît mai mică. Se utilizează în general: cupru, aluminiu, argint, staniu, aur, argint-paladiu, tantal. Armăturile pot fi realizate sub formă de folii, în general din aluminiu şi mai rar din staniu sau cupru, cu grosime de aproximativ 8...20µm (condensatoare cu hârtie, polistiren, poliester, polipropilenă, policarbonat, dielectric mixt, mică, electrolitice cu Al). Armăturile se realizează de asemenea prin tehnologia straturilor groase (T.S.G.) utilizând metoda serigrafică şi tehnologia straturilor subţiri (T.S.S.) utilizând metoda evaporării în vid. Peliculele groase au grosimi de ordinul µm (2...10 µm) şi se obţin prin depunerea serigrafică a pastei de argint (soluţie coloidală-AgCO3, Bi2O3, PbB4O7, lac de calafoniu) sau pastă de Ag-Pd. Se utilizează la condensatoarele ceramice. Peliculele subţiri, obţinute prin condensarea în vid înaintat a vaporilor de aluminiu sau cupru au grosimi de 0,1-1µm şi se utilizează la condensatoarele cu: hârtie, poliester, polipropilenă, policarbonat, dielectric mixt şi cele ceramice. La condensatoarele electrolitice una din armături este metalică - anodul (folie de Al sau un cilindru obţinut prin sinterizarea pulberii de Ta), iar cealaltă este electrolitul solid sau lichid.

Tabel 3.13. Caracterizarea principalelor materiale utilizate la realizarea armăturilor [5,6]

Material Rezistivitatea la 25°C (10-9Ωm)

Coeficient termic al rezistivităţii la 20°C(K-1)

Conductivitatea termică (W/mK-1)

Temperatura de topire (°C)

Coeficientul de dilatare liniară 10-6(K-1)

Argint 16 4,1·10-3 414 961 Aur 22,2 3,9·10-3 293 1063 Aluminiu 28 4·10-3 217 23,9 Cupru 17,2 3,9·10-3 394 1083 17,7

Componente şi circuite pasive

27

Staniu 120 65,1 232 Tantal 12400 2000

Materialele utilizate la realizarea armăturilor sunt în general materiale de înaltă calitate (puritate), principalii parametrii ai acestora fiind prezentaţi în tabelul 3.13. O parte din parametrii condensatorului sunt influenţaţi de armături. Principalele influenţe sunt: Capacitatea nominală , care este direct proporţională cu suprafaţa armăturii (vezi relaţiile 3.33-3.41). Pierderile totale ale condensatorului includ pierderile de putere în rezistenţa electrică a armăturilor. La multe tipuri de condensatoare rezistenţa electrică serie Rs este determinată preponderent de rezistenţa armăturilor, în special la condensatoarele bobinate, ceramice multistrat, cu mică, electrolitice. Curentul nominal IN, respectiv curentul de vârf Iv , sunt limitate de densitatea maximă admisă a curentului a armăturilor (la multe tipuri de condensatoare). Este evidentă directa proporţionalitate a curentului cu grosimea (secţiunea) armăturii, precum şi dependenţa lui (dU/dT) şi de armături. Inductanţa condensatorului include inductanţa armăturilor, aportul acestora fiind preponderent la condensatoarele bobinate şi la cele ceramice multistrat SMD. Rezultă în mod evident dependenţa de armături a frecvenţei de rezonanţă fr, a impedanţei condensatorului. La condensatoarele care utilizează un dielectric cu coeficientul de variaţie cu temperatura al permitivităţii dielectrice foarte mic (exemplu condensatoarele ceramice cu dielectric de tip NPO) nu mai pot fi neglijaţi coeficienţii de dilatare liniară ale armăturilor (vazi relaţiile 3.43, 3.44, 3.33, 3.38, 3.41). Materialele din care sunt realizate armăturile trebuie să prezinte tensiuni termoelectrice cât mai mici faţă de materialele cu care sunt conectate. Armăturile trebuie să adere cât mai bine la dielectric, pentru a înlătura orice posibilitate de apariţie a golurilor de aer (inclusiv gazoase) între armătură şi dielectric. Orice incluziune gazoasă, indiferent care este cauza apariţiei (incluziuni în dielectric, între armătură şi dielectric; apar în procesul de fabricaţie sau în timpul utilizării-funcţionării) modifică parametrii condensatorului şi poate conduce (uneori în timp) la distrugerea condensatorului. Pentru generalizarea acestui aspect vom considera un condensator plan care are între armături n straturi de dielectric diferiţi, figura 3.13.

Condensatoare

28

Fig.3.13. Condensator plan cu n dielectrici diferiţi.

Se consideră că straturile de dielectric au grosimea uniformă, aderă perfect între ele şi de asemenea armăturile la dielectric,

d = ∑=

n

iid

1.

Se utilizează notaţiile: U - tensiunea aplicată la bornele condensatorului; Ui - căderea de tensiune pe stratul de dielectric i; Ei - intensitatea câmpului electric în dielectricul i; di - grosimea stratului de dielectric i; εi - permitivitatea relativă a stratului de dielectric i; d - grosimea totală a dielectricului condensatorului; Di - inducţia electrică în stratul de dielectric i; n - numărul straturilor dielectrice; i = 1...n. Se pune problema determinării intensităţii câmpului electic Ej într-un strat de dielectric oarecare j, a permitivităţii relative efective εef şi capacitatea C a condensatorului. Tensiunea U la bornele condensatorului este,

U = Uii

n

=∑

1 = E di

i

n

i=∑

1 (3.45)

La limita de trecere între straturile de dielectrici inducţia electrică este aceeaşi (conform legii inducţiei; se neglilează efectul de margine). Di = Dj ; εiEi = εjEj ; (3.46) Rezultă din 3.46, Ei = εjEj/εi (3.47) Introducând relaţia 3.47 în 3.45, se poate scrie:

Componente şi circuite pasive

29

U = d1εεj jE

1 + ...... + di

εεj j

i

E + ...... + dj Ej + ......+ dn

εεj j

n

E (3.48)

sau:

U = Ej ( dj + εjdiii i j

n

ε= ≠∑1

) (3.49)

Din relaţia 3.49 rezultă intensitatea câmpului electric Ej într-un strat de dielectric oarecare j: Ej = U

dd

j ji

ii j i

n

+= ≠∑ε

ε1,

(3.50)

Considerând o intensitate medie E a câmpului electric în condensator şi o permitivitate relativă efectivă εef a dielectricului, se poate scrie: E = U / d, (3.51) εefE = εiEi, (3.52) Deci, U = Ed şi (3.53)

Ei = εεef

i

E (3.54)

U = E di ii

n

=∑

1 = εefE

diii

n

ε=∑

1 (3.55)

Din relaţiile (3.53) şi (3.54) rezultă expresia permitivităţii relative efective,

εef = ddiii

n

ε=∑

1

(3.56)

Intensitatea câmpului electric Ej într-un strat de dielectric oarecare în funcţie de intensitatea medie E va fi:

Ej = dE

dd

j ji

ii i j

n

+= ≠∑ε

ε1,

(3.57)

Capacitatea stratului de dielectric i este, Ci = ε0εiA / di (3.58) unde A este aria armăturii. Capacitatea condensatorului C cu n straturi de dielectric va fi ,

Condensatoare

30

C = ε0εefA / d (3.59)

C = ε

ε

0

1

Adiii

n

=∑

= 11

1 Cii

n

=∑

(3.60)

Deci schema echivalentă a condensatorului considerat este o structură serie, figura 3.14.

Fig.3.14. Schema echivalentă.

Exemplu 1. Se consideră un condensator plan format din două straturi de dielectric cu parametrii: d1 = d2 = 20 µm, ε1 = 2, ε2 = 100. Să se determine permitivitatea relativă efectivă şi intensitatea câmpului electric E1, respectiv E2 ,în stratul 1, respectiv 2 de dielectric faţă de intensitatea medie E a câmpului electric.

εef = d dd d

1 2

1

1

2

2

+

+ε ε

= 3,9 (3.61)

E1 = d d

dd

1 2

1 12

2

+

+εε

E = 1,65E (3.62)

E2 = d d

dd

1 2

2 21

1

+

+εε

E = 0,04E (3.63)

Concluzii: La realizarea condensatoarelor plane cu dielectric mixt nu este indicată utilizarea unor materiale dielectrice cu permitivităţii relative mult diferite pentru că permitivitatea efectivă este determinată, preponderent, de permitivitatea cea mai mică. Dielectricul cu permitivitate mare este utilizat în mod ineficient. Dielectricul cu permitivitatea cea mai mică este mult mai solicitat în tensiune, el limitând tensiunea nominală a condensatorului, fiind posibilă şi din acest punct de vedere o utilizare necorespunzătoare a materialelor dielectrice. Exemplul 2. Se consideră un condensator ceramic monostrat cu dielectricul de grosime d = 100 µm şi permitivitatea relativă εr = 1000. Între armătură şi dielectric există un gol de aer de aproximativ 10µm. Să se determine permitivitatea efectivă a condensatorului şi intensitatea câmpului electric Ea în golul de aer faţă de intensitatea medie E a câmpului electric.

Componente şi circuite pasive

31

Se notează cu da grosimea golului de aer şi εa permitivitatea relativă a aerului (εa = 1). Considerând condensatorul format din două straturi de dielectric, unul ceramic şi unul de aer, rezultă:

εef = d dd d

a

r

a

a

+

+ε ε

= 10,9 (3.64)

Ea = d d

dda

ar

+

+εε

E = 10,9E (3.65)

Deci în golul de aer intensitatea câmpului electric este mult mai mare decât intensitatea medie a câmpului electric ceea ce poate duce la distrugerea condensatorului, prin străpungerea lui. Se reduce de asemenea permitivitatea efectivă şi deci capacitatea condensatorului. Eroarea în exemplul considerat este relativ mare, faţă de situaţiile practice, având în vedere că golurile de aer au dimensiuni relativ reduse (modul de calcul al câmpului electric într-o cavitate de gaz dintr-un dielectric fiind mai complex). Existenţa lor însă, conduce la creşterea locală a câmpului electric şi chiar dacă nu duc la străpungerea condensatorului, reprezintă surse importante de zgomot, perturbând funcţionarea circuitelor în care sunt utilizate condensatoarele. La orice tip de condensator, suprafaţa armăturii este mai mică decât suprafaţa totală a feţei dielectricului cu care vine în contact, pentru a reduce influenţele efectului de margine asupra parametrilor condensatorului şi a evita scurtcircuitarea armăturilor. Se consideră două condensatoare plane, unul cu suprafaţa armăturii egală cu a dielectricului - figura 3.14a şi celălalt cu suprafaţa armăturii mai mică decât a dielectricului - figura 3.14b.

a)

Condensatoare

32

b)

Fig.3.14. Efectul de margine la un condensator plan

Armătura A1 este încărcată cu sarcina +Q care se repartizează pe întreaga ei suprafaţă, atât pe cea internă, cât şi pe cea externă şi a extremităţilor, cu deosebirea că pe faţa internă densitatea de sarcină este cu mult mai mare decât densitatea de sarcină ce se găseşte pe faţa externă şi pe feţele extremităţilor. Situaţia este analoagă şi pe armătura A2, cu deosebirea că pe această armătură densitatea de sarcină este negativă. Distanţa dintre armături fiind mică, dielectricul omogen, intensitatea câmpului electric dintre feţele interne ale armăturii poate fi considerată uniformă; liniile de câmp sunt drepte echidistante, normale la suprafaţă. La extremităţi, liniile de câmp se resfiră şi se lungesc; ele fiind curbe deschise care se sprijină pe cele două armături. Vor exista şi linii de câmp care pornesc de la suprafaţa externă a armăturii A1 şi vor ajunge pe faţa externă A2. Relaţia de calcul a capacităţii condensatorului plan, C = εA / d se determină în ipoteza că toate liniile de câmp electric pornesc de pe faţa internă a armăturii A1 şi ajung pe faţa internă a armăturii A2 (numai feţele interne ale armăturilor sunt încărcate cu sarcinile electrice +Q, respectiv -Q, care sunt uniform repartizate). În realitate există şi linii de câmp (puţine) produse de extremităţi şi faţa externă, şi corespunzător o capacitate C'. Acest fenomen de resfirare a liniilor de câmp şi apariţie a capacităţii C', constituie efectul de margine al condensatorului. Capacitatea condensatorului este de fapt C+C'. În practică C' << C, C' neglijându-se, eroarea fiind foarte mică. Realizând un condensator conform figurii 3.14a, (suprafaţa armăturii egală cu a dielectricului) liniile de câmp de margine vor parcurge, parţial elementul de protecţie, parţial se vor închide prin aer. Deşi intensitatea cîmpului de margine este mică, totuşi în acest caz ar exista o influenţă asupra parametrilor condensatorului, în special al tensiunii nominale (rigiditatea dielectrică a aerului este relativ mică). De asemenea alt aspect, deloc de neglijat ar fi perturbarea prin câmp electric a componentelor electrice învecinate condensatorului, precum şi posibilitatea scurtcircuitării armăturilor.

Componente şi circuite pasive

33

De aceea, pentru a reduce influenţele efectului de margine, în practică condensatoarele se realizează conform figurii 3.14b, având suprafaţa armăturii mai mică decât suprafaţa dielectricului. La condensatoarele cu armături asimetrice, efectul de margine este mult mai pronunţat faţă de condensatoarele cu armături simetrice. 3.1.4.3. Zona de contactare Zona de contactare reprezintă regiunea prin intermediul căreia se realizează conectarea terminalului la armătură. Se utilizează în general materiale bune conductoare specifice tehnologiilor de contactare: aliaje sau paste de lipit, zinc, argint-paladiu, etc. Tehnologiile de contactare utilizate sunt relativ diverse: lipire prin inmersie în baie de aliaj de lipit, sudură electrică prin puncte, sudură prin termocompresie, cu ultrasunete, nituirea, etc. Zona de contactare nu trebuie privită ca o simplă legătură mecanică a terminalului la armătură, ea fiind mai simplă sau mai complicată în funcţie de tipul condensatorului. Zona de contactare prezintă un rol esenţial în stabilirea rezistenţei echivalente serie, a tangentei unghiului de pierderi. Cu alte cuvinte ea este de o importanţă deosebită în stabilirea energiei termice dezvoltate de condensator în funcţionarea sa. Câteva exemple de realizare a zonelor de contactare: - peliculă metalică (0,1-0,2mm) de cositor depusă prin aliere termică peste armătura la care se lipeşte terminalul prin inmersie în baia de aliaj de lipit (condensatoare ceramice monostrat); - peliculă de Zn + peliculă de aliaj de lipit depuse prin pulverizare + lipire terminal prin arc electric (condensatoare cu folii dielectrice metalizate); - strat de Ag - Pd + strat de aliaj de lipit (0,5-0,75mm), la condensatoarele ceramice multistrat; - hîrtie impregnată în electrolit + folie de Al (folie catodică) + sudură + folie de contact + sudură + sinterizare (conectarea terminalului catodic la armătură - condensatoare electrolitice cu Al cu electrolit semiuscat); - strat de grafit + strat de Ag + lipitură (conectarea terminalului catodic la armătură - condensatoare electrolitice cu electrolit solid). Zona de contactare trebuie să prezinte o rezistenţă electrică cât mai mică şi o suprafaţă de contactare cu armătura cât mai mare. Rezumând, se poate concluziona faptul că prin rezistenţa electrică, zona de contactare influenţează tangenta unghiului de pierderi (tgδ), rezistenţa serie (Rs), viteza maximă de creştere a tensiunii (dU/dt)M. La majoritatea tipurilor de condensatoare aportul rezistenţei electrice al zonei de contactare la rezistenţa serie Rs a condensatorului este neglijabilă. Există şi situaţii la care devine predominantă, un exemplu fiind conectarea armăturii catodice la terminalul condensatoarelor electrolitice. O suprafaţă mică de contactare poate duce

Condensatoare

34

la încălzirea locală şi deci la limitarea curentului nominal (condensatoare cu poliester). Aportul zonei de contactare la inductanţa condensatorului este în general mică (neglijabilă). Pentru zonele de contactare complexe (formate din conectarea în serie a mai multor elemente) acest aspect nu mai poate fi neglijat. 3.1.4.4. Terminalele Terminalele sunt necesare pentru conectarea condensatoarelor la structura de interconectare a circuitului în care sunt utilizate. Pot fi pentru plantare sau montare directă pe suprafaţă. Se realizează din materiale cât mai bune conductoare. Terminalele pentru plantare se realizează în general din sârmă de cupru dublu cositorită, de un anumit diametru; utilizându-se şi nichel argintat (condensatoare electrolitice cu Ta). Pot fi de asemenea plate, cu şurub şi piuliţă, conductoare liţate şi izolate, etc. Ataşarea lor la tronsonul condensatorului putând fi axială sau radială. Terminalele pentru montarea directă pe suprafaţă (SMD, SMT) sunt sub forma unor zone metalice, realizate din: Ag-Pd, nichel, aliaj de lipit (au grosimea de la 0,25 mm, la 1 mm). Terminalele influenţează parametrii condensatorului prin rezistenţa lor electrică şi inductanţă. La condensatoarele SMD inductanţa terminalelor este mică faţă de cea a armăturilor, în schimb inductanţa terminalelor pentru plantare este direct proporţională cu lungimea lor şi invers proporţională cu distanţa dintre ele (se poate aproxima la 10nH/cm). La multe tipuri de condensatoare cu terminale pentru plantare, inductanţa terminalelor este predominantă în inductanţa condensatorului (condensatoarele ceramice monostrat şi multistrat, condensatoare cu mică, condensatoare bobinate cu bobină scurtcircuitată la capete, condensatoare electrolitice cu tantal tip picătură). 3.1.4.5. Elementul de protecţie Elementul de protecţie al unui condensator reprezintă partea constructivă realizată în scopul unei protecţii mecano-electro-climatice, (denumită şi carcasă, capsulă). Acest element măreşte rezistenţa mecanică a condensatorului la vibraţii şi şocuri mecanice, îl protejează împotriva distrugerii mecanice (zgârieturi, înţepături), înlătură posibilitatea scurtcircuitelor la o eventuală atingere a lor, asigură protecţia împotriva acţiunii factorilor mediului ambiant, în special al umidităţii, prafului, pătrunderii aerului, etc.

Componente şi circuite pasive

35

Se realizează din materiale electroizolante sau metale. Materialele electroizolante trebuie să prezinte: rezistivitate cât mai mare (rezistenţă de izolaţie mare), rigiditate dielectrică mare, pierderi mici, permitivitate dielectrică mică; o bună conducţie termică, coeficienţi de dilatare liniară mici, să fie nehigroscopice, rezistente mecanic, să fie uşor prelucrabile, etc. Acoperirea de protecţie poate fi realizată prin imersie în compound din răşini fenolice sau epoxidice, introducerea în tuburi de polipropilenă (preformate) ataşate prin mulare, introducerea în capsule paralelipipedice realizate din compound alchimice neinflamabile şi etanşarea cu răşini, acoperirea cu lacuri pe bază de răşini fenolice sau epoxidice, ceramice. Elementul de protecţie metalic se realizează sub formă de tub, se realizează predominant din Al, mai rar din cupru şi foarte rar din oţel. Se etanşează la capete cu cauciuc sau răşini. Poate fi prevăzut cu al treilea terminal pentru conectarea la potenţialul de protecţie sau referinţă. Având în vedere că elementul de protecţie nu este străbătut de câmp electric (decât de câmpul de margine, de intensitate foarte mică) parametrii electrici ai condensatorului sunt relativ foarte puţin influenţaţi. Influenţă mai puternică are asupra parametrilor termici. Transmisia căldurii de la armături şi dielectric la suprafaţa condensatorului este direct proporţională cu conductibilitatea termică a materialului din care este realizat elementul de protecţie, iar coeficientul de convecţie este proporţional cu supafaţa totală a elementului de protecţie. Deci elementul de protecţie influenţează: constanta termică de timp τth, coeficientul de disipare termică D, puterea nominală PN. Având în vedere marea diferenţă care există între conductivitatea termică a materialelor electroizolante şi metale, condensatoarele pentru puteri nominale mari au elementul de protecţie metalic. 3.1.5.Caracterizarea principalelor tipuri de condensatoare fixe Din cele expuse, rezultă deja că există o foarte mare varietate de condensatoare, atât din punct de vedere al tipului de dielectric utilizat, dar şi al parametrilor caracteristici, tehnologiilor de realizare, aplicaţii specifice, etc. Se vor prezenta pe scurt principalele tipuri de condensatoare utilizate şi realizate în mod curent. 3.1.5.1. Condensatoare cu folii de dielectric (bobinate) Există mai multe tipuri de materiale dielectrice utilizate sub formă de folii la realizarea condensatoarelor: hârtie, poliester, policarbonat, polipropilenă, polistiren. Toate aceste tipuri de condensatoare au în comun tehnologia de realizare destul de asemănătoare, utilizându-se bobinarea simultană a foliilor de dielectric şi a armăturilor.

Condensatoare

36

În funcţie de tipul armăturilor, pot fi realizate în două variante: armăturile sub formă de folii din aluminiu cu grosimi de (8-10)µm sau armăturile depuse pe foliile de dielectric prin condensarea vaporilor de aluminiu în vid înaintat cu grosimi de (0,1-1) µm, (folii de dielectric metalizate). De asemenea fiecare tip de condensator poate fi realizat în două variante, varianta inductivă figura 3.15.a (au inductanţă parazită mare) şi varianta neinductivă figura 3.15.b, la care ,,bobina condensator" este scurtcircuitată la capete, conectându-se astfel între ele spirele unei armături, la un capăt, iar la celălalt capăt, spirele celeilalte armături. Acestea prezintă inductanţe parazite, relativ mici de aproximativ (5 - 10) nH. Pentru a nu se scurtcircuita, cele două armături ale condensatorului sunt decalate, figura 3.15.b. Tot în această categorie intră şi condensatoarele cu dielectric mixt, utilizându-se în general: hârtie cu poliester, hârtie cu polipropilenă, hârtie cu policarbonat, poliester cu policarbonat. Condensatoarele cu folie metalizată, prezintă faţă de cele cu folie nemetalizată, avantajul unei capacităţi specifice mai mari şi al posibilităţii de regenerare în cazul unei străpungeri electrice locale, fiind considerate autoreparabile. Fenomenul de autoreparare se explică astfel: la o stăpungere electrică locală a foliei de dielectric, cantitatea de căldură degajată local, duce la topirea şi evaporarea pelicului de Al din vecinătatea zonei de străpungere; folia de dielectric rămâne perforată, dar scurtcircuitul iniţial dintre armături este înlăturat, nemaiexistând în jur peliculă de metal.

a) varianta inductivă

Componente şi circuite pasive

37

b) varianta antiinductivă

Fig.3.15.Bobina condensator

Ca dezavantaj, prezintă o rezistenţă electrică mare a armăturilor, respectiv o densităte mică de curent admisă de armătură şi chiar de zona de contactare. Rezultând de aici valori relativ reduse ale curentului nominal IN, ale curentului de vârf IV, ale variaţiei tensiunii la bornele condensatorului (dU/dt)M şi o creştere a tangentei unghiului de pierderi tgδ la frecvenţe înalte. 3.1.5.1.1.Condensatoare cu hârtie Hârtia de condesator este un material dielectric cu polarizare de orientare, cu permitivitate relativă εr ≅ 6,6 , coeficient de variaţie cu temperatura al permitivităţii αε pozitiv (≅ 10-3/°C), pierderi de putere relativ mari, tg ≅ 6·10-3. Indiferent de tipul constructiv, hârtia este impregnată utilizându-se pentru impregnare: ceară, ulei mineral, ulei clorurat, parafină, triclorodifenil. Materialul de impregnare influenţează parametrii condensatorului; condensatoarele cu hârtie fiind de fapt condensatoare cu dielectric mixt (hârtie plus impregnant). Scopul principal al impregnării este umplerea golurilor de aer conţinute de hârtie (fiind un material poros), realizându-se însă şi o creştere a conducţiei termice a dielectricului şi a rigidităţii dielectrice. Pe de altă parte impregnantul influenţează în mod negativ alţi parametrii: permitivitatea efectivă scade la 3...5, cresc pierderile în dielectric, se modifică coeficientul de variaţie cu temperatura, intervalul maxim al temperaturii de utilizare. Pot fi cu terminale axiale sau radiale, protejate cu răşini epoxidice, mulate în material plastic, în compound alchimic neinflamabil, protejate în capsule de plastic umplute cu răşini, în tuburi metalice etanşe cu cauciuc sau răşini epoxidice.

Condensatoare

38

Condensatoarele cu hârtie de uz general se realizează pentru capacităţi nominale de la 1nF la 50nF, având toleranţa de ±10%, ±20% ,tensiunea nominală până la 1000V. Au factorul de pierderi tgδ < 0,01, Riz de la 1GΩ la 30 GΩ, intervalul maxim al temperaturii de utilizare de la [-10, 70]° la [-40, 85]°C, în funcţie de tipul impregnantului. Se realizează atât pentru aplicaţii de c.c. cât şi c.a. Se face precizarea că aplicaţia de c.c., presupune că tensiunea de la bornele condensatorului prezintă o componentă variabilă (sinusoidală sau impulsuri) de valoare relativ mică faţă de componenta continuă a tensiunii peste care se suprapune. Condensatoarele cu hârtie metalizată (cele româneşti au codurile HMC3300, HMC3400) sunt folosite în general în aplicaţii de c.c. Ele nu admit valori mari ale curentului nominal IN ,variaţii rapide ale tensiunii dU/dt, valori mari ale tensiunii variabile. Această limitare apare datorită grosimii mici a armăturii (0,1µm), precum şi a suprafeţei mici de contactare a terminalului cu armătura. Condensatoarele cu hârtie cu folii metalice au grosimea armăturii de aproximativ (10-20) µm, iar terminalul este conectat la armătură prin intermediul unei folii de contact cu o suprafaţă de 4-8 cm2 şi grosimea de 0,2-0,3mm, rezultând un contact cu rezistenţa electrică mică. De asemenea sunt utilizate în general în circuitele de c.a., fiind realizate şi variante pentru aplicaţii specifice. Condensatoarele cu hârtie şi folii metalice realizate în ţară corespund familiilor: Familia HC2400 cu parametrii principali: UN = 400V, 630V,1000V, 1300V,; CN = [10,470]nF; tgδ < 0,01; Lp < 0,2µH; Tm = - 40°C; TM = 85°C. Sunt utilizate în diverse circuite: cuplaj, decuplaj, filtraj la redresări rapide, impulsuri. Familia HA, folosite pentru îmbunătăţirea factorului de putere la lămpile fluorescente; Familia HPA şi HSA, destinate instalaţiilor de iluminat cu lămpi de descărcări în gaze. Se folosesc pentru creşterea tensiunii de amorsare la aprinderea lămpii şi îmbunătăţirea factorului de putere. Familia HS, folosită la starterele de aprindere a lămpilor fluorescente şi în echipamentele auto. Familia HZ, utilizată pentru reducerea perturbaţiilor la motoare mici (bormaşină, ventilator, maşină de cusut). Există o mare varietate de condensatoare cu hârtie realizate pentru aplicaţii specifice domeniului compatibilităţii electromagnetice şi al electronicii de putere. Sunt realizate condensatoare cu hârtie pentru puteri active şi reactive foarte mari (condensatoare de putere) ai căror parametrii pot ajunge la: CN = 4800µF, UN = 6300V, IN = 200A, IV = 100kA, PN = 150W. 3.1.5.1.2. Condensatoare cu poliester

Componente şi circuite pasive

39

Poliesterul sau polientilentereftalat (PETP), numit comercial şi mylar sau lavson sau hostofan, este un dielectric termoplastic polar, având parametrii caracteristici: permitivitatea relativă εr = 3, factorul de pierderi de aproximativ 5·10-3, coeficientul de variaţie cu temperatura al permitivităţii αε = 10-3/oC, rigiditatea dielectrică 100MV/m. Se realizează predominant în varianta folie de poliester metalizată, dar şi cu armături sub formă de folii de aluminiu. Se realizează de asemenea şi pentru montarea directă pe suprafaţă. Condensatoarele cu poliester de uz general se realizează pentru capacităţi nominale de la 1nF la 10 µF, cu toleranţe de ±5%, ±10%, ±20%. Au tangenta unghiului de pierderi de 2·10-3 la 100 Hz, constanta de izolaţie τiz de 104s, o variaţie a capacităţii cu temperatura în intervalul de utilizare de aproximativ ±5%, intervalul maxim de temperatură este [-40, 85(100)]°C. Au puteri nominale de la 0,2W la 2W. Ca o caracterizare generală se poate spune că aceste condensatoare au abateri mari, pierderi de putere mare, sunt instabile cu temperatura şi frecvenţa. Capacitatea la 100KHz scade cu aproxunativ 3...5% faţă de cea de la 100Hz, tgδ creşte la 100KHz de aproximativ 10 ori faţă de 100Hz, având o variaţie neliniară cu temperatura. Admit o viteză de creştere a tensiunii la borne relativ mică, de 3...15V/µs, rezultând valori mici ale curenţilor nominali şi recomandarea de a nu fi utilizate în regim de impulsuri. Se utilizează în aplicaţii de c.c., dar şi de c. a. În regim sinusoidal valoarea tensiunii este mult mai mică decât cea în c.c. şi scade puternic odată cu creşterea frecvenţei. Este recomandată utilizarea lor în domeniul frecvenţelor audio şi în special la frecvenţe de (50-400)Hz. Condensatoarele cu poliester de uz general produse în România au codurile PMP03XX (terminale axiale, protejate în capsule de plastic prin mulare cu polipropilenă). PMP06XX (terminale radiale, protejate în capsule de plastic umplută cu răşină epoxidică), PMP09XX (terminale radiale, protejate în compound de răşină epoxidică). Parametrii generali: CN = [2,7nF, 10µF], t de ± 10%, ±20%; UNcc, 100V, 250V, 400V, 500V; UNca, 63V, 160V, 220V; tgδ < 0,01; τiz = RizCN > 1250 s; categorie climatică: 40/85/21 (40/100/21-PMP06). Se utilizează şi pentru reducerea perturbaţiilor. Seria PMZ54XX este utilizată pentru reducerea perturbaţiilor radiolectrice produse de echipamentul electric auto. Au CN de la 0,33µF la 3,3µF, t = ± 20%, tgδ < 0,01, UNcc = 250V, Tm = - 40°C, TM = 100°C. Seria HMZ6401(011), fiind condensatoare de trecere pentru reducerea

Condensatoare

40

pertubaţiilor instalaţiilor de alimentare a aparaturii de radiocomunicaţii. Au CN = 1µF sau 8,2µF, t = ± 10%, UNcc = 110V, UNca = 50V, IN = 20A, tgδ < 0,01, Tm = - 40°C, TM = 70°C. 3.1.5.1.3 Condensatoare cu policarbonat Policarbonatul, denumit comercial macrofol sau diflon, prezintă faţă de polietilentereftalat câţiva parametrii mai buni: coeficientul de variaţie cu temperatura al permitivităţii mai mic cu un ordin de mărime (3·10-4/°C), tgδ mai mic (10-3), având însă rigiditatea dielectrică mai mică (15kV/mm). De asemenea viteza maximă de creştere a tensiunii la bornele condensatorului cu policarbonat este mult mai mare, fiind de 15-135V/µs, faţă de condensatoarele cu poliester, deci pot fi utilizate şi în regim de impulsuri. Sunt realizate atât în varianta folie de policarbonat metalizată, cât şi cu armăturile sub formă de folie de aluminiu. Parametrii generali: CN de la 0,82nF la 6,8µF; t de ±5%, ±10%, ±20%, tensiunea nominală în c.c. până la 1600V, iar în c.a.până la 250V la 50Hz, tgδ = 6 ·10-4 la 100Hz. Faţă de condenstoarele cu poliester, condensatoarele cu policarbonat au capacitatea mai stabilă cu frecvenţa şi temperatura (capacitatea la 100KHz scade cu cel mult 1% faţă de cea de la 100Hz). Factorul de pierderi creşte cu frecvenţa (fiind la 100KHz mai mare de 10 ori faţă de cel de la 100Hz), fiind relativ stabil cu temperatura. 3.1.5.1.4. Condensatoare cu polistiren Polistirenul, denumit comercial stiroflex, este un dielectric cu polarizare de deplasare electronică, fiind unul dintre materialele dielectrice bune utilizate la realizarea condensatoarelor. Are permitivitatea relativă de 2,5....2,6 , αε = -10-4/°C, tgδε = 10-4, prezentând o bună stabilitate a permitivităţii şi pierderilor cu frecvenţa şi temperatura. Dezavantajul acestui tip de dielectric îl reprezintă valoarea mică a temperaturii maxime de utilizare (85°C), rezultând de aici şi imposibilitatea realizării în varianta cu folie metalizată. Condensatoarele cu polistiren sunt singurele condensatoare cu dielectric sub formă de folii realizate numai în varianta cu armături din folii de Al. Parametrii uzuali ai condensatoarelor cu polistiren: - capacitatea nominală de la 47pF la 162nF; - toleranţa ±1%, ±2%, ±5%, ±10%; - tensiunea nominală în c.c., 63V, 160V, 250V, 630V; - tensiunea nominală în c.a. la 50Hz: 25V, 63V, 125V, 250V;

Componente şi circuite pasive

41

- tangenta unghiului de pierderi, 7·10-5 la 100Hz; - coeficientul de variaţie cu temperatura αc, -125 ± 60ppm/°C - categoria climatică, 10/70/21, 40/85/21. Condensatoarele cu polistiren sunt cu terminale axiale sau radiale, sunt neprotejate sau protejate cu răşini epoxidice sau în capsulă de plastic. Cele neprotejate sunt de fapt ,,autoprotejate" în sensul că se obţine o protecţie tot cu ajutorul polistirenului. După bobinare, are loc un tratament termic în urma căruia polistirenul extern se topeşte parţial etanşându-se în acest fel condensatorul. Condensatoarele cu polistiren prezintă o bună stabilitate a capacităţii şi factorului de pierderi cu frecvenţa şi temperatura, având de asemenea o abatere (toleranţă) mică a capacităţii. Valoarea capacităţii la 100KHz scade doar cu 0,02% faţă de valoarea capacităţii de la 100Hz, iar în intervalul maxim de temperatură de utilizare capacitatea se modifică cu aproximativ 0,5%. Tangenta unghiului de pierderi este mică, putându-se aproxima ca fiind independentă de frecvenţă până la 10KHz şi având valoarea de 7·10-5 , după care are loc o creştere cu frecvenţa la început neliniară, după care devine liniară (predominând pierderile în rezistenţa electrică serie a condensatorului Rs). Această creştere este direct proporţională cu capacitatea condensatorului, ajungând de exemplu ca la 1MHz, un condensator cu CN = 1nF să aibă tgδ = 10-3, iar pentru CN = 10nF, tgδ = 7·10-3 .Factorul de pierderi este relativ stabil cu temperatura, crescând cu aceasta, ajungând la 85°C, la 1,3·10-4 faţă de 0,6·10-4 la -40°C. Pot fi utilizate atât în aplicaţii de c.c. cât şi c.a., dar cu precizările: valoarea efectivă a tensiunii sinusoidale maxim admise este mult mai mică decât cea în c.c.; raportul UNca/UNcc conform parametrilor generali prezentaţi are valoarea de arpoximativ 0,4 , la 50Hz. Trebuie avut în vedere că odată cu creşterea frecvenţei, valoarea tensiunii sinusoidale scade. Curentul nominal al acestor condensatoare poate fi aproximat, în funcţie de lungimea L a condensatorului la: L = 8mm; IN = 0,3A L = 11mm; IN = 0,4A L = 16mm; IN = 0,6A L = 32mm; IN = 1A. Utilizarea la înaltă frecvenţă este limitată în general de inductanţa parazită relativ mare a acestor condensatoare (realizată în varianta neinductivă). Inductanţa parazită Lp a condensatoarelor cu polistiren poate fi aproximată, cu o anumită eroare acceptabilă în funcţie de distanţa dintre terminale d, (punctele de lipire a condensatorului pe cablaj imprimat) considerând că lungimea terminalelor este de maxim 0,5cm: d = 10mm; Lp = 10nH; d = 20mm; Lp = 20nH; d = 30mm; LP = 30nH;

Condensatoare

42

d = 40mm; Lp = 40nH. Această aproximare brută are în vedere că odată cu creştarea capacităţii are loc şi o creştere a dimensiunilor condensatorului. Este evident că odată cu creşterea capacităţii are loc o creştere a dimensiunilor, dar aceasta depinde şi de tensiunea nominală; de asemenea în cadrul aceleeaşi tipodimensiuni, diferând capacităţile nominale, diferă şi numărul de spire, deci şi inductanţa. Utilizarea în frecvenţă a condensatorului cu polistiren este limitată de inductanţa parazită (deşi nu trebuie neglijate nici pierderile datorate rezistenţei electrice Rs). De exemplu un condensator cu polistiren cu Cn = 47pF, presupunând că

are Lp = 10nH, rezultă frecvenţa proprie de rezonanţă fr = 12π L Cp

= 232MHz.

Se poate aproxima în mare că aceste condensatoare pot fi utilizate până la frecvenţe de de aproximativ sute de MHz (230MHz), în funcţie de capacitate, dar şi de firma producătoare, existând diferenţe de la o firmă la alta, în funcţie de calitatea şi tipul materialelor utilizate, (puritatea materialelor), tehnologia de realizare, respectarea tehnologiei de utililizare, precizia utilajelor tehnologice şi a aparatelor de măsură, precum şi calitatea personalului uman. În regim de impuls condensatoarele cu polistiren au o comportare relativ bună, admiţând o viteză maximă de creştere a tensiunii la borne de 100...500V/µs. Viteza maximă a tensiunii este limitată de densitatea maximă de curent admisă de armături, de inductanţa parazită şi chiar de rezistenţa de contact a terminalului la armătură (această contactare se face prin sudură electică prin puncte, rezultând un contact de suprafaţă mică). Se realizează (de foarte puţine firme) şi condensatoare cu polistiren antiinductiv, la care armăturile sunt din folii de cositor, iar bobina condensator este scurtcircuitată la capete cu aliaj de lipit prin pulverizare. Se obţin astfel inductanţe parazite mai mici, tipice pentru aceste condensatoare de 4 - 8 nH şi evident pot fi utilizate la frecvenţe mai înalte decât cele anterioare. În România se fabrică condensatoare cu polistiren de uz general cu codurile PS06XX (neprotejate) şi PS00XX (protejate), cu parametrii generali: - capacitatea nominală de la 47pF la 100nF; - toleranţa, ±2,5%, ±5%, ±10%, ±20%; - tensiunea nominală în c.c.:25V, 63V, 160V, 250V, 630V, 1000V; - tensiunea nominală în c.a. la 50 Hz: 10V, 25V, 63V, 125V, 250V; - coeficient de temperatură , - 140 ± 80 ppm/°C; - tangenta unghiului de pierderi, tgδ < 0,1%; - rezistenţa de izolaţie, Riz > 100GΩ. Condensatoarele cu polistiren se folosesc într-o mare varietate de circuite electronice de putere mică în care precizia şi stabilitatea capacităţii, pierderile mici de putere sunt criterii esenţiale. Astfel pot fi utilizate în oscilatoare de precizie, filtre, amplificatoare de FI, oscilatoare şi circuite de RF în RR şi TV, oscilatoare de linii, etaje de deflexie, circuite de impulsuri, echipamente de curenţi purtători, etc.

Componente şi circuite pasive

43

3.1.5.1.5. Condensatoare cu polipropilenă Polipropilena este un material termoplastic cu polarizare de deplasare electronică, având parametrii relativ asemănători cu cei ai polistirenului (vezi tabelul 3.12). Principalul avantaj al polipropilenei faţă de polistiren, îl reprezintă valoarea mult mai mare a temperaturii maxime de utilizare (170°C). Se realizează atât în variantă cu folii de polipropilenă metalizată, precum şi cu armăturile din folii de aluminiu. Parametrii uzuali ai condensatoarelor cu polipropilenă sunt relativ asemănători cu cei ai condensatoarelor cu polistiren: - capacitatea nominală de la 39 pF la 1µF; - toleranţa, ±2%, ±5%, ±10%; - tensiunea nominală în c.c., 63V, 160V, 250V, 630V, 1000V, 1500V, 2000V; - tensiunea nominală în c.a., 25V, 63V, 80V, 200V, 400V, 600V, 700V; - tangenta unghiului de pierderi la 100Hz, tgδ = 10-4; - coeficientul de variaţie cu temperatura αTC = - 400 ± 100 ppm/°C; - categoria climatică 40/85/56 sau 40/100/21. Condensatoarele cu polipropilenă prezintă câteva dezavantaje faţă de cele cu polistiren, având anumiţi parametrii mai slabi. Astfel valoarea capacităţii la 100KHz este mai mică faţă de cea la 100Hz cu aproximativ 0,09%. Variaţia capaciăţii cu temperatura este mai mare, fiind de ±4% în intervalul de utilizare (capacitatea scade cu temprratura aproximativ liniar). Factorul de pierderi tgδ este puţin mai mare, fiind de 10-4 la 100Hz, crescând cu frecvenţa şi capacitatea, ajungând la 100 KHz, la 2·10-4 pentru CN = 39nF şi tgδ = 10-3 pentru CN = 820nF. Toleranţa este mai mare. Prezintă însă şi o serie de avantaje faţă de cele cu polistiren. Fiind realizate şi în varianta cu folie metalizată, se obţin capacităţi specifice mai mari, respectiv capacităţi nominale mai mari ( în mod curent 1µF faţă de 100nF). Sunt realizate de asemenea în varianta antiinductivă, rezultând deci inductanţe parazite mici (5 - 10nH). Tensiunea nominală în c.c. şi c.a. este mai mare (2000V faţă de 1000V, respectiv 700V faţă de 250V). Temperatura maximă de utilizare este mai mare (100°C). Viteza maximă de creştere a tensiunii la bornele condensatorului cu polipropilenă este relativ mare, (dU/dt)M = 300...500V/µs, având deci o foarte bună comportare în regim de impulsuri, fiind printre cele mai recomandate în circuitele de impulsuri. În România se realizează condensatoare cu folie de polipropilenă metalizată cu inductanţă parazită redusă pentru aplicaţii de c.a., având codul PMMXXX. Au CN de la 1,5µF la 3,7µF cu t = ±10%; Unca = 250V,400V, tgδ la 50Hz ≤ 6·10-3; Riz ≥ 6GΩ, θm = -25°C, θM = 70°C. Se utilizează la lămpile de semnalizare auto, dar pot fi utilizate şi pentru îmbunătăţirea factorului de putere la diverse instalaţii reactive de mică putere, precum şi în alte circuite.

Condensatoare

44

Pentru o comparaţie globală între condensatoarele cu folii de dielectric, se prezintă o parte din parametrii specifici acestor condensatoare în figurile 3.16-3.19, în care sau utilizat notaţiile: MKT - condensatoare cu poliester; MKL - condensatoare cu hârtie; MKP,MFP,MKY - condensatoare cu polipropilenă; MKC - condensatoare cu policarbonat; KS - condensatoare cu polistiren.

Fig.3.16. Variaţia relativă a capacităţii cu temperatura, faţă de capacitatea la

20°C, [35].

Fig.3.17. Variaţia relativă a capacităţii cu frecvenţa, [26].

Componente şi circuite pasive

45

Fig.3.18. Variaţia tangentei unghiului de pierderi cu frecvenţa, [26].

Fig.3.19. Variaţia tangentei unghiului de pierderi cu temperatura, [35]. Pentru compararea condensatoarelor în regim de impuls, se prezintă în tabelul 3.14 valoarea maximă a vitezei de creştere a tensiunii la bornele condensatorului, (dU/dt)M. Tabelul 3.14 Valorile maxime ale vitezei de creştere a tensiunii.

Tipul condensatorului (dU/dt)M[V/µs] cu polipropilenă 300...500

cu polistiren 100...400 cu hârtie impregnată 20...200

cu policarbonat 15...135 cu poliester 5...20