CAP.3 Materiale dielectrice

MATERIALE DIELECTRICE – CONDENSATOARE

157

CAPITOLUL 3


3.1 Polarizarea dielectricilor

Materialele dielectrice numite şi electroizolante sunt caracterizate de o

rezistivitate electrică deosebit de mare cuprinsă între 1012

şi 1023

Ωmm2/m.

Ele servesc pe de o parte la izolarea electrică între elementele

conductoare de curent electric, care se găsesc la potenţiale electrice diferite, cât

şi a elementelor conductoare faţă de masa de referinţă şi împământare, iar pe de

altă parte, ca dielectric în condensatoarele electrice.

Materialele electroizolante sunt cele mai numeroase materiale

electrotehnice, numărul lor fiind în continuă creştere, pentru a corespunde cât

mai bine din punct de vedere electric, mecanic, chimic, termic şi totodată să aibă

cost de producţie redus şi fiabilitate ridicată.

Materialele electroizolante fiind cele care îşi pierd mai repede

proprietăţile (îmbătrânesc) în comparaţie cu materialele conductoare şi

magnetice, determină de fapt durate de serviciu (de viaţă) a echipamentelor

şi instalaţiilor în care sunt utilizate (maşini şi aparate electrice,

transformatoare electrice, linii electrice de transport, distribuţie şi utilizare a

energiei electrice etc.).

Fig.3.1 Diagrama benzilor energetice

Dielectricii se deosebesc de materialele conductoare prin existenşa unui

număr extrem de mic de electroni liberi – care pot să se orienteze într-un câmp

electric; banda interzisă este atât de mare (ΔWD = 2 – 10 eV) încât în

condiţii normale nu se observă conductivitate electrică, fig.3.1.

Deoarece rezistivitatea electrică a materialelor electrizolante este foarte

mare dar nu infinită (dacă ρ→ ∞, σ = 0 şi dielectricul ar fi un izolant ideal),


158

materialul aflat în câmp electric este străbătut de un curent de conducţie

extrem de mic, numit şi curent de scurgere.

Prin introducerea unui material dielectric într-un câmp electric se constată

că acestea se influenţează reciproc:

- câmpul electric modifică proprietăţile electrice ale materialului.

- materialul dielectric modifică geometria liniilor de câmp ale câmpului

electric.

Astfel, în materialele electroizolante situate în câmp electric, pe lângă

fenomenul de conducţie (apariţia curentului de scurgere), apare şi un al doilea

fenomen numit de polarizare. De altfel, aceste materiale se numesc dielectrici

pentru că au capacitatea de a se polariza sub acţiunea câmpului electric E.

Starea de polarizaţie electrică – P – caracterizează starea materiei prin

existenţa momentului electric al unităţii de volum diferit de zero.

Efectul materialului dielectric asupra câmpului electric de intensitate E, în

care este plasat materialul respectiv, se poate pune în evidenţă urmărind ceea ce

se întâmplă cu valoarea inducţiei electrice D a câmpului electric, mărime care

se mai numeşte şi densitate de flux electric. Unităţile de măsură ale celor două

mărimi electrice menţionate sunt prezentate mai jos,

2,

SI SI

C VD E

m m

unde C = Coulomb, V = volt, m = metru.

În cazul în care câmpul electric este aplicat în vid, legătura dintre inducţia

electrică D şi intensitatea câmpului electric E este dată de relaţia:

0 0D E (3.1)

unde 0 este permitivitatea electrică a vidului şi reprezintă o mărime fizică

care furnizează o măsură asupra abilităţii mediului (în acest caz vidul) de a

permite trecerea câmpului electric prin el şi se măsoară în farad/metru:

0 SI

F

m

şi are valoarea: ε0 = (1/36π)10-9

sau 8,85410-12

F/m.

În cazul în care, în câmpul electric se introduce un material dielectric se

constată că valoarea inducţiei electrice D creşte, iar această creştere este datorată

chiar polarizării materialului dielectric respectiv. Legea care leagă aceste mărimi

scrisă în complex simplificat este:

0D E P sau 0D E P (3.2)

Polarizaţia electrică P a materialului dielectric este direct proporţională cu

intensitatea câmpului electric E şi depinde de tipul materialului dielectric:

0 eP E (3.3)

unde mărimea e se numeşte susceptivitate dielectrică şi reprezintă o măsură a

dielectricului de a se polariza, sau, altfel spus, ”răspunsul dielectricului la


159

aplicarea asupra sa a unui câmp electric”. Din relaţiile de mai sus, se constată că

inducţia electrică D a câmpului electric aplicat asupra unui material dielectric se

poate determina cu relaţia:

0 0 0 1e eD E E E (3.4)

unde suma 1 e reprezintă prin definiţie permitivitatea electrică relativă a

materialului dielectric,

1r e (3.5)

Permitivitatea electrică relativă furnizează informaţii despre creşterea

inducţiei electrice a câmpului aplicat asupra unui material dielectric, raportat la

cazul în care acesta se aplica vidului, cu alte cuvinte dă o măsură a influenţei

materialului dielectric asupra câmpului electric:

0rD D (3.6)

Un fenomen caracteristic materialelor dielectrice constă în apariţia, în

structura lor, a dipolilor electici. Dipolul electric este prezentat în fig.3.2 şi este

compus dintr-o pereche de sarcini electrice de valoare Q inseparabile, de valori

egale, dar de semn opus, aflate la o anumită distanţă d . Dipolii electrici pot fi

de două tipuri: dipoli electrici induşi, respectiv dipoli electrici permanenţi.

Oricare dipol electric este caracterizat printr-un moment electric elementar p ,

care se mai numeşte şi momentul dipolului.

Fig.3.2 Dipol electric

Momentul dipolului este un vector orientat de la sarcina negativă către cea

pozitivă, iar relaţia de definire a acestuia este următoarea:

p Q d (3.7)

unde Q reprezintă sarcina electrică a dipolului electric.

Astfel, se deosebesc două tipuri de dielectrici: nepolari şi polari,

fenomenul de polarizare manifestându-se în funcţie de tipul dielectricului.

Dielectricii nepolari – în lipsa câmpului electric – sunt neutri din punct

de vedere electric. În prezenţa unui câmp electric exterior E nucleul şi

electronii suferă mici deplasări, astfel încât atomul se comportă ca fiind

format din două sarcini egale şi de semn contrar +q şi –q; acest ansamblu

formează un dipol, un dipol indus, fig.3.3.

De asemenea, fenomenul este caracteristic şi materialelor cu structură

ionică. Astfel, în fig.3.4a se prezintă trei ioni succesivi de pe o linie reticulară


160

NaCl, în cazul în care nu se aplică un câmp electric. În absenţa câmpului

electric, cei trei ioni sunt plasaţi la distanţe egale. Fiecare pereche de ioni

formează câte un dipol carecterizat de către un moment electric elementar 1p ,

respectiv 2p .

Fig.3.3 Polarizarea dielectricilor nepolari

a – atom în absenţa şi b – în prezenţa câmpului electric, polarizare de deplasare electronică

Datorită distanţei egale la care se află ionii respectivi, vectorii 1p şi 2

p

sunt egali şi de sens opus şi din acest motiv, momentul electric elementar

rezultant va fi nul:

1 2

0p p p (3.8)

Fig.3.4 Polarizare de deplasare ionică

În cazul în care materialul dielectric este introdus într-un câmp electric,

forţele de natură electrostatică vor deplasa ionii cu o distanţă d1 faţă de poziţiile

iniţiale, ca în fig.3.4b, astfel încât distanţele dintre cele două perechi de ioni se


161

vor modifica, iar momentele electrice elementare ale dipolilor formaţi nu vor

mai fi egale în modul şi în consecinţă, momentul electric elementar rezultant va

fi nenul:

1 20p p p (3.9)

După aplicarea câmpului electric, fenomenul se instalează rapid şi durează

atât timp cât se menţine câmpul electric, după îndepărtarea acestuia cei 3 ioni

revenind în poziţiile iniţiale. Orientarea dipolilor la aplicarea câmpului electric

este rapidă (dar mai lentă decât în cazul polarizării electronice), fenomenul fiind

prezent până la frecvenţe de ordinul miilor de megahertzi.

Toate materialele polarizate ionic prezintă şi fenomenul de polarizare

electronică, dar de intensitate de cel puţin de două ori mai mică.

Fenomenul de formare a dipolilor se numeşte polarizarea dielectricului.

Dipolul produce un câmp electric propriu Ep, având sens contrar

câmpului aplicat E. La încetarea câmpului electric E încetează şi polarizarea.

Dielectricii polari sunt dielectrici ai căror atomi formează dipoli şi în

absenţa câmpului electric E, dipoli permanenţi, care sunt dispuşi dezordonat în

material, astfel încât câmpul electric rezultant al dielectricului este nul. Sub

influenţa câmpului electric E dipolii tind să se rotească, astfel încît axele lor

să coincidă cu direcţia câmpului exterior.

În concluzie, sub influenţa câmpului electric E exterior, fenomenul de

polarizare constă în formarea de dipoli în cazul materialelor nepolare sau în

rotirea dipolilor la materialele polare. Când dipolii sunt aliniati după direcţia lui

E, se spune că materialul este polarizat, ca în fig.3.5.

Fig.3.5 Dielectric polarizat

Pentru materialul dielectric, starea de polarizare electrică P , ce reprezintă

densitatea volumetrică a momentelor electrice elementare p , se exprimă

cantitativ prin relaţia:

dipoliP N p , (3.10)


162

unde Ndipoli reprezintă densitatea volumetrică a dipolilor formaţi în structura

materialului, iar p reprezintă momentul electric elementar.

Ca urmare a fenomenului de polarizare apare şi un curent electric, numit

curent de polarizare.

La aplicarea unui câmp electric continuu, în dielectric apar curenţi de

conducţie şi de polarizare; curenţii de polarizare dispar într-un interval de timp

foarte scurt ( τε = 10-13

– 10-15

s, timp în care se formează şi respectiv se

orientează dipolii).

La aplicarea unui câmp electric alternativ curenţii de conducţie şi de

polarizare se menţin pe toată durata aplicării câmpului. Curenţii de conducţie şi

de polarizare produc pierderi de energie care încălzesc materialul şi

determină îmbătrânirea materialul.

3.2 Tipuri de polarizări

Prin stare de polarizare electrică se înţelege starea materiei caracterizată

prin momentul electric al unităţii de volum diferit de zero.

Se spune că un material este polarizat electric dacă produce câmp

electric sau dacă introdus într-un câmp electric interacţionează cu acesta.

Starea de polarizare electrică poate fi de două feluri:

1 - temporară, ce depinde de intensitatea locală a câmpului electric în care este

situat dielectricul şi se menţine numai pe durata aplicării sursei de polarizare

(câmpul electric);

2 - permanentă, dacă nu depinde de intensitatea locală a câmpului electric, dar

o dată instalată, starea de polarizare a materialului dielectric se menţine

indiferent dacă materialul se află sau nu în câmp electric.

1. Polarizarea temporară poate fi:

- polarizare de deplasare (electronică sau ionică);

- polarizare de orientare dipolară.

1a. Polarizarea de deplasare electronică reprezintă deplasarea limitată

şi elastică, sub acţiunea câmpului electric, a învelişurilor electronice ale atomilor

dielectricului, fig.3.3. Acest mecanism de polarizare este o proprietate

universală a materiei, fiind uneori denumit şi polarizare optică datorită faptului

că intervine în propagarea prin dielectric a câmpurilor electromagnetice de

frecvenţe foarte ridicate situate în domeniul infraroşu, vizibil sau ultraviolet.

În general, materialele care prezintă numai polarizare de deplasare

electronică sunt denumite materiale nepolare.

1b. Polarizarea de deplasare ionică (atomică) reprezintă deplasarea

limitată şi elastică, sub acţiunea câmpului electric, a ionilor dielectricului,

fig.3.4. Acest mecanism de polarizare este specific dielectricilor cu legături

preponderent ionice.

1c. Polarizarea de orientare dipolară reprezintă orientarea pe direcţia

câmpului electric aplicat a momentelor electrice existente în material, momente


163

care, în absenţa câmpului, sunt distribuite aleatoriu sub influenţa energiei

termice. Polarizarea de orientare dipolară este tipică materialelor ale căror

molecule prezintă moment electric propriu (molecule polare), materialele fiind

denumite materiale polare. Un exemplu tipic îl constituie orientarea haotică a

moleculelor de apă H2O în absenţa câmpului electric – fig.3.6a şi în consecinţă

şi cea a momentelor electrice elementare, motiv pentru care vectorul polarizaţie

este nul, iar materialul este nepolarizat. În prezenţa câmpului electric,

moleculele de apă se orientează – fig.3.6b, astfel încât, datorită orientării

momentelor electrice elementare pe direcţia câmpului, vectorul polarizaţie

devine nenul şi în consecinţă materialul dielectric devine polarizat.

Orientarea dipolilor la aplicarea unui câmp electric este lentă, fenomenul

fiind prezent până la frecvenţe de ordinul sutelor de kilohertzi şi este totodată

influenţat de temperatură.

Polarizarea temporară specifică materialelor cu momente spontane se

numeşte polarizare de orientare.

a. b.

Fig.3.6 Polarizare de orientare

Pentru dielectricii a căror structură conţine defecte pot apărea, sub

acţiunea câmpului electric aplicat, deplasări limitate dar neelastice ale ionilor

sau/şi polaronilor, cu localizarea acestora pe defecte ale structurii, pe pereţi

intergranulari etc. Astfel de mecanisme de polarizare, denumite uneori,

polarizări structurale, interfaciale polaronice etc., sunt în general nedorite

deoarece măresc dependenţa performanţelor dielectrice de frecvenţa câmpului şi

de temperatura ambiantă.

2. Polarizarea permanentă poate fi:

- spontană (piroelectrică);

- piezoelectrică.

2a. Polarizarea spontană reprezintă ordonarea dielectrică care apare pe

domenii de temperatură în structuri necentrosimetrice cu axă polară în absenţa

câmpului electric exterior, din condiţii de minimizare a energiei libere a

structurii. Deoarece energia liberă este dependentă puternic de temperatură,

starea de polarizaţie spontană depinde de asemenea de temperatură, motiv

pentru care acest mecanism de polarizare este denumit polarizare piroelectrică.


164

Deoarece materialele, la care acest fenomen este prezent, se comportă în

câmp electric ca şi fierul în câmp magnetic, aceste materiale se mai numesc şi

materiale feroelectrice. Orientarea momentelor electrice ale unităţilor

polarizabile este aceeaşi în diferite volume macroscopice (domenii) ale

materialului, astfel încât, fiecare domeniu este caracterizat de către un vector de

polarizaţie nenul kP , orientat independent faţă de cei specifici celorlalte

domenii polarizate, aşa cum este prezentat şi în fig.3.7a.

Datorită orientării haotice a acestor vectori, vectorul polarizaţie rezultant

pentru întregul material este nul.

0k

k

P P (3.11)

Prin introducerea materialului feroelectric într-un câmp electric, vectorii

polarizaţie kP ai domeniilor se vor orienta pe direcţia câmpului electric aplicat,

iar vectorul polarizaţie rezultant va fi în acest caz nenul – fig.3.7b.

0k

k

P P (3.12)

a – câmp electric nul b – câmp electric nenul

Fig.3.7 Polarizare spontană

Fenomenul de polarizare piroelectrică permanent este lent, duce la

încălzirea materialului şi rămâne şi după eliminarea câmpului electric.

Din categoria dielectricilor cu polarizare spontană utilizări practice au

cristalele feroelectrice (cristale dielectrice cu polarizare spontană a cărei direcţie

sau sens poate fi schimbată prin acţiunea unui câmp electric exterior).

2b. Polarizarea piezoelectrică reprezintă polarizarea care apare în

structurile necentrosimetrice sub acţiunea tensiunilor mecanice aplicate

structurii. Cristalele care prezintă polarizare sub acţiunea tensiunilor mecanice

(efect piezoelectric direct) posedă de asemenea şi proprietatea de deformare a

structurii cristaline sub acţiunea câmpului electric exterior (efect piezoelectric

invers).

Fenomenul piezoelectric direct este specific materialelor dielectrice care

în structura lor nu au centru de simetrie – fig.3.8.

Pentru acest tip de materiale, în absenţa unei forţe externe, centrul sarcinii

pozitive coincide cu centrul sarcinii negative şi în consecinţă, momentul electric


165

elementar al dipolului astfel format este zero; distanţa d dintre sarcina pozitivă şi

cea negativă, care formează dipolul, fiind 0 – relația (3.7). Prin aplicarea unei

forţe externe, centrul sarcinii electrice pozitive devine diferit de centrul sarcinii

electrice negative şi astfel, deoarece distanţa d dintre sarcina pozitivă şi cea

negativă, care formează dipolul, nu mai este nulă, momentul electric elementar

al acestuia devine nenul şi deoarece vectorii momentelor electrice elementare

sunt proiectaţi după direcţia forţei externe aplicate, în material se instalează

starea de polarizare.

a. b.

Fig.3.8 Fenomenul piezolelectric direct

Efectul piezoelectric direct este prezentat în fig.3.9a, în care se consideră

un material dielectric izolat, asupra căruia nu se aplică nici un câmp electric sau

forţă mecanică. În acest caz, în materialul dielectric nu există feneomene de

polarizare. Prin aplicarea unei forţe mecanice asupra materialului, fig.3.9b,

acesta se polarizează (vectorul polarizaţie devine nenul) şi în consecinţă, se

remarcă apariţia sarcinilor electrice la suprafaţa materialului respectiv.

a. b.

Fig.3.9 Efectul piezoelectric direct

Relaţia dintre vectorul polarizaţie Pi, indus pe direcţia i, prin aplicarea

unei forţe mecanice Fj, aplicate pe direcţia j, este următoarea:

i ij jP dF , (3.13)

unde dij este coeficientul piezoelectric, specific materialului dielectric.

Materialele dielectrice la care este prezent efectul piezoelectric direct sunt

utilizate pentru realizarea unor dispozitive, numite traductoarelor piezoelectrice,

care realizează conversia dintr-o mărime mecanică în una electrică. De exemplu,


166

pe baza acestor materiale dielectrice se pot realiza dispozitive care detectează

vibraţiile mecanice şi le transformă în mărimi electrice, astfel de dispozitive

fiind utile, de exemplu, în realizarea microfoanelor.

Efectul piezoelectric invers este prezentat în fig.3.10. Prin aplicarea unui

câmp electric asupra unui material dielectric, acesta poate să comprime

materialul, fig.3.10a sau să-l extindă, fig.3.10b.

Relaţia dintre forţa mecanică Fi de deformare a materialului dielectric,

indusă pe direcţia i, prin aplicarea unui câmp electric Ej, aplicat pe direcţia j,

este următoarea:

i ij jF d E , (3.14)

unde dij este coeficientul piezoelectric, specific materialului dielectric.

a. b.

Fig.3.10 Efectul piezoelectric invers

Materialele dielectrice la care este prezent efectul piezoelectric invers sunt

utilizate pentru realizarea unor dispozitive care realizează conversia dintr-o

mărime electrică în una nelectrică. De exemplu, dacă asupra unui cristal de

quartz, prevăzut cu electrozi, se aplică o tensiune sinusoidală, acesta va genera

vibraţii mecanice.

Stări de polarizaţie cvasipermanente (denumite polarizări de tip

electret) pot fi create în anumite tipuri de dielectrici prin tratament termic în

câmp electric (termoelectret), iluminare în prezenţa câmpului electric

(fotoelectret), iradiere cu radiaţii β (pseudoelectret).

Obs. De menţionat că într-un dielectric îşi manifestă prezenţa în

majoritatea cazurilor nu numai unul, ci mai multe dintre mecanismele de

polarizare.

3.3 Funcţiile dielectricilor

3.3.1 Funcţia de dielectric pentru condensatoare

Dacă unui condensator cu dielectric aer (vid), fig.3.11, i se aplică o

tensiune continuă U, armăturile condensatorului se încarcă cu sarcini egale şi de

sens contrar +Q şi –Q, iar dacă condensatorului i se aplică o tensiune alternativă,

semnul sarcinilor pe armături se inversează în permanenţă, funcţie de frecvenţă.

Sarcina Q este proporţională cu tensiunea U aplicată conform relaţiei:


167

0Q C U , (3.15)

unde C0 este factor de proporţionalitate şi poartă numele de capacitate electrică

a condensatorului în vid şi se măsoară în farazi [F].

Capacitatea condensatorului este cu atât mai mare, cu cât suprafaţa S a

armăturilor este mai mare şi cu cât distanţa d dintre armături este mai mică,

conform relaţiei:

0 0 /C S d (3.16)

şi unde: 0 este permitivitatea electrică a vidului.

Fig.3.11 Condensator cu dielectric vid

Se înţelege că, capacitatea depinde şi de natura dielectricului care există

între cele două armături fig.3.12. Mărimea care caracterizează dielectricul din

acest punct de vedere se numeşte constantă dielectrică sau permitivitate

absolută .

Fig.3.12 Condensator cu material dielectric între armături

Permitivitatea absolută este dată de relaţia:

0 r , (3.17)

iar expresia capacităţii va fi:

0 0/ /r rC S d S d C (3.18)

De unde rezultă permitivitatea relativă a dielectricului r ce reprezintă

raportul dintre capacitatea condensatorului C având între armături dielectricul

considerat şi capacitatea aceluiaşi condensator având ca dielectric vidul C0:

0/r C C (3.19)


168

De asemenea, permitivitatea relativă a unui mediu arată de câte ori forţa

de interacţiune dintre două corpuri încărcate electric este mai mare în vid decât

în mediul respectiv:

0 1 2 1 2

2 2

0 0

/4 4

r

F q q q q

F r r

(3.20)

Permitivitatea relativă r are valoarea 1 pentru vid, se consideră 1 pentru

toţi dielectricii gazoşi şi poate ajunge la valori până la 10.000 pentru compuşi ai

bariului.

Interacţiunea unui dielectric izotrop (din punct de vedere al unor

proprietăţi, dacă are o astfel de structură încât valorile locale ale mărimilor care

caracterizează acele proprietăţi nu variază cu direcţia la care se referă) cu

câmpul electric este caracterizată în domeniul liniar de permitivitatea

complexă relativă:

0/r j D E , (3.21)

unde D şi E sunt reprezentarea în complex simplificat a inducţiei câmpului

electric şi a intensităţii câmpui electric.

Un material dielectric cu permitivitatea complexă relativă se introduce

între armăturile unui condensator ce are capacitatea C0 în vid, fig.3.13. În

aproximaţia că liniile câmpului electric se închid în întregime prin material

(efectele de margine sunt neglijabile), admitanţa la bornele condensatorului are

expresia:

Y G j C

0 0 0 0Y j C j C j C j C (3.22)

Fig.3.13 Schema echivalentă şi diagrama vectorială pentru un condensator

cu material dielectric între armături

Deci condensatorul cu material dielectric între armături este

echivalent unui condensator fără pierderi având capacitatea de ori mai

mare:

0echC C (3.23)


169

şi unei rezistenţe de pierderi în paralel de valoare:

0

1 1echR

G C

(3.24)

Din relaţíile de echivalare şi schema condensatorului echivalent se

observă că:

- , partea reală a permitivităţii complexe relative, caracterizează

dielectricul din punctul de vedere al capacităţii sale de a polariza, reprezintă

permitivitatea electrică elastică şi arată efectul de creştere a capacităţii

electrice iar

- , partea imaginară, caracterizează dielectricul din punct de vedere al

pierderilor de energie în material, reprezintă permitivitatea electrică

vâscoasă şi arată efectul de încălzire a dielectricului datorită fenomenelor de

polarizare lente.

Principala funcţie pe care dielectricul o îndeplineşte prin introducerea

sa între armăturile condensatorului constă deci, indiferent de mecanismul său de

polarizare (se numesc dielectrici pentru că au capacitatea de a se polariza

sub acţiunea câmpului electric), în creşterea de ori a capacităţii

condensatorului la aceleaşi dimensiuni geometrice. Proprietatea este larg

utilizată atât în tehnica condensatoarelor discrete, cât şi în cea a circuitelor

integrate hibride.

Prin introducerea dielectricului în câmp electric, o parte din energia

câmpului se disipă în material transformându-se în majoritatea cazurilor în

căldură. Energia disipată în unitatea de timp sub influenţa şi pe seama

câmpului electric, constituie pierderile în dielectric.

În cazul în care dielectricul este supus unei tensiuni continue, pierderile

de energie în dielectric se datoresc numai curentului de conducţie, care fiind

foarte mic şi pierderile corespunzătoare sunt mici (materialele dielectrice

conţin o concentraţie redusă de purtători de sarcină electrică mobili şi deci au o

conductivitate electrică nenulă).

În cazul tensiunii alternative, aceste pierderi (determinate de curentul

de conducţie şi de polarizare) sunt mult mai mari şi, transformându-se în

căldură, îmbătrânesc materialul sau în cazul cel mai rău îl distrug.

Procesul de urmărire întârziată a polarizaţiei la variaţii rapide

ale câmpului electric exterior poartă numele de postefect . Astfel,

dacă se consideră o variaţie bruscă a câmpului electric, valoarea

polarizaţiei temporare corespunzătoare câmpului electric aplicat

va fi atinsa după un interval de timp Δt.

La o variaţie sinusoidală a câmpului electric :

0 sinE t E t , (3.25)

polarizaţia temporară se modifică de asemenea sinusoidal, cu un

defazaj ”în urmă”, datorită postefectului :


170

0 0 sineP t E t (3.26)

Întrucât e este o mărime complexă, la frecvenţe înalte, în

conformitate cu relaţia (3.2), vectorii D şi E nu mai sunt coliniari,

iar dependenţa polarizaţiei de intensitatea câmpului electric nu mai

este liniară, având forma unei elipse cu vârfuri ascuţite.

Variaţia componentelor permitivităţii relative complexe cu pulsaţia

câmpului electric este prezentată în fig.3.14.

Fig.3.14 Variaţia componentelor permitivităţii relative complexe cu pulsaţia

După cum se observă, permitivitatea electrică elastică scade pe măsură ce

pulsaţia şi în consecinţă frecvenţa câmpului electric aplicat asupra dielectricului

creşte. Deci şi în cazul materialelor dielectrice se poate determina o frecvenţă

limită superioră până la care proprietatea de material r există şi se manifestă în

dielectric.

Fig.3.15 Permitivitatea relativă normată

Astfel, aplicând asupra materialului o excitaţie variabilă în timp, în

material se defineşte un r de curent alternativ care, în funcţie de r de curent

continuu, r (0), va avea următoarea expresie analitică:


171

..

1

r ccr ca

j

sau .

.2 2

.

1

1

r car N

r cc

(3.27)

unde este constanta de timp de polarizare dielectrică. Reprezentarea grafică a

modulului prmitivităţii relative este prezentată în fig.3.15.

Scăderea valorii modulului permitivităţii relative la valoarea:

. 0,707r N se obţine pentru 1 , de unde:

1

, (3.28)

ce reprezintă pulsaţia limită la înaltă frecvenţă pentru pemitivitatea dielectrică

relativă.

Variaţia permitivităţii electrice vâscoase r , din fig.3.14, are un maxim

pentru o anumită pulsaţie denumită pulsaţie critică, ceea ce indică faptul că, la

această pulsaţie, materialul dielectric se încălzeşte cel mai puternic, prezentând

pierderile cele mai mari.

De asemenea, pierderile în dielectric reprezintă putere activă:

cosa RP UI UI (3.29)

Dacă dielectricul condensatorului ar fi ideal (nestrăbătut de curenţi),

curentul care se stabileşte în circuit între cele două armături, prin sursă, ar fi

defazat înaintea tensiunii cu un unghi φ = π/2; ar rezulta cosφ = 0 şi Pa = 0, la

dielectricul ideal.

Pentru dielectricul real curentul I este defazat faţă de tensiunea U cu un

unghi φ < π/2. Complementul unghiului de defazaj se notează cu δ (δ = π/2 –

φ) şi se numeşte unghi de pierderi (fig.3.13). El este cu atât mai mare cu cât

curentul care trece prin dielectric este mai mare.

S-a stabilit că pierderile în dielectricii supuşi la tensiuni alternative

sunt proporţionale cu tangenta acestui unghi.

Se defineşte ca tangentă a unghiului de pierderi al materialului,

raportul:

0

0

/ 1 1

1Ra ech

r C ech ech ech

UIP UU Rtg

P UI UU C C RC

C

, (3.30)

unde aP şi rP sunt puterea activă şi reactivă la bornele condensatorului.

Pentru diverşi dielectrici tgδ variază între 10-1

şi 10-4

. Un bun izolant

trebuie să aibă tgδ cât mai mică. Astfel, permitivitatea relativă complexă ,

relaţia (3.21), se poate scrie ş i sub forma:

1 1r j jtg

(3.31)


172

Inversul tangentei unghiului de pierderi se numeşte factor de calitate al

materialului dielectric:

1

ech echQ C Rtg

(3.32)

Ca şi la studiul proprietăţilor materialelor magnetice şi la materialele

dielectrice se pun în evidenţă domenii de polarizare electrică spontană, în

care dipolii electrici sunt orientaţi paralel. La aplicarea unui câmp electric, o

parte din energia câmpului E este cheltuită cu orientarea tuturor vectorilor de

polarizare în sensul câmpului aplicat, reprezentând pierderile în dielectrici ( r ). Va exista deci şi un histerezis dielectric cu diferite forme de variaţii

D=f(E), prezentate în fig.3.16.

Polarizare de deplasare Polarizare de orientare Polarizare spontană

electronică (de relaxare)

Fig.3.16 Cicluri de histerezis dielectric

Astfel, pierderile în dielectrici se clasifică în:

- pierderi prin polarizare – proporţionale cu suprafaţa ciclului de

histerezis;

- pierderi prin conducţie electrică – ce se evidenţiază atunci când

conductibilitatea materialului este şi ea ridicată;

- pierderi prin ionizare – ce se evidenţiază la dielectricii gazoşi sau care

au incluziuni gazoase ce trebuie ionizate;

- pierderi de neomogenitate structurală.

Pe ciclurile de histerezis din fig.3.16, la fel ca la materialele magnetice,

din cauza neliniarităţii, pentru caracterizarea materialului dielectric se folosesc

mai multe moduri de definire a permitivităţii dielectrice (care depinde de

compoziţia materialului, tratamentele termice, solicitările mecanice, intensitatea

câmpului magnetic etc.), după cum urmează:

- permitivitatea absolută ca fiind raportul:

0 r

D

E , (3.33)


173

unde 0 = (1/36π)10

-9 F/m (sau 8,85410

-12 F/m) este permitivitatea absolută a

vidului;

- permitivitatea relativă statică:

.

0

1r st

D

E

(3.34)

- permitivitatea relativă diferenţială:

. 0

0

1limr dif E

D

E

(3.35)

În funcţie de natura pierderilor se poate studia dependenţa

permitivităţii r de frecvenţă şi temperatură:

r = f(ω,T) pentru fiecare tip de

polarizare.

3.3.2 Funcţia de izolaţie electrică

Pierderile în dielectrici fiind în general reduse, valoarea rezistenţei

echivalente Rech din fig.3.13 este mare, adică dielectricii îndeplinesc în foarte

bune condiţii funcţia de izolaţie între piese conductoare de cele mai diverse

tipuri. În acest scop, materialul trebuie să prezinte simultan cu valoarea ridicată

a rezistenţei de izolaţie, o pemitivitate redusă, adică o valoare mică a capacităţii

echivalente Cech din fig.3.13, pentru a evita cuplajul capacitiv între piesele

izolate, în special pentru domeniul frecvenţelor înalte.

În câmpuri electrice intense, dielectricul pierde proprietatea sa de izolaţie

prin străpungere dielectrică. Valoarea intensităţii câmpului la care acest fenomen

se produce poartă numele de rigiditate dielectrică.

3.3.3 Funcţii neliniare şi parametrice

Pentru clasa cristalelor feroelectrice, permitivitatea reală relativă r este

dependentă de valoarea efectivă a câmpului electric alternativ şi de intensitatea

câmpului electric continuu aplicate dispozitivului. În funcţie de valoarea

tensiunii de comandă, permitivitatea reală a feroelectricului, adică capacitatea

condensatorului neliniar va varia, modificând astfel curentul prin circuitul de

sarcină. Pe acest principiu, cu modificări corespunzătoare ale schemelor se

realizează: amplificatoare dielectrice, stabilizatoare dielectrice de curent şi de

tensiune, modulatoare dielectrice pentru modulaţie de amplitudine sau de

modulaţie de fază.

3.3.4 Funcţia de traductor piroelectric

Variaţia cu temperatura a polarizaţiei spontane a cristalelor feroelectrice

permite acestora îndeplinirea funcţiei de transformare a fluxului incident de


174

energie în energie electrică. Pe acest principiu se realizează traductoarele

piroelectrice în infraroşu (banda 2...35 μm), precum şi detectoarele în unde

milimetrice şi submilimetrice.

3.3.5 Funcţia de traductor piezoelectric

Cristalele cu polarizare piezoelectrică îndeplinesc în dispozitive atât

funcţia de traductor piezoelectric direct, transformînd energia mecanică în

energie electrică (micrefoane cu cristal, doze pick-up, generatoare de tensiune

înaltă pentru aprindere etc.), cât şi funcţia de traductor piezoelectric invers,

transformând energia electrică în energie mecanică (traductoare pentru curăţire

cu ultrasunete, traductoare pentru sudură cu ultrasunete, antene emiţătoare de

ultrasunete etc.).

Efectul piezoelectric se află de asemenea la baza familiei de dispozitive

funcţionale cu undă elastică de volum (rezonatoare, transformatoare ceramice,

filtre) sau cu undă elastică de suprafaţă (filtre trece-bandă nedisipative, filtre

optimale, codoare şi decodoare pentru semnale modulate în fază, linii de

întârziere).

3.3.6 Funcţia de traductor electrooptic

Proprietăţile electrooptice ale cristalelor cu polarizare spontană (cristalele

feroelectrice, cristalele lichide) permit acestora îndeplinirea funcţiei de modulare

comandată electric a intensităţii unui fascicul luminos transmis sau reflectat de

către dielectric. Pe baza acestei funcţii se realizează dispozitive de afişaj alfa-

numerice sau analogice şi memoriile optodielectrice de mare capacitate.

Interacţiunea undelor luminoase şi a undelor elastice în interiorul sau la

suprafaţa unui mediu dielectric permite realizarea funcţiei de deflexie

comandată electric, a unui fascicul luminos, care se propagă prin dielectric.

3.3.7 Funcţia de electret

Polarizaţia remanentă de lungă durată a electreţilor permite crearea unui

câmp electrostatic în interstiţiul dielectric-armătură, câmp util în aparate ca:

electrometre, dozimetre, filtre pentru gaze. Variaţia câmpului electrostatic prin

varierea interstiţiului permite realizarea traductoarelor de vibraţii şi a

microfoanelor cu electret.

3.4 Polarizarea de deplasare a dielectricilor (electronică şi ionică)

3.4.1 Modelul teoretic al dielectricului cu polarizare de deplasare,

fără pierderi prin conducţie

Pentru calculul polarizabilităţii şi determinarea dependenţei temporare a

acesteia în funcţie de forma câmpului exterior aplicat, în cazul dielectricilor cu


175

polarizare de deplasare se consideră următorul model de bază: sarcinile electrice

sunt legate elastic în poziţiile de echilibru (electronii legaţi „elastic” de nucleu,

ionii din nodurile reţelei cristaline legaţi „elastic” de ionii vecini).

La aplicarea câmpului electric sarcinile se deplasează din poziţiile lor de

echilibru, generând polarizarea de deplasare; la anularea câmpului ele revin în

aceste poziţii prin mişcări oscilatorii amortizate.

Dacă deplasările sarcinilor au loc pe direcţia axei Oz, ecuaţia de mişcare

la anularea câmpului este de forma: 2

2

022 0

d z dzz

dt dt , (3.36)

unde: 2β este factorul de amortizare,

ω0 – pulsaţia proprie de rezonanţă a particulei care se deplasează.

Pentru cazul practic al amortizărilor foarte mici (β2

<< 20 ) soluţia

ecuaţiei (3.36) este:

0 0 0cos( )

t

z z e t

, (3.37)

unde: 1

este constanta de timp de relaxare (timpul în care amplitudinea

oscilaţiei scade la 1/e din valoarea maximă);

0z – amplitudinea oscilaţiei (constantă de integrare);

0 – faza iniţială (constantă de integrare).

Momentul electric elementar fiind proporţional cu deplasarea din poziţia

de echilibru rezultă că la anularea câmpului, polarizabilitatea va varia în timp

după o lege analogă relaţiei (3.34):

/

0 0( ) (0) cos( )t

t e t

. (3.38)

Cunoscând dependenţa în timp a polarizabilităţii se poate determina

dependenţa de frecvenţă a permitivităţii complexe (particularizând pentru

cazul dielectricilor relaţiile fundamentale de răspuns ale unui sistem liniar la o

excitaţie exterioară, cu respectarea principiului suprapunerii efectelor şi a

principiului cauzalităţii şi unde α(0) – este polarizabilitatea la momentul iniţial):

0

( ) j tt e dt

, (3.39)

unde este valoarea permitivităţii pentru o frecvenţă a câmpului ce tinde către

infinit.

Pentru pulsaţii ale câmpului mai mici decât pulsaţia de rezonanţă a

particulei care se deplasează ( 0 ) din relaţia (3.39) rezultă:

0

st

(3.40)


176

unde s-a notat cu st valoarea permitivităţii reale la frecvenţe foarte joase.

Din relaţiile (3.40), reprezentate grafic în fig.3.17, rezultă că la pulsaţii ale

câmpului mai mici decât cele de rezonanţă proprie ale electronilor, dielectricii

cu polarizare de deplasare au permitivităţi reale constante ( st ) şi

pierderi prin polarizare nule ( 0 ).

Fig.3.17 Dependenţa de frecvenţă a permitivităţii relative pentru dielectricii

cu polarizare de deplasare, fără pierderi prin conducţie

Pentru acest domeniu de frecvenţă (care atinge pentru dielectricii cu

polarizare de deplasare electronică aproximativ 10.000 GHz, iar pentru cei cu

polarizare de deplasare ionică aproximativ 100 GHz) schema echivalentă a

unui condensator cu dielectric ideal (fără pierderi prin conducţie) se reduce la

o capacitate cu valoarea 0stC , fig.3.18, conform relaţiei:

0 0 0 0stY j C j j C j C j C j C (3.41)

Fig.3.18 Schema echivalentă a condensatorului cu dielectric cu polarizare

de deplasare, fără pierderi prin conducţie

Pulsaţiile proprii de rezonanţă ale electronilor atomilor se află în spectrul

vizibil ( 0 ≈ 2π1015

rad/s), iar ale ionilor în spectrul infraroşu ( 0 ≈ 2π1013

rad/s). Pentru pulsaţii de acelaşi ordin de mărime ale câmpurilor electrice


177

aplicate (0 ) intervin fenomene de rezonanţă, dependenţa de frecvenţă a

permitivităţii reale şi a pierderilor prin polarizare fiind tipice fenomenelor de

rezonanţă.

Pentru pulsaţii foarte mari ale câmpurilor electrice aplicate (mai mari

decât pulsaţiile proprii de rezonanţă, 0 ) permitivitatea reală redevine

constantă ( ) iar pierderile prin polarizare tind repede către zero

( 0 ), fig.3.17.

3.4.2 Pierderi prin conducţie în dielectrici (dielectrici reali)

Dielectricii reali posedă o concentraţie de sarcini electrice “libere” foarte

mică (electroni, goluri, ioni) care se pot deplasa sub acţiunea câmpului electric

aplicat, dând naştere curentului de conducţie.

În dielectricii gazoşi, conducţia electrică se datoreşte ionilor şi

electronilor liberi care apar prin ionizare datorită factorilor externi (radiaţii

ultraviolete, radioactive, Roentgen, cosmice, încălzirea puternică a

dielectricului) sau prin ionizare prin ciocnirea de moleculele gazului a

particulelor încărcate, accelerate de câmp. Dependenţa curent-tensiune în cazul

dielectricilor gazoşi este prezentată în fig.3.19.

În dielectricii lichizi, conducţia electrică este strâns legată de structura

moleculelor lichidelor. În lichidele cu polarizare de deplasare conducţia electrică

depinde esenţial de existenţa impurităţilor disociate în lichid. În acest caz,

purificarea dielectricului conduce la o creştere însemnată a rezistivităţii

volumetrice. Creşterea temperaturii conduce la creşterea conductivităţii

volumetrice atât prin creşterea gradului de disociere, cât mai ales prin creşterea

mobilităţii purtătorilor de sarcină. Dependenţa conductivităţii volumetrice de

temperatura absolută este de tip exponenţial: a

TAe

, (3.42)

unde a şi A sunt constante ce caracterizează dielectricul lichid.

În dielectricii solizi, pentru câmpuri inferioare valorilor 105 – 10

6 V/m,

conducţia electrică este preponderent ionică şi se datoreşte în special defectelor

de tip Frenkel sau Schottky (defecte punctuale) din structura dielectricului.

Conductivitatea ionică depinde de temperatură tot după o lege

exponenţială, de tipul:

b

TB

eT

, (3.43)

unde B şi b sunt de asemenea constante de material foarte slab dependente de

temperatură ca şi constantele A şi a din relaţia (3.42).

Natura ionilor care produc conducţia electrică depinde de de tipul legăturii

în dielectric. Pentru dielectricii cu legături preponderent covalente, conducţia

este legată în primul rând de prezenţa ionilor impuritate. În acest caz, poate fi


178

obţinută o purificare electrică prin trecerea îndelungată a curentului prin

dielectric. Pentru dielectricii solizi cu structură ionică, conducţia se datoreşte

atât deplasării ionilor de impuritate (în special la temperaturi joase), cât şi

ionilor principali ai reţelei aflaţi în defecte ale acesteia.

Conducţia electronică (electroni şi goluri) în dielectricii solizi la câmpuri

sub 106 V/m este în general neglijabilă datorită lărgimii mari a zonei interzise

(ΔWD>5eV), ceea ce generează o cantitate mică de purtători de sarcină liberi.

Pentru câmpuri electrice mai mari de 106 V/m, conducţia electronică

devine importantă, producând ionizări prin ciocnire ale atomilor sau ionilor

dielectricului (conducţia electrică devine neliniară, zona Poole din fig.3.20). La

câmpuri peste 108 V/m aceste ionizări conduc la străpungerea dielectricului.

Fig.3.19 Dependenţa curent-tensiune Fig.3.20 Dependenţa curent-câmp

în cazul dielectricilor gazoşi electric în cazul dielectricilor solizi

La suprafaţa dielectricilor solizi, conducţia electrică este condiţionată

îndeosebi de prezenţa umidităţii. Din acest punct de vedere, dielectricii solizi pot

fi împărţiţi în trei grupe:

- dielectrici insolubili în apă, pentru care rezistivitatea superficială - Rs are valori

mari şi depinde foarte puţin de umiditatea mediului ambiant (micalex);

- dielectrici parţial solubili în apă, pentru care rezistivitatea superficială - Rs este

scăzută şi depinde în mare măsură de umiditate (sticlă alcalină);

- dielectrici cu structură poroasă care, datorită structurii lor au o mică

rezistivitate în mediul umed (celuloid).

Pentru toate tipurile de dielectrici solizi, îndepărtarea impurităţilor de pe

suprafaţa dielectricului conduce la creşterea rezistivităţii superficiale Rs.

În cazul real al existenţei pierderilor prin conducţie electrică, dependenţa între

permitivitatea complexă relativă şi conductivitate se obţine considerând un

dielectric cu pierderi prin conducţie între armăturile de formă oarecare ale unui

condensator. Pentru o sarcină Q înmagazinată pe armături sub diferenţa de

potenţial U, forma liniilor de câmp electric şi de curent de conducţie vor

coincide, fig.3.21:

J E , (3.44)


179

unde J este vectorul densitate a curentului de conducţie. Notând cu I intensitatea

curentului de conducţie şi definind o suprafaţă închisă Σ care intersectează

totalitatea liniilor de câmp şi care conţine în interior sarcina înmagazinată pe

armătura superioară, atunci raportul Q/I are expresia:

0

0st

stDdA EdAQ

I JdA EdA

. (3.45)

În alt mod, raportul Q/I se poate exprima prin:

/

p

p

Q CUCr

I U r , (3.46)

unde 0stC C reprezintă capacitatea condensatorului cu dielectric între

armături iar pr – rezistenţa de pierderi prin conducţie. Deci, ţinând seama de

pierderile prin conducţie, condensatorul cu dielectric între armături are schema

echivalentă din fig.3.22; constanta de timp a grupului condensator-rezistenţă

rezultă din egalitatea relaţiilor (3.45) şi (3.46):

0 stp pCr

de unde rezultă:

0

p p

p

st

rC C

(3.47)

Fig.3.21 Forma liniilor de câmp şi de curent

Fig.3.22 Schema echivalentă a condensatorului cu dielectric

cu polarizare de deplasare şi pierderi prin conducţie


180

Schema echivalentă din fig.3.22 este valabilă pentru dielectricii cu

polarizare de deplasare la frecvenţe ale câmpului electric inferioare frecvenţei

proprii de rezonanţă a particulelor care se deplasează.

3.4.3 Dependenţa de frecvenţă şi temperatură a permitivităţii

complexe relative pentru dielectrici cu polarizare de deplasare

Admitanţa de intrare a schemei din fig.3.22 are expresia:

0 0

0

1 1st st

p p

Y j C j j Cr r C

(3.48)

0 0Y j C j j C (3.49)

Prin identificarea relaţiei (3.48) cu relaţia (3.49) se obţin expresiile părţii

reale şi imaginare a permitivităţii complexe relarive şi, cu ajutorul acestora, a

tangentei unghiului de pierderi:

st

0 00 0

0 0

0

1 1 1

st stp

st

r CC C

C C

(3.50)

0 st

tg

Relaţiile (3.50) sunt reprezentate grafic în fig.3.23, la temperatură

constantă. Dacă temperatura este constantă ş i conductivitatea ,

conform relaţiei (3.43), este tot o mărime constantă, iar dacă

temperatura se modifică, tangenta unghiului de pierderi se va

modifica la fel ca şi conductivitatea după o lege exponenţială,

conform relaţiilor (3.43) şi (3.50).

Fig.3.23 Dependenţa de frecvenţă la temperatură constantă a permitivităţii reale (a.)

şi a tangentei unghiului de pierderi (b.), pentru dielectricii cu polarizare

de deplasare şi pierderi prin conducţie


181

Dielectricii cu polarizare de deplasare au deci permitivitate reală

constantă cu frecvenţa până la frecvenţele de rezonanţă proprie a electronilor sau

ionilor reţelei şi pierderi dielectrice mici (pierderi prin conducţie) invers

proporţionale cu frecvenţa câmpului electric.

În ceea ce priveşte variaţia cu temperatura, în cazul dielectricilor cu

polarizare de deplasare electronică permitivitatea reală scade uşor prin

creşterea temperaturii deoarece, prin dilatare termică, scade numărul

momentelor electrice elementare pe unitatea de volum, fig.3.24.

Coeficientul de temperatură al permitivităţii definit ca:

1 d

dT

(5.51)

este deci negativ ( < 0) şi foarte mic în valoare absolută.

În cazul dielectricilor cu polarizare de deplasare ionică, (ce posedă

evident şi polarizare de deplasare electronică, proprietate universală a materiei)

dilatarea termică conduce la apariţia a două efecte de sens contrar:

- o micşorare a forţelor elastice care acţionează asupra ionilor prin

creşterea distanţei dintre ei, deci o polarizabilitate mai mare a celulei

elementare, adică o valoare mai mare a permitivităţii reale;

- o micşorare a numărului momentelor electrice elementare pe unitatea de

volum, adică o micşorare a permitivităţii reale.

Pentru marea majoritate a dielectricilor cu polarizare de deplasare ionică

primul efect este preponderent, deci coeficientul de temperatură al permitivităţii

este pozitiv ( > 0) şi relativ mic (există şi unele excepţii notabile, printre care

bioxidul de titan, pentru care cel de-al doilea efect predomină, conducând la

micşorarea permitivităţii reale prin creşterea temperaturii).

Fig.3.24 Dependenţa de temperatură la frecvenţă constantă a permitivităţii reale (a.)

şi a tangentei unghiului de pierderi (b.) pentru dielectricii cu polarizare de deplasare

şi pierderi prin conducţie

La frecvenţă constantă dependenţa de temperatură a tangentei unghiului

de pierderi este condiţionată de dependenţa exponenţială de temperatură a

conductivităţii electrice, relaţiile (3.42) şi (3.43).


182

Pentru dielectricii cu polarizare de deplasare rezultă o comportare

suficient de constantă cu temperatura ambiantă, cu excepţia temperaturilor foarte

ridicate, la care pierderile prin conducţie cresc puternic datorită dependenţei

exponenţiale.

3.5 Polarizarea de orientare a dielectricilor

3.5.1 Modelul teoretic al dielectricilor cu polarizare de

orientare şi pierderi prin conducţie

În absenţa câmpului electric exterior, la dielectricii cu polarizare de

orientare, momentele electrice elementare sunt distribuite aleatoriu datorită

agitaţiei termice, astfel încât, din punct de vedere macroscopic, polarizaţia este

nulă. În prezenţa unui câmp electric exterior momentele electrice tind să se

orienteze în direcţia câmpului, iar polarizaţia temporară este diferită de zero.

Modelul teoretic simplificat presupune două stări stabile ale dipolilor: A şi

B, în care momentele electrice au aceeaşi direcţie cu a câmpului electric aplicat,

dar sensuri opuse. Aceasta ipoteza nu exclude posibilitatea existenţei unor stări

diferite de stările A şi B, doar că aceste stări sunt presupuse mai puţin probabile.

În fig.3.25 sunt reprezentate diagramele electrice corespunzătoare diferitelor

stări, în absenţa sau în prezenţa câmpului electric exterior. În absenţa acestuia,

cele două stări sunt egal probabile, ele fiind separate printr-o barieră de potenţial

Wo. Numărul de momente electrice din starea A este egal cu cel corespunzător

stării B, în momentul iniţial, când se aplică câmpul exterior, sau:

0 0 / 2A BN N N , (3.52)

unde N reprezintă numărul total de stări A şi B.

În prezenţa câmpului electric exterior, cu orientare identică cu cea a

momentelor din starea B, bariera de potenţial se micşoreaza cu We, favorizând

tranziţiile momentelor electrice din starea A în starea B. Energia We reprezintă

lucru mecanic efectuat de câmp pentru a modifica orientarea momentului

electric din starea A în starea B. Astfel, numărul momentelor din starea B va fi

superior celui corespunzător stării A, sau:

B AN t N t (3.53)

inegalitatea fiind cu atât mai pronunţată, cu cât intensitatea câmpului electric

este mai ridicată.

Aplicând sistemului de momente electrice elementare statistica Boltzmann,

rezultă că diferenţa B AN t N t variază exponenţial cu timpul.

Polarizabilitatea sistemului de momente electrice variază în timp proporţional cu

această diferenţă, conform unei relaţii de forma:

0

t

t e

, (3.54)


183

unde: t este polarizabilitatea la momentul iniţial, iar este

constanta de timp de relaxare.

Fig.3.25 Relieful de potenţial pentru un dielectric cu două stări stabile:

(a) fără câmp electric exterior; (b) în prezenţa câmpului electrice exterior

Introducând relaţia (3.54) în relaţia (3.39), care se aplică şi

dielectricilor cu polarizare de orientare, se obţine:

0

00

1

tj t

e dtj

, (3.55)

Folosind notaţ iile: st , pentru = 0 şi st , care au

semnificaţia din fig.3.26 , expresia (3.55) devine:

2

1

1 1

jj

j

(3.56)

Fig. 3.26 Variaţia polarizării

Variaţia în timp a inducţiei electrice şi permitivităţii la acţiunea unui câmp

salt E, aplicat la bornele unui condensator cu dielectric cu polarizare de

orientare, este exponenţială, fig.3.27 şi porneşte de la o valoare (care apare

instantaneu) la st , ce apare după un timp = constanta de timp de polarizare

sau relaxare, ce cumulează efectele polarizării.


184

Prin identificare se obţin expresiile părţii reale şi imaginare a

remitivităţii complexe relative ş i, cu ajutorul acestora, tangenta

unghiului de pierderi pentru un dielectric fără pierderi prin

conducţie:

2

1

2

1

(3.57)

2

st

tg

În fig.3.27a este prezentată schema echivalentă a condensatorului cu

dielectric cu polarizare de orientare şi pierderi prin polarizare, sintetizată astfel

încât permitivitatea complexă a dielectricului să varieze cu frecvenţa conform

relaţiilor (3.57).

Fig.3.27 Schema echivalentă a condensatorului cu dielectric

cu polarizare de orientare: (a) fără pierderi prin conducţie şi

(b) cu pierderi prin conducţie

Deoarece în cazurile reale dielectricii cu polarizare de orientare prezintă şi

pierderi prin conducţie, schema echivalentă din fig.3.27a trebuie să fie

completată conform relaţiei (3.46) cu rezistenţa de perderi prin conducţie:

0

p

st

rC

(3.58)

şi se obţine schema echivalentă din fig.3.27b a cărei admitanţă de intrare are

expresia:


185

00

0 0

1

1stCY j C

C j C

(3.59)

Prin identificare cu relaţia (3.49) se obţin expresiile părţilor reală şi

imaginară ale permitivităţii complexe relative şi, cu ajutorul acestora, expresia

tangentei unghiului de pierderi:

2

2

2 2

2

1

1

1

st

st

st

tg

(3.60)

Rezultatele obţinute teoretic prin relaţiile (3.60), care simplifică

mecanismele de polarizare din dielectric, limitând numărul stărilor stabile ale

momentelor electrice elementare la numai două, sunt foarte bine verificate

experimental pentru dielectricii cu polarizare de orientare.

3.5.2 Dependenţa de frecvenţă şi temperatură a

permitivităţii relative complexe pentru dielectricii cu polarizare

de orientare şi pierderi prin conducţie

Din diagramele reprezentate în fig.3.28a, stabilite pe baza

relaţiilor (3.60), se observă că la temperatură constantă,

permitivitatea reală descreşte monoton cu frecvenţa, datorită inerţiei

orientării momentelor elementare atunci când frecvenţa creşte. La

frecvenţe ridicate ( ), dielectricul are o permitivitate reală

datorată exclusiv polarizării de deplasare electronică.

Tangenta unghiului de pierderi are în general valori mari şi puternic

dependente de frecvenţă, fig.3.28b . Din derivata acesteia:

0tg

(3.61)

rezultă două maxime în funcţie de frecvenţă:

- primul pentru 1 0 , datorat pierderilor prin conducţie şi

- al doilea pentru 2

1 st

, datorat pierderilor prin polarizare.


186

Fig.3.28 Dependenţa de frecvenţă la temperatură constantă a permitivităţii

reale (a) şi a tangentei unghiului de pierderi (b) pentru dielectricii cu

polarizare de orientare şi pierderi prin conducţie

Pe graficul din fig.3.28b se pot delimita şi utilizările tehnologice ale

diferitelor materiale dielectrice:

- de joasă frecvenţă – materiale pentru condensatoare de j.f., la care

pierderile cresc cu frecvenţa;

- în jurul celui de-al doilea maxim – materialele cu cele mai mari pierderi

dielectrice, folosite ca absorbanţi şi atenuatori;

- de înaltă frecvenţă – materiale pentru condensatoare de î.f., la care

pierderile scad cu frecvenţa şi pentru izolatori.

Variaţia cu temperatura a permitivităţii complexe, la frecvenţă constantă,

pentru dielectricii cu polarizare de orientare poate fi dedusă din variaţiile cu

temperatura ale mărimilor , st şi . Mărimea fiind partea reală a

permitivităţii coplexe pentru polarizarea de deplasare electronică prezintă o

foarte uşoară scădere cu creşterea temperaturii (fig.3.24a). Valoarea lui st

scade mai puternic cu creşterea temperaturii, după legea Curie:

3 Cst

C

T

T T

, (3.62)

unde CT este o mărime pozitivă, denumită temperatura Curie.

În fig.3.29 şi fig.3.30 sunt reprezentate diagramele de variaţie

ale permitivităţii reale şi tangentei unghiului de pierderi cu

frecvenţa şi temperatura.

La frecvenţe mici şi medii, permitivitatea reală prezintă o

puternică dependenţă de temperatură, iar la frecvenţe ridicate,

devine preponderentă contribuţia polarizării de deplasare

electronică, care se modifică nesemnificativ cu temperatura.

Intersecţiile caracteristicilor pentru diferite temperaturi presupun o

dependenţă neunivocă. Astfel, la un moment dat, mărimile depind de

evoluţia anterioară, comportarea dielectricului fiind diferită la

creşterea, respectiv scăderea temperaturii.


187

Fig.3.29 Dependenţa de frecventă la două temperaturi diferite a

permitivităţii reale şi a tangentei unghiului de pierderi, pentru dielectricii

cu polarizare de or ientare şi pierderi prin conducţ ie

Fig.3.30 Dependenţa de temperatură la frecvenţă constantă a permitivi tăţii

reale şi a tangentei unghiului de pierderi pentru

dielectricii cu polarizare de orientare şi pierderi prin conducţie

Tangenta unghiului de pierderi prezintă un maxim datorat

pierderilor prin polarizare şi creşte exponenţial la temperaturi

ridicate, datorită pierderilor prin conducţie.

3.6 Polarizarea permanentă spontană (sau piroelectrică)

Modelul dielectricilor cu polarizare spontană

Această stare de polarizare este specifică dielectricilor solizi cu legături ionice

sau parţial ionice. Celula elementară a unui astfel de dielectric poate avea

polarizare spontană – moment electric diferit de zero în absenţa câmpului

electric aplicat din exterior – prin unul din următoarele mecanisme de

polarizare:

- polarizare de deplasare electronică a ionilor reţelei cristaline;

- polarizare de deplasare ionică.

Astfel, ionii reţelei pot obţine polarizare de deplasare electronică sub

acţiunea câmpului electric datorat celorlalţi ioni ai reţelei (câmp electric

cristalin). În consecinţă, acest mecanism este foarte dependent de structura

(ordinea) cristalină a reţelei. Astfel, un ion nu poate fi polarizat dacă se află într-

un centru de simetrie al reţelei – acţiunile celorlalţi ioni anulându-se reciproc.

Celula elementară a unui cristal poate avea moment electric diferit de zero

în absenţa câmpului electric aplicat din exterior şi datorită polarizării de

deplasare ionice – când nu coincid centrele sarcinilor pozitive şi negative ale


188

celulei elementare. Aceste situaţii sunt din nou dependente de ordinea cristalină

şi s-a constatat că numai cristalele care aparţin unui grup restrîns de clase de

simetrie pot avea moment electric al celulei elementare de natura polarizării de

deplasare ionice.

În concluzie, momentul electric al celulei elementare este suma vectorială

a momentelor electrice ale ionilor celulei (polarizare de deplasare electronică) şi

a momentului electric obţinut prin polarizare de deplasare ionică:

1

n

c j ionic

j

p p p

(3.63)

Vectorul polarizaţie spontană este momentul electric al unităţii de volum,

adică:

s cP Np , (3.64)

unde N este numărul de celule elementare pe unitatea de volum.

Din diversitatea acestor materiale, cristalele dielectrice cu polarizare

spontană a cărei direcţie sau sens poate fi schimbată sub acţiunea unui câmp

electric exterior se numesc cristale feroelectrice. Proprietatea se exprimă

cantitativ prin relaţia:

s tP P P , (3.65)

în care vectorul polarizaţie P a cristalului se obţine ca o sumă sau diferenţă

dintre vectorul sP al polarizării spontane şi vectorul polarizaţie temporară tP ,

datorat câmpului extern şi care în cazul diferenţei poate conduce la schimbarea

sensului şi direcţiei lui P . Proprietatea permite şi justificarea teoretică a

dependenţei de tip histerezis care există între inducţia şi intensitatea câmpului

electric la cristalele feroelectrice.

Dependenţa de temperatură a polarizării spontane

Fig.3.31 Dependenţa modulului polarizaţiei spontane de temperatură pentru feroelectrici

cu tranziţii de fază de ordinul 1 (a) şi de ordinul 2 (b)

În cazul dielectricilor cu polarizare spontană, temperatura influenţează

puternic starea de polarizaţie. De regulă polarizaţia scade cu creşterea

temperaturii, astfel încât la o anumită temperatură, denumită temperatura Curie,


189

CT , polarizaţia spontană se anulează, cristalul prezentând în continuare numai

polarizaţie temporară, fig.3.31.

Structura de domenii a feroelectricilor

În funcţie de numărul direcţiilor posibile ale vectorului polarizaţie

spontană în reţeaua cristalină a feroelectricilor, aceştia se clasifică în:

- feroelectrici uniaxă, în care vectorul polarizaţie spontană are o singură

direcţie;

- feroelectrici multiaxă, în care vectorul are mai multe direcţii posibile

în cristal.

Experimental se constată că în absenţa câmpului exterior monocristalele

feroelectrice nu au o distribuţie uniformă a polarizaţiei spontane în tot volumul,

ci se formează domenii cu polarizare spontană uniformă, domenii separate prin

pereţi, fig.3.32.

Structura de domenii apare din raţiuni pur energetice (micşorarea valorii

de echilibru a potenţialului termodinamic al cristalului) în lipsa oricăror

neomogenităţi ale reţelei cristaline.

Fig.3.32 Pereţi de 180 (a) şi de 90 (b) în cristale feroelectrice ,

orientarea domeniilor de BaTiO3 (c)

În interiorul peretelui, direcţia şi mărimea polarizaţiei variază astfel încât

să asigure trecerea de la un domeniu la celălalt în condiţiile minimizării energiei

suplimentare înmagazinate în perete, fig.3.33.

De menţionat că grosimea pereţilor în feroelectrici este relativ mică (de

exemplu, pentru BaTiO3 – la care constanta de reţea este de aproximativ 0,4 nm

– grosimea pereţilor de 180o este de cel mult 2 nm, iar a celor de 90

o, de cel mult

10 nm).

Fig.3.33 Variaţia vectorului polarizaţie spontană în interiorul unui perete de 180o


190

Dependenţa de câmp, frecvenţă şi temperatură a permitivităţii

complexe relative a feroelectricilor

Partea reală a permitivităţii complexe relative are valori foarte mari

(sute...zeci de mii) dependente puternic de temperatură, în special în apropierea

temperaturii Curie, fig.3.34. Pentru faza neferoelectrică ( CT T ) scade cu

temperatura după legea Curie-Weiss:

C

A

T T

, (3.66)

unde A este o constantă de material.

Fig.3.34 Dependenţa părţii reale a permitivităţii complexe de

temperatură: feroelectrici cu tranziţii de fază de ordin 2 (a); feroelectrici

cu tranziţii de fază de ordin 1 (b); dependenţa părţii reale a permitivităţii

de câmp, în faza neferoelectrică (c)

În cazul cristalelor feroelectrice, permitivitatea depinde puternic nu

numai de temperatură, ci şi de câmpul electric, scăzând cu creşterea acestuia. În

faza feroelectrică, dependenţa de tip histerezis inducţie-intensitate a câmpului

electric condiţionează o dependenţă de tip histerezis a permitivităţii diferenţiale

de câmp, fig.3.35.

Fig.3.35 Ciclul histeresis (a), (b) şi dependenţa permitivităţii diferenţiale de

câmpul electric aplicat, în faza feroelectrică (c)


191

Pentru ciclul de histeresis, se definesc mărimile:

- câmpul coercitiv cE , este câmpul electric exterior minim necesar

pentru a produce anularea polarizaţiei;

- polarizaţia remanentă rP , este polarizaţia materialului

corespunzătoare absenţei câmpului electric exterior;

- polarizaţia de saturaţie satP este polarizaţia maximă a materialului,

orientată în sensul câmpului electric aplicat;

- permitivitatea relativă diferenţială, este panta ciclului de histeresis în

punctul considerat:

0

1dif

T ct

D

E

(3.67)

- permitivitatea relativă reversibilă, este panta ciclului minor

definită în punctul de funcţionare pe un ciclu reversibil:

0 0

0

0 , ,

1limrev E

E E D D ciclureversibil

D

E

(3.68)

şi are valoare inferioară permitivităţii relative diferenţiale, pentru că axa ciclului

minor este mai puţin înclinată decât tangenta în punctul respectiv al ciclului de

histeresis

- permitivitatea relativă iniţială, se defineşte în originea axelor de

coordonate:

0

0 0, 0,

1limin E

E D ciclureversibil

D

E

(3.69)

De asemenea, valoarea părţii reale a permitivităţii depinde de frecvenţa

câmpului electric aplicat. În general, pentru toţi feroelectricii, valoarea

permitivităţii este constantă cu frecvenţa într-o bandă destul de largă, fig.3.36a,

intervenind un fenomen de relaxare la o frecvenţă fr suficient de ridicată (de

ordinul 2·109

Hz pentru BaTiO3). Scăderea valorii permitivităţii prin creşterea

frecvenţei se poate atribui unei cuplări piezoelectrice a domeniilor vecine,

cuplare mai puternică la frecvenţe mai mari.

Fig.3.36 Dependenţa de frecvenţă a permitivităţii reversibile real e (a)

şi a părţii imaginare a permitivităţii feroelectrilor (b)


192

În privinţa pierderilor de energie în feroelectrici, caracterizate prin partea

imaginară a permitivităţii complexe, acestea sunt mari în valoare absolută şi

depind puternic de temperatură, câmpul aplicat şi frecvenţă, în special în

apropierea temperaturii de tranziţie. Pentru frecvenţe inferioare celei de relaxare,

partea imaginară a permitivităţii feroelectricilor creşte aproape liniar cu

frecvenţa, fig.3.36b, tangenta unghiului de pierderi putând atinge valori până la

0,1 ... 0,2.

Pierderile ridicate impun utilizarea unei scheme echivalente serie pentru

un condensator feroelectric, care este reprezentată împreună cu diagrama

vectorială asociată, în fig.3.37 .

Fig.3.37 Schema echivalentă ser ie şi diagrama vectorială pentru un

condensator cu feroelectric (cu pierderi semnificative)

Tangenta unghiului de pierderi are expresia:

s stg C R

(3.70)

Experimental se constată că valoarea capacităţii serie şi rezistenţei serie

echivalente sunt aproape independente de temperatură, frecvenţă şi valorile

câmpului electric. Rezultă că dependenţele de temperatură şi câmp electric ale

părţii imaginare a permitivităţii sunt analoage ca formă aceloraşi dependenţe ale

părţii reale, fig.3.34 .

Cristalele feroelectrice se împart în:

- feroelectrici cu cationi metalici în interstiţii octaedrice formate din

anioni de oxigen, denumiţi şi oxidici, care sînt oxizi dubli ai unor elemente în

special din grupa de tranziţie; aceşti oxizi cristalizează în structuri de tip

perovskit (BaTiO3, KNbO3, CaTiO3), piroclor (Cd2Nb2O7), ilmenit etc.

- feroelectrici cu legătură de hidrogen (sarea Seignette – KNaC4H4O6

2H2O, dihidro-fosfatul de potasiu – KDP, sulfatul de triglicină – TGS).

Cristalele lichide sunt materiale organice care posedă simultan

proprietăţi ale lichidului izotrop (fluiditate, curgere, unirea picăturilor prin

contact) şi proprietăţi ale solidelor cristaline (existenţa unei ordini la distanţa

care condiţionează anizotropia principalelor proprietăţi fizice, precum


193

polarizarea şi magnetizarea, conductibilitatea electrică şi termică, refracţia

luminii, proprietăţile elastice).

Moleculele cristalelor lichide sunt lungi şi de formă rotundă în secţiune,

cu moment electric permanent destul de puternic şi cu grupuri uşor polarizabile.

Între aceste molecule se stabileşte ordine spontană la distanţă asemănătoare

cristalelor solidelor cristaline. Starea de cristal lichid se manifestă într-un

domeniu de temperaturi delimitat de două temperaturi de tranziţie. Pentru

temperaturi mai mici decât T1 – temperatura de topire – cristalul devine solid, iar

pentru temperaturi mai mari decât T2 – temperatura de limpezire – cristalul

devine lichid izotrop.

În funcţie de tipul ordinii la distanţă cristalele lichide se împart în trei

grupe: cristale lichide smectice, cristale lichide nematice şi cristale lichide

colesterice, fig.3.38.

Fig.3.38 Modelul ordonării moleculare: lichid izotrop (a); cristal l ichid

smectic (b); cristal l ichid nematic (c); cristal l ichid colesteric (d)

În cristale lichide smectice, moleculele formează straturi cu grosime de

aproximativ 20Å, în care moleculele sunt paralele între ele. Faţă de planul

stratului, moleculele sunt perpendiculare sau înclinate, se pot deplasa în plan,

dar nu se pot deplasa dintr-un plan în altul. În cristalele lichide colesterice,

direcţia de orientare a moleculelor, se modifică de la un strat la altul, într-o

manieră elicoidală. Moleculele se pot deplasa în planul stratului şi dintr-un strat

în altul.

Din punct de vedere optic, cristalele lichide nematice se comportă

precum cristalele uniax, datorită simetriei lor, cu efecte optice importante în

straturi subţiri de ordinul μm ... zeci de μm.

Câmpul electric de o anumită valoare aplicat unei structuri de cristal

lichid nematic modifică aranjamentul iniţial al acestuia, adică modifică poziţia

elipsoidului indicelui de refracţie faţă de direcţia de propagare a fluxului

luminos. În acest mod apare o birefringenţă indusă de câmp care condiţionează

efecte electrooptice specifice.

Tensiunea de prag necesară modificării structurii cristalului lichid nematic

depinde de proprietăţile dielectrice şi elastice ale acestuia.


194

Familia cristalelor lichide nematice este foarte numeroasă, conţinând baze

Sghiff, azo-benzeni, stilbeni şi clorostilbeni etc.

3.7 Polarizarea permanentă piezoelectrică

Modelul polarizării piezoelectrice

Polarizarea piezoelectrică este un tip de polarizare permanentă (ca şi

polarizarea spontană), la care se adaugă în plus proprietatea de

piezoelectricitate.

Polarizarea permanentă se realizează prin mecanismul polarizării de

deplasare ionică, prezent şi la polarizarea spontană, de unde şi condiţia ca

această proprietate o pot avea numai structurile cristaline necentrosimetrice.

Piezoelectricitatea este proprietatea de modificare a stării de polarizare

sub acţiunea unor tensiuni mecanice – efect piezoelectric direct şi de deformare

a reţelei cristaline sub acţiunea câmpului electric exterior – efect piezoelectric

invers.

Cel mai simplu model de reţea fără centru de simetrie, stratul electric

dublu, prezintă atât efect piezoelectric direct (fig.3.39a), cât şi efect

pizoelectric invers (fig.3.39b).

a)

b)

Fig.3.39 Stratul electric dublu ca model al unei reţele fără centru de simetrie:

a) efect piezoelectric direct; b) efect piezoelectric invers

În cazul unei reţele cu centru de simetrie, de exemplu un strat electric

triplu, tensiunile mecanice nu modifică starea de polarizaţie a cristalului

indiferent de sensul lor, fig.3.40a, deci efectul pizoelectric direct este imposibil.

Prin aplicarea unui câmp electric exterior, indiferent de sensul câmpului, rezultă

modificarea într-un singur sens a dimensiunilor reţelei, fig.3.40b. Din acest

motiv, cristalele cu centru de simetrie al sarcinilor electrice punctuale poartă

numele de cristale electrostrictive.


195

a)

b)

Fig.3.40 Reţea cu centru de simetrie: stratul electric triplu :

a) imposibilitatea efectului piezoelectric direct ; b) efect electrostrictiv

Din totalul de 32 clase cristaline, aparţinând grupului simetriilor

punctuale, nu au centru de simetrie 20, care sunt deci piezoelectrice; dintre

acestea, 10 sunt clasele polare (cristalele polare feroelectrice).

Relaţiile de legătură între proprietăţile electrice şi elastice ale

cristalelor

Starea unui cristal este caracterizată la un moment dat şi la temperatură

constantă de următoarele mărimi de stare:

- mărimi de natură electrică, intensitatea câmpului electric E şi inducţia

electrică D, care sunt mărimi vectoriale;

- mărimi de natură mecanică, tensiunea mecanică T şi deformaţia

mecanică S, care sunt tensori de ordinul 2 în spaţiul tridimensional

(matrici de ord. 3).

Relaţiile de legătură între mărimile de stare electrice şi mecanice pot fi

scrise la temperatură constantă, alegând două dintre aceste mărimi, T şi E, ca

variabile independente; iar pentru celelalte două pot fi scrise diferenţialele

totale:

i ii k k

k kE ct T ct

i ii k k

k kE ct T ct

S SdS dT dE

T E

D DdD dT dE

T E

(3.71)

Derivatele parţiale care intervin în relaţiile (3.71) sunt evident proprietăţi

de material.


196

Coeficientul de elasticitate (complianţa), definit la câmp constant,

caracterizează în limitele de elasticitate ale cristalului proporţionalitatea între

deformaţii şi tensiunile mecanice aplicate: Eiik

k E

Ss

T

.

Permitivitatea dielectrică definită la tensiune mecanică constantă este un

tensor de ordinul 2 în spaţiul tridimensional: Tiik

k T

D

E

.

Coeficientul piezoelectric de sarcină caracterizează atât efectul

piezoelectric direct (partea stângă, variaţia stării de polarizaţie sub acţiunea

unei tensiuni mecanice), cât şi efectul piezoelectric invers (partea dreaptă,

deformarea cristalului sub acţiunea câmpului electric exterior); în spaţiul

tridimensional este un tensor de ordinul 3: i iik

k kE T

D Sd

T E

.

La dispozitivele piezoelectrice interesează coeficientul de cuplaj

piezoelectric, ce se defineşte ca raportul dintre densitatea de energie mutuală

elastică-dielectrică şi rădăcina pătrată a produsului dintre densitatea de energie

elastică şi densitatea de energie dielectrică în cristalul piezoelectric:

m

e d

Wk

W W (3.72)

Densităţile de energie amintite sunt funcţii de densitatea de energie

internă a cristalului W, care la rândul ei este funcţie de sistemul de ecuaţii

piezoelectrice, astfel încât, pentru bara din fig.3.41, coeficientul de cuplaj

pizoelectric rezultă:

3131

33 11

T E

dk

s (3.73)

Fig.3.41 Bară piezoelectrică cu tensiuni mecanice paralele cu axa Ox

şi câmp electric paralel cu axa Oz


197

Deşi sunt determinaţi cu ajutorul coeficienţilor elastici, dielectrici şi

piezoelectrici, coeficienţii de cuplaj piezoelectrici oferă informaţii globale

asupra piezoelectricităţii unui cristal, informaţii mult mai directe decât setul de

valori al coeficienţilor de material.

Deoarece întodeauna ,m e m dW W W W , rezultă că valorile

coeficienţilor de cuplaj sunt subunitare pentru toate cristalele piezoelectrice,

respectiv nule pentru toate cristalele nepiezoelectrice.

Cristale piezoelectrice pentru dispozitive cu undă elastică de volum

Deşi foarte multe cristale posedă piezoelectricitate, utilizări practice pentru

dispozitivele cu undă elastică de volum prezintă cuarţul (dintre neferoelectrici),

iar dintre cristalele feroelectrice: titanatul de bariu, titanatul-zirconatul de plumb

şi niobatul de sodiu şi potasiu.

Cuarţul la temperatură normală cristalizează în sistemul trigonal –

trapezoiedric (clasa de simetrie 32) şi are următoarele proprietăţi fizice care îl

recomandă pentru aplicaţii în dispozitivele piezoelectrice (rezonatoare):

- elasticitate ridicată;

- pierderi interne (prin vâscozitate) mici, ceea ce conduce la un factor de

calitate mare al dispozitivului;

- stabilitate termică bună;

- existenţa în natură în stare cristalină, simultan cu posibilitatea fabricării

de cuarţ sintetic.

Coeficienţii de cuplaj piezoelectric au în cazul cuarţului valori reduse

(compatativ cu alte materiale), de exemplu în lungul axei Ox:

1111

11 11

0,095T E

dk

s (3.74)

Utilizările principale ale cuarţului sunt la realizarea de rezonatoare, unde

cuarţul (cu sistemul tehnic de coordonate: stâng sau drept) se taie sub formă de

bare sau plachete cu anumite orientări faţă de axele de coordonate.

Obs. În tehnologia acestor dispozitive, cunoaşterea şi executarea cu

precizie a secţiunilor, faţă de axele de simetrie influenţează puternic parametrii

dispozitivelor.

Cristale feroelectrice (ceramici piezoelectrice)

În funcţie de comportarea cu temperatura acestea se împart în două

categorii: cristale care sunt piezoelectrice (sunt necentrosimetrice) la temperaturi

inferioare dar şi la temperaturi superioare temperaturii Curie, TC şi cristale care

sunt piezoelectrice numai la temperaturi inferioare lui TC (peste TC capătă centru

de simetrie).

Exemple de cristale feroelectrice din prima categorie: sarea Seignette

(tartrat dublu de Na şi K) şi KDP (dihidrofosfatul de K) care au TC egale cu

+24oC şi respectiv 151

oC. Deşi sarea Seignette are coeficientul de cuplaj


198

piezoelectric mare (circa 0,9), utilizarea sa este redusă din cauza

hidroscopicităţii pe care o are.

Cristalele din grupa a II-a sunt reprezentate de titanatul de Ba (BaTiO3),

titanat-zirconat de Pb – PZT, niobat de Na şi K, sulfatul de triglicerină – TGS.

Pentru simplitate în tehnologia de prelucrare ulterioară a dispozitivelor se

preferă soluţia divizării acestor cristale şi aglomerării lor printr-o tehnologie tip

„ceramică”.

Aceste ceramici prezintă dezavantajul unei dependenţe a coeficienţilor de

polarizaţia remanentă şi de temperatură, fiind deci sensibile la îmbătrânire.

Titanatul de Ba (frecvent utilizat) are coeficienţii de cuplaj piezoelectric

superiori cuarţului, dar inferiori sării Seignette. Însă, pentru dispozitive de

preferinţă se utilizează ceramici de tipul soluţiilor solide de PZT şi niobat de Na

şi K. PZT au TC de ordinul 200-400oC având deci o stabilitate termică

superioară la temperaturi obişnuite.

Cristale piezoelectrice pentru dispozitive cu undă elastică de

suprafaţă

Acestea utilizează aproape în exclusivitate unde elastice de tip Rayleigh,

ce se propagă numai la suprafaţa materialelor (Anexa 3. . )

Cristalele piezoelectrice utilizate în aceste dipozitive sunt caracterizate de

următorii parametri:

- viteza de propagare;

- coeficientul de temperatură al vitezei de propagare;

- coeficientul de cuplaj piezoelectric;

- atenuarea undei de suprafaţă la frecvenţa de 1 GHz.

Dintre aceste materiale se remarcă cuarţul (pentru stabilitatea cu

temperatura) şi niobatul de litiu, pentru coeficientul de cuplaj piezoelectric mare

şi atenuarea mică (mai puţin stabil însă cu temperatura, necesitând termostatarea

dispozitivelor).

Ceramicile piezoelectrice nu se pot utiliza decât până la frecvenţe de zeci

de MHz, deoarece acestea au atenuări mari.

În variantele integrate ale dispozitivelor se preferă utilizarea unor

materiale ca ZnO sau sau nitrat de aluminiu (AlN), crescute epitaxial pe acelaşi

substrat de safir pe care se creşte şi siliciul necesar realizării integratului

monolitic, obţinându-se astfel o simplificare şi o flexibilitate tehnologică utile în

dispozitive complexe (linii de întârziere programabile, codere-decodere, etc.).

3.8 Stări de polarizaţie cvasipermanente (de tip electret)

Electreţii sunt materiale dielectrice care prezintă polarizaţie remanentă de

lungă durată.

a) Termoelectreţii se obţin prin încălzirea în câmp electric a

dielectricului până la o temperatură apropiată de temperatura de topire.


199

Mobilitatea sarcinilor electrice se măreşte, producându-se acumulări de sarcini

pe suprafeţele dielectricului. Dipolii se vor orienta după direcţia liniilor de câmp

electric şi vor "îngheţa" în poziţiile lor, prin scăderea temperaturii.

Eterosarcina se formează prin orientarea dipolilor, sau deplasarea

sarcinilor, fig.3.42a.

Fig.3.42 Formarea sarcinilor termoelectreţilor: eterosarcini (a); omosarcini (b)

Omosarcina este sarcina distribuită superficial transferată de la electrozi

prin străpungeri locale ale interstiţiului electrod electret, apare în câmpuri

electrice intense şi, având pondere mai mare decât eterosarcina, stabileşte

semnul sarcinii elecetrice superficiale. fig.3.42b.

Electreţii formaţi în câmp electric scăzut (E < 0,5 MV/m), nu prezintă

omosarcină, fig.3.43a, care scade în timp printr-un proces de relaxare a

dipolilor. Cei formaţi în câmp electric intens (E > 100MV/m), posedă

omosarcină, fig.3.43b, care scade printr-un proces de conducţie. Electreţii

formaţi în câmpuri electrice medii, posedă atât eterosarcină cât şi omosarcină,

care se compensează la un moment dat.

Fig.3.43 Variaţia în timp a densităţii de sarcină a electreţilor:

termoelectreţi formaţi în câmpuri slabe (a); termoelectreţi formaţi în câmpuri puternice (b);

termoelectreţi formaţi în câmpuri medii (c)

b) Fotoelectreţii sunt realizaţi din materiale fotoconductoare (cum este

sulfura de zinc), plasate în câmp electric şi puternic iluminate.

Dacă energia cuantelor de lumină este suficientă pentru a transfera

electroni din banda de valenţă în banda de conducţie, aceşti electroni sunt captaţi

pe nivele locale, create prin defecte în reţeaua cristalină, fig.3.44.


200

După anularea fluxului luminos şi a câmpului electric, electronii captaţi

pe nivele locale produc polarizaţie remanentă, dar revin în poziţiile iniţiale prin

încălzirea materialului. Iluminarea distruge instantaneu polarizaţia remanentă,

determinând trecerea tuturor electronilor de pe nivelele locale în banda de

conducţie.

Fig.3.44 Diagrama nivelelor energetice într-un fotelectret

c) Pseudoelectreţii se obţin prin captarea electronilor radiaţiei β (formată

din electroni) şi pe nivelele locale generate prin defecte ale reţelei cristaline ale

suprafeţei iradiate, fig.3.45.

Fig.3.45 Structura pseudoelectreţilor.

Câmpul electric al sarcinii astfel fixate va acţiona asupra sarcinii din

electrodul metalic, atrăgând sarcina electrică pozitivă pe suprafaţa inferioară a

materialului dielectric.

3.9 Rigiditatea dielectricilor

În plaja temperaturilor normale, fiecare dielectric prezintă o

conductivitate nenulă (permite trecerea curentului electric) datorită fie a

sarcinilor electrice libere (electronilor şi golurilor generaţi temic), sau a

defectelor cristaline. Dacă un material dielectric se plasează între 2 armături

(plăci conductoare) şi se introduce într-un câmp electric a cărei intensitate este


201

crescută gradat, pentru o anumită valoare a intensităţii câmpului electric, prin

dielectric ia naştere un curent electric care creşte brusc şi necontrolat. Astfel, în

câmpuri electrice intense, densitatea curentului de conducţie în materialul

dielectricului nu mai depinde liniar de intensitatea câmpului şi materialul se

străpunge, pierzându-şi proprietăţile izolante, fenomenul fiind denumit

străpungerea dielectricului.

Fenomenul de străpungere poate fi pus în evidenţă utilizând un montaj

experimental, ca cel din fig.3.46a, în care E este o sursă reglabilă de tensiune, V

este un voltmetru care măsoară tensiunea pe dielectric, iar mA este un

miliampermetru care măsoară curentul prin dielectric, graficul valorilor acestor

mărimi electrice, obţinute pentru diferite valori ale tensiunii de alimentare, fiind

prezentat în fig.3.46b.

La valori mici ale lui E, valoarea curentului prin dielectric este foarte

redusă. În momentul în care valoarea lui E este crescută astfel încât tensiunea pe

dielectric atinge o valoare de prag VSTR, se constată o creştere bruscă a

curentului prin dielectric, care demonstrează apariţia fenomenului de

străpungere.

a. b.

Fig.3.46 Schema electrică pentru studiul străpungerii dielectricilor

Fenomenul de străpungere se explică prin creşterea în avalanşă a

conductivităţii electrice la valori foarte mari. Prin creşterea puternică a

curentului care trece prin material, puterea disipată pe acesta devine foarte mare,

temperatura la nivelul acestuia creşte puternic, iar materialul dielectric se poate

distruge.

În concluzie, tensiunea la care are loc străpungerea se numeşte tensiune

de străpungere - USTR.

Valoarea intensităţii câmpului electric, corespunzătoare acestei tensiuni,

la care fenomenul de străpungere are loc poartă numele de rigiditate dielectrică

(sau câmp de străpungere) şi este definită de relaţia:

STRSTR

UE

d [KV/m], (3.75)

unde d este grosimea dielectricului.


202

Rigiditatea dielectricilor gazoşi

În dielectricii gazoşi străpungerea se datoreşte în majoritatea cazurilor

ionizărilor prin ciocnire. Prin acest mecanism străpungerea se produce atunci

cînd energia cinetică a purtătorilor de sarcină liberi (electroni şi ioni), acceleraţi

de câmpul electric, este suficient pentru a produce ionizarea prin ciocnire a

moleculelor gazului. Datorită drumului liber mijlociu mare al purtătorilor de

sarcină în gaze, aceştia din urmă acumulează energii mari sub acţiunea

câmpului între două ciocniri, astfel încât rigiditatea dielectrică a gazelor la

presiunea normală nu este prea ridicată (pentru aer la presiunea normală ESTR =

3 MV/m).

Creşterea presiunii gazului, prin micşorarea drumului liber mijlociu,

conduce la creşterea rigidităţii. De asemenea, micşorarea presiunii conduce la

creşterea rigidităţii datorită micşorării probabilităţii de ciocnire a purtătorilor

acceleraţi cu moleculele gazului.

În fig.3.47 sunt prezentate curbele Pachen pentru aer:

STRU f pd , (3.76)

unde:

- p este presiunea gazului,

- d este distanţa dintre electrozii care crează câmpul uniform şi

- STR STRU E d este tensiunea aplicată electrozilor la străpungere.

Din curbele Pachen se observă că există o tensiune minimă aplicată

electrozilor sub care străpungerea în câmp omogen nu mai este posibilă,

indiferent de presiunea gazului şi distanţa dintre electrozi. Această tensiune este,

pentru majoritatea gazelor, cuprinsă între 280 V şi 420 V (pentru aer este aprox.

350 V).

Fig.3.47 Curbele Pachen pentru aer

Rigiditatea gazelor în câmp omogen variază cu frecvenţa. În fig.3.48 este

reprezentată această dependenţă pentru aer (ESTR0 este rigiditatea pentru câmp

electric continuu). Pentru frecvenţe joase se constată o scădere a rigidităţii


203

datorită acumulării de sarcini de volum în gaz din cauza vitezelor diferite ale

ionilor pozitivi şi electronilor. Prin creşterea frecvenţei, rigiditatea creşte

deoarece durata procesului de ionizare prin ciocnire (de ordinul 10-7

– 10-8

s)

devine comparabilă cu semiperioada câmpului electric alternativ.

Fig.3.48 Dependenţa de frecvenţă a rigidităţii aerului

Străpungerea gazelor în câmp neomogen se deosebeşte mult de

străpungerea în câmp omogen. Un tip de străpungere în câmp neomogen este

descărcarea parţială sub formă de efect corona în zonele în care intensitatea

câmpului atinge valorile de străpungere.

Rigiditatea dielectricilor lichizi

În cazul MDL în stare de purificare înaintată, străpungerea se datoreşte de

asemenea unui mecanism de ionizare prin ciocnire. Întrucât drumul liber

mijlociu al purtătorilor de sarcină este în acest caz mult mai mic decât în cazul

MDG, rigiditatea dielectrică este mult mai ridicată, poate atinge 100 MV/m.

Deoarece incluziunile de apă, bule de gaze, particule mecanice în

suspensie, au un diferit de cel al lichidului care le cuprinde, acestea se

distribuie sub forma unor lanţuri de-a lungul liniilor de câmp electric,

constituind elemente care micşorează rigiditatea dielectrică în raport cu a

lichidului pur. În aceste condiţii, rigiditatea la MDL este de ordinul 20...25

MV/m, adică de aproape 10 ori mai mare decât rigiditatea MDG la presiune

normală.

Pentru câmpuri de frecvenţă ridicată, în special pentru MDL cu polarizare

de orientare, pierderile dielectrice conduc la o încălzire a lichidului, ceea ce

favorizează străpungerea prin creşterea numărului de purtători liberi. Rigiditatea

dielectrică a MDL scade deci cu creşterea frecvenţei.

Restabilirea rigidităţii dielectrice după ce a avut loc străpungerea este mai

puţin perfectă în cazul MDL decât în cazul MDG deoarece lichidul se impurifică

cu produsele care s-au format în momentul străpungerii.


204

Rigiditatea dielectricilor solizi

Cu toate că drumul liber mijlociu al purtătorilor de sarcină este foarte mic

în MDS, în comparaţie cu MDL sau MDG, totuşi şi în acest caz pot avea loc

ionizări prin ciocnire care conduc la străpungere electrică. Corespunzător valorii

drumului liber mijlociu, rigidităţile dielectrice ale MDS sunt de ordinul sutelor

de MV/m.

Străpungerea electrică este o străpungere distructivă de scurtă durată,

care se întîlneşte destul de rar, numai în cazul materialelor perfect omogene.

Mult mai des, străpungerea dielectricilor solizi neomogeni macroscopic se

datoreşte străpungerilor prin ionizarea incluziunilor gazoase din dielectric sau

a dielectricului lichid de impregnare (străpungere prin ionizare).

Un exemplu pentru rolul incluziunilor poate fi dat în cazul dielectricilor

solizi organici unde studiul fenomenelor care favorizează apariţia străpungerilor

în solid pot fi grupate în trei categorii:

- acţiunea nemijlocită asupra dielectricului prin bombardament cu ioni şi

electroni proveniţi prin ionizarea gazului;

-acţiunea temperaturilor ridicate generate local prin străpungerea incluziunii

gazoase;

- acţiunea chimică asupra dielectricului a produselor rezultate prin ionizarea

gazului, în special ozonul şi oxizii de azot, care produc oxidări puternice.

Primele două fenomene şi în special primul, acţionează în timp scurt, în

timp ce ultimul este un proces de durată. Ca urmare, străpungerea prin ionizare a

dielectricilor solizi organici se produce într-un timp variind de la zecimi de

secundă la zeci de ore, în funcţie de preponderenţa proceselor citate.

În cazul dielectricilor anorganici, care se caracterizează printr-o stabilitate

chimică mai ridicată comparativ cu cei organici, străpungerile prin ionizarea

incluziunilor gazoase prezintă, în primul rând, pericolul creşterii locale a

temperaturii, ceea ce poate conduce la străpungerea termică sau la apariţia

unor forţe mecanice care să producă fisurarea materialului dielectric.

Străpungerea termică se datoreşte diferenţei între 1Q , cantitatea de căldură

dezvoltată datorită pierderilor în dielectric şi 2Q , cantitatea de căldură cedată de

dielectric mediului ambiant, prin convecţie termică: 2 d aQ S .

Diferenţa Q contribuie la creşterea temperaturii dielectricului, adică la

creşterea curentului de conducţie electrică, ceea ce măreşte şi mai mult 1Q .

Această avalanşă termică continuă practic până la distrugerea dielectricului (cei

anorganici se topesc, cei organici ard). Câmpul limită la care are loc

străpungerea, numit câmp de străpungere termică, nu este o proprietate

intrinsecă a materialului dielectric, depinzând de temperatura mediului ambiant,

de dimensiunile şi posibilităţile de răcire ale dielectricului, de durata câmpului

aplicat (fig.3.49). Câmpul de străpungere termică scade atunci când temperatura

mediului ambiant creşte.


205

La o acţiune îndelungată a câmpului continuu în dielectric pot apărea

procese electrochimice care conduc la distrugerea dielectricului şi, în ultimă

instanţă, la străpungere. Acest tip de străpungere, denumit străpungere

electrochimică este condiţionat de existenţa unui curent de conducţie de natură

ionică în dielectric.

Fig.3.49 Variaţia temperaturii Fig.3.50 Variaţia rigidităţii

dielectricului în timp dielectrice în timp

Temperaturile ridicate, favorizând atât conducţia cât şi reacţiile

chimice, accelerează străpungerea electrochimică a dielectricului care, în caz

general, este un proces de lungă durată, de ordinul a sute şi mii de ore.

Pentru un anumit tip de material dielectric, în funcţie de natura sa şi de

condiţiile specifice de utilizare, predomină unul sau altul dintre cele patru

mecanisme de străpungere citate pentru dielectricii solizi. Adesea, pentru un

acelaşi tip de material, mecanismul de străpungere se poate modifica sau se

obţine trecerea de la un mecanism de străpungere la celălalt. Tabelul 1 conţine,

comparativ, duratele de acţiune ale celor patru mecanisme de străpungere a

dielectricilor solizi.

Tabelul 1 Duratele de străpungere ale mecanismelor de străpungere în dielectric

Întrucât în timpul funcţionării unor piese sau dispozitive condiţiile termice

şi chimice de mediu nu se menţin în general constante, iar piesa în sine

„îmbătrâneşte”, rigiditatea scade în timp, tinde spre câmpul de lucru Elucru,

fig.3.50.


206

3.10 Proprietăţile fizico-chimice, electrice, mecanice şi clasificarea

materialelor dielectrice

a. Proprietăţile fizico-chimice

Higroscopicitatea este proprietatea dielectricului de a absorbi umiditatea

din mediul ambiant. Ea depinde de compoziţia chimică şi structurală, precum şi

de porozitatea materialului. Ea influenţează tangenta unghiului de pierderi, care

creşte mult o dată cu creşterea umidităţii din material cît şi rezistivitatea de

volum care scade cu creşterea umidităţii.

Densitatea d = masa/volum, se exprimă în kg/dm3.

Porozitatea p este raportul dintre volumul porilor Vp şi volumul total Vt,

al unei mostre de material:

% 100p

t

Vp

V (3.77)

La materialele electroizolante pe bază de celuloză porozitatea poate atinge

valori pînă la 50%.

Conductibilitatea termică reprezintă proprietatea materialului de a

conduce căldura şi se apreciază prin conductivitatea termică, numeric egală cu

căldura care trece în unitatea de timp prin unitatea de suprafaţă considerată,

pentru diferenţa de temperatură de un grad (W/m oC).

Stabilitatea termică este proprietatea materialelor electroizolante de a

rezista timp îndelungat la o anumită temperatură maximă admisibilă cu condiţia

să-şi păstreze caracteristicile de bază garantate.

În funcţie de temperatura maximă admisibilă de utilizare, materialele

electroizolante se încadrează în următoarele şapte clase de izolaţie: Y, A, E, B,

F, H, C, cărora le corespund următoarele temperaturi maxime admisibile de

utilizare: 90, 105, 120, 130, 155, 180 şi peste 180 oC.

Stabilitatea la temperaturi scăzute este proprietatea materialelor

electroizolante de a-şi menţine principalele caracteristici electrice şi mecanice în

condiţiile temperaturilor scăzute, de ordinul –60 la –70 oC.

Punctul de aprindere şi punctul de inflamabilitate reprezintă

temperatura cea mai joasă la care un material emite o cantitate suficientă de

vapori, care poate da cu aerul înconjurător un amestec combustibil. Amestecul

combustibil se poate aprinde cu ajutorul unei flăcări, caz în care se determină

punctul de inflamabilitate sau se poate aprinde singur, caz în care se determină

punctul de aprindere.

Solubilitatea este proprietatea materialelor electroizolante de a se putea

dizolva într-o substanţă lichidă numită solvent.

Solubilitatea se apreciază după cantitatea maximă de substanţă care poate

fi dizolvată în solventul dat, adică după concentraţia soluţiei saturate (%).

Stabilitatea chimică reprezintă rezistenţa materialelor faţă de acizi, gaze,

apă, baze, săruri solubile etc.


207

b. Rezistivitatea de volum şi de suprafaţă

Rezistivitatea de volum şi rezistivitatea de suprafaţă şi respactiv

rezistenţa de volum şi rezistenţa de suprafaţă sunt proprietăţi ale materialului

dielectric legate de fenomenul de conducţie electrică, alături de celelalte

proprietăţi electrice tratate pe larg: constanta dielectrică (permitivitatea

dielectrică), tangenta unghiului de pierderi tg şi rigiditatea dielectrică.

Orice dielectric real nu este un izolator electric perfect. Curentul de

scurgere, legat de fenomenul de conducţie electrică, este extrem de mic şi are

două căi de trecere prin dielectric: prin masa (volumul) dielectricului şi pe

suprafaţa acestuia.

Curentul total de scurgere I, sau de fugă, va avea deci două componente:

v sI I I (3.78)

Trecând prin cele două căi, curentul întâmpină o rezistenţă de volum vR

şi o rezistenţă de suprafaţă sR . Deoarece cele două rezistenţe sunt legate în

paralel, fig.3.51, rezistenţa totală, sau rezistenţa de izolaţie izR , va avea

valoarea:

v siz

v s

R RR

R R

(3.79)

şi se determină astfel:

/izR U I (3.80)

unde U este tensiunea continuă aplicată între armăturile metalice ale

condensatorului.

Fig.3.51 Schema echivalentă a dielectricului supus tensiunii continue

Rezistenţa unităţii de volum este rezistenţa specifică de volum şi se

numeşte rezistivitate de volum.

Rezistivitatea de volum v este definită ca rezistenţa electrică, măsurată

în curent continuu, a unui cub din dielectric cu latura egală cu unitatea:

/v vR S h (3.81)


208

unde S este aria unei feţe a cubului iar h este înălţimea cubului. Unitatea de

măsură fiind [Ωm].

Rezistenţa unităţii de suprafaţă este rezistenţa specifică de suprafaţă şi se

numeşte rezistivitate de suprafaţă.

Rezistivitatea de suprafaţă ρs este definită ca rezistenţa electrică,

măsurată în curent continuu, a unei suprafeţe de dielectric delimitată de doi

electrozi în formă de cuţit:

/s s cR L D (3.82)

unde cL este lungimea electrozilor-cuţit iar D este distanţa dintre electrozi.

Unitatea de măsură fiind [Ω].

Rezistivitatea dielectricului depinde de starea de agregare, de compoziţia

lui, precum şi de umiditatea şi temperatura mediului ambiant.

c. Caracteristicile şi proprietăţile mecanice:

- rezistenţa la tracţiune;

- rezistenţa la compresiune;

- rezistenţa la înconvoiere;

- rezistenţa la oboseală (proprietatea de a rezista la solicitări alternative);

- duritatea ( proprietatea de a se opune pătrunderii în masa lor);

- rezilienţa (proprietatea de a rezista la şocuri – solicitări aplicate brusc).

d. Clasificarea materialelor dielectrice (electroizolante)

Sunt trei mari grupe de materiale dielectrice: gazoase, lichide şi solide.

A. GAZOASE: aerul, azotul, hidrogenul, gazele electronegative.

B. LICHIDE:

B1 – HIDROCARBURI AROMATICE: benzenul, toluenul etc.

B2 – ULEIURI:

a. naturale: a1 – minerale: de transformator, de condensator, de cablu.

a2 – vegetale: de in, de ricin, de tung.

b. sintetice: clorurate, fluorurate, siliconice.

C. SOLIDE:

C1 – ORGANICE:

a. răşini: a1 – naturale: şelacul, colofoniul (sacâzul), copalurile – chihlimbarul.

a2 – sintetice:

- de polimerizare: polistirenul, polietilena, policlorura de vinil – PVC,

politetrafluoretilena.


209

- de policondensare: fenoplastele, aminoplastele, poliamidele, poliesterii.

- de poliadiţie: epoxidice, poliuretanice.

b. materiale plastice: b1 – presate

b2 – stratificate: pertinaxul (izoplacul), textolitul,

sticlotextolitul, faneritul.

c. pe bază de celuloză: c1 – hârtie: pentru cabluri, pentru impregnare

şi rulare, de tole, de telefonie, suport pentru produse de mică, acetilată.

c2 – cartonul electrotehnic (preşpanul)

c3 – lemnul

c4 – firele de ţesături textile

d. lacuri: - de impregnare

- de acoperire

- de lipire

- de emailare

e. compunduri: - de impregnare

- de umplere

f. bitumuri: - naturale (asfalturi)

- artificiale

C2 – ANORGANICE:

a. sticla: - pentru condensatoare

- pentru izolatoare

- pentru lămpi electrice şi tuburi electronice

- pentru emailare

- de umplutură

- pentru fibre

- hârtia de sticlă

b. mica: - muscovitul

- flogopitul

c. produse pe bază de mică: - micanita (de formare, flexibilă, de colector,

de garnituri)

- micafoliul

- micabanda

- micalexul

- hârtia de mică

- termomicanita

- mica sintetică

d. azbestul (serpentinul): - semitortul (roving)

- ţesăturile de azbest

- azbocimentul

- banda de azbest

- hârtia de azbest

e. ceramica: - porţelanul


210

- steatita

- ultraporţelanul

- ceramica cu oxid de aluminiu

- ceramica cu compuşi de titan

3.11 Cablaje imprimate

Tehnologia a fost utilizată pentru prima dată în aparatura militară în 1945

şi a înlocuit treptat şi pretutindeni vechile modalităţi de conectare spaţiale cu

conductori, introducând modificări importante în construcţia şi tehnologia

echipamentelor electronice profesionale cât şi de larg consum.

Principalele avantaje ale cablajelor imprimate – CIM:

- realizează o mare densitate de montare a componentelor, permiţând

reducerea volumului şi greutăţii – miniaturizarea;

- asigură poziţionarea precisă şi fixă a componentelor şi a

interconexiunilor acestora în circuite – permiţând creşterea fiabilităţii

în funcţionare şi reducerea/compensarea cuplajelor parazite dintre

componente şi/sau circuite;

- asigură o rezistenţă superioară a echipamentelor electronice la

solicitările mecanice, termice şi climatice, îmbunătăţind

mentenabilitatea acestora;

- simplifică şi reduc durata operaţiilor de montaj, facilitând

automatizarea acestora – se asigură un înalt grad de reproductibilitate;

- fac posibilă unificarea şi standardizarea constructivă a subansamblelor

funcţionale din structura aparatelor, permiţând interconectarea simplă,

rapidă, precisă şi fiabilă a acestora.

Structura CIM

Un CIM este un sistem de conductoare plate (imprimate) amplasate pe

unul, două sau mai multe plane paralele şi fixate (cu adezivi) pe suprafaţa unui

suport electroizolant (dielectric) care asigură şi susţinerea mecanică a

componentelor.

Un CIM este deci un stratificat placat alcătuit din suportul electroizolant

(stratificat) pe care se fixează placatul metalic, fixat de regulă cu adeziv.

Denumirea de stratificat vine de la faptul că aceste plăci se realizează din

materiale stratificate cu umplutură de hîrtie, fibre textile, fibre de sticlă sau

teflon, impregnate cu diferite răşini sintetice termoreactive.

Suportul electroizolant al CIM este realizat din materiale având

proprietăţi fizico-chimice, electrice, mecanice şi termice adecvate:

- rezistenţă mecanică pentru susţinerea circuitelor electronice, solicitări;

- capacitatea de a absorbi cât mai puţină apă;

- o comportare termică foarte bună: coeficient de dilatare termică mic,

conductibilitate termică ridicată, rezistenţă la temperaturile de lipire;


211

- din punct de vedere electric trebuie să asigure: pierderi dielectrice mici

în banda de lucru, rezistenţă de izolaţie mare, permitivitatea dielectrică

să corespundă cerinţelor de utilizare;

- rezistenţă la temperaturile de lucru şi lipire;

- neinflamabilitatea (unele standarde impun şi autostingerea);

- cost redus.

La cablajele flexibile se impune:

- flexibilitate foarte bună ;

- coeficent de alungire la întindere cât mai mic şi rezistenţă la rupere

foarte bună.

Pentru CIM rigide, materialele cele mai utilizate sunt cele:

- pe bază de textură de hârtie impregnată cu răşini fenolice – stratificate

fenolice – PERTINAXUL, temperatura maximă de lucru 105oC;

- pe bază de textură din fibre de sticlă impregnată cu răşini epoxidice –

stratificate epoxidice, cu performanţe superioare, temperatura maximă de lucru

150oC – STECLOTEXTOLIT.

- stratificate melaminice şi siliconice realizate similar cu cele anterioare,

utilizînd ca material de impregnare răşini melaminice sau silicoorganice;

- stratificate cu teflon – materialul de bază se impregnează cu răşini

fluorocarbonice care sunt ignifuge cu proprietăţi foarte bune pentru microunde.

Pentru realizarea CIM profesionale sunt utilizate şi suporturi ceramice,

care se fabrică pe bază de oxizi de aluminiu şi beriliu, materiale cu foarte bună

rezistenţă la solicitări termice şi conductibilitate termică ridicată, dar cu o

rezistenţă mecanică mai mică:

- sunt casante,

- se folosesc pentru cablaje multistrat realizate prin procedee de sinteză;

- găurile se execută înainte de coacere.

CIM flexibile utilizează drept suport materiale termoplaste ca ACLAR

(max. 200oC), TEFLON (max. 274

oC), KAPTON (max. 400

oC).

Traseele conductoare se realizează din cupru electrolitic de înaltă

puritate, de grosimi normalizate uzuale: 35 sau 70 m (105 m).

În aplicaţii profesionale se pot utiliza şi Au, Ag sau Ni.

Folia de Cu se acoperă cu o peliculă de cositor, de Au sau Ag.

Adezivii utilizaţi pentru fixarea foliei de Cu pe suportul dielectric – răşini

speciale – trebuie să reziste la temperatura de lipire şi să fie suficient de elastici.

Cei mai uzuali: amestecuri de butinol polivinilici şi răşini fenolice sau

cauciucuri nitrilice şi răşini fenolice cu diverse materiale de umplutură.

Materialele de tip STECLOTEXTOLIT nu necesită adezivi.

Clasificarea CIM

După numărul planelor în care sunt amplasate traseele conductoare şi

după caracteristicile mecanice ale suportului izolant, rigid sau flexibil, există:


212

a) cablaje simplu strat sau monostrat;

b) cablaje dublu strat – pentru echip. electronice profesionale;

c) cablajele multistrat – exclusiv pentru echip. electronice profesionale;

d) cablajele cu suport flexibil – au tendinţa de-a înlocui, în ultimul timp, atât

CIM rigide cât şi “formele de cablu” (compuse din diferite tipuri de

conductoare) care interconectează diferitele subansamble; avantaje:

- sunt uşoare şi mai puţin voluminoase decît cele rigide;

- permit realizarea unor densităţi mari de montaj şi obţinerea unei

fiabilităţi superioare în exploatare;

- formează un sistem de interconectare tridimensional, pot fi îndoite,

răsucite, deplasate, pot avea orice geometrie.

După modalitatea de realizare sunt:

- cablaje cu găuri nemetalizate;

- cablaje cu găuri metalizate;

- cablaje cu contacte obţinute prin creşterea straturilor metalice.

Din punct de vedere funcţional, prin tehnologia cablajelor imprimate se

pot realiza:

- conductoare imprimate, pentru conectarea diverselor componente fixe

sau mobile;

- componente imprimate de circuit ca rezistoare, condensatoare, bobine,

linii cu constante distribuite, elemente pentru microunde;

- subansamble pentru comutatoare mecanice, cu comutări complicate;

- părţi componente pentru maşini electice (servomotoare, maşini

speciale).

Metode şi tehnologii de realizare a CIM

Acestea pot fi grupate în trei mari categorii:

a) metodele substractive – de corodare: ce implică înlăturarea unor

porţiuni din folia de Cu, pe cale chimică (prin corodare – larg

utilizate): metode fotografice, metode serigrafice şi metode offset sau

pe cale mecanică (Anexa 3.A1);

b) metode aditive – de depunere: ce implică metalizarea unui

semifabricat din material electroizolant neplacat: metoda

electrochimică, metoda transferului, metoda arderii în cuptor, metoda

pulverizării catodice şi termice etc.

c) tehnologii de sinteză, în care şi conductorul şi izolatorul se realizează

în aceeaşi etapă.

Realizarea CIM monostrat prin metode de corodare

Este metodologia de bază în realizarea CIM, transpunerea desenului pe

folia de Cu realizându-se prin fotografiere sau prin serigrafie.

Etapele principale de realizare a CIM:


213

- realizarea desenului de cablaj (la o scară mărită 2:1 – pentru CIM

normale şi 4:1 – pentru CIM de mare fineţe) pe hîrtie specială, conform

principiilor de proiectare a CIM. Traseele conductoarelor imprimate se

desenează cu tuş negru (sau se realizează din elemente adezive, special

concepute) manual sau automatizat (prin programe specializate), obţinându-se

astfel originalul desenului CIM – fotooriginalul.

- reralizarea filmului fotografic – fotoşablonul sau masca – prin

fotografierea fotooriginalului pe film de mare contrast şi cu reducerea

corespunzătoare a formatului – la scara desenului – astfel încât negetivul foto

obţinut să rezulte în mărime naturală;

- transpunerea – imprimarea – imaginii cablajului de pe filmul fotografic

pe suportul placat cu Cu prin metoda fotografică sau prin metoda serigrafică;

- efectuarea unor prelucrări mecanice adecvate – după realizarea

corodării: găurire şi metalizare, decupare, debavurare etc. urmate de realizarea

unei acoperiri de protecţie – lăcuire.

Metoda fotografică (pentru producţie de serie mică şi unicate) – etape:

- pregătirea suportului placat;

- acoperirea suportului placat cu fotorezist;

- developarea – fixarea;

- îndepărtarea fotorezistorului neimpresionat;

- corodarea (imersia CIM într-o cuvă cu clorură ferică);

- acoperirea de protecţie.

Metoda serigrafică (larg utilizată, productivitate şi cost mic) – etape:

- pregătirea suportului placat;

- realizarea sitei serigrafice (sau şablon – o pînză cu ochiuri foarte fine);

- acoperirea suportului placat cu cerneală serigrafică;

- corodarea;

- acoperirea de protecţie.

Realizarea CIM multistrat – practic, se utilizează două grupe de

procedee de interconectare (numărul straturilor conductive între 4 şi 20):

- procedeele chimice – de galvanizare (peste 80% din realizări);

- procedee mecanice – sudură, lipire, nituire.

3.12 Condensatoare

3.12.1 Capacitatea unui condensator şi clasificarea acestora

Condensatorul este o componentă pasivă care, alături de rezistor, este

utilizată frecvent în circuitele electronice.

Constructiv, un condensator este alcătuit dintr-un mediu dielectric de

permitivitate ε (constanta dielectrică de material) plasat între două armături

metalice (conductoare) ca în fig.3.52.


214

Fig.3.52 Condensator plan

Dacă unui condensator i se aplică o tensiune continuă U, acesta se va

încărca cu o sarcină Q, raportul dintre sarcina Q şi tensiunea U fiind o mărime

constantă şi caracteristică pentru condensatorul considerat; acest raport defineşte

capacitatea condensatorului:

/C Q U (3.83)

În regim armonic, condensatorul este componenta pentru care, dacă i se

aplică o tensiune variabilă în timp u(t), între tensiunea aplicată şi curentul i(t)

care străbate condensatorul, fig.3.53, există relaţia:

Fig.3.53 Simbolul condensatorului şi mărimile măsurate la borne

1 2

1u t v t v t i t dt

C (3.84)

sau:

du t

i t Cdt

(3.85)

Se presupune un condensator ideal (fără pierderi, adică fără disipare de

energie activă), deci caracterizat numai prin capacitatea C. Dacă u(t) este semnal

sinusoidal, în regim permanent va avea expresia:

sinu t U t (3.86)

unde frecvenţa, perioada şi pulsaţia sunt legate prin relaţiile: f = 1/T şi ω = 2πf =

2π/T. Atunci curentul este:

cos sin / 2du t

i t C C U t C U tdt

(3.87)


215

Se observă că cele două mărimi sunt de aceeaşi formă, dar defazate cu un

sfert de perioadă (curentul defazat înaintea tensiunii, ca în fig.3.54). Se mai

spune că tensiunea este defazată în urma curentului cu un sfert de perioadă

sau cu π/2.

Fig.3.54 Relaţia tensiune-curent pentru un condensator de capacitate C

Impedanţa condensatorului are un caracter preponderent capacitiv.

Condensatorul de capacitate C introduce în circuit o reactanţă capacitivă

măsurată în Ω:

1 1

2CX

C fC (3.88)

Unitatea de măsură pentru capacitate este faradul, cu simbolul F; se

folosesc frecvent submultiplii săi: 61 10F F ,

91 10nF F , 121 10pF F (3.89)

Pentru un condensator plan, capacitatea C este dată de relaţia:

0 rSS

Cd d

(3.90)

unde: - reprezintă permitivitatea absolută a dielectricului condensatorului;

- 0 reprezintă permitivitatea absolută a vidului; 0 = 8,854∙10-12

F/m;

- 0/r este permitivitatea relativă a dielectricului;

- S = L×l suprafaţa armăturilor;

- d este distanţa dintre armături.

Pentru un condensator cilindric, valoarea capacităţii se determină cu

relaţia:

02

ln /

rlCb a

, (3.91)


216

unde: 1- lungimea cilindrului, a - raza cilindrului interior, b - raza cilindrului

exterior.

Din relaţiile date se observă importanţa permitivităţii dielectricului în

obţinerea unor condensatori de capacitatea dorită. Astfel, un condensator cu

capacitatea 0 0 /C S d , deci cu armăturile plane plasate în vid, va avea o

capacitate de r mai mare decât 0C dacă între armături se va plasa un dielectric

caracterizat prin permitivitatea absolută 0 r :

00

rr

SC C

d

(3 .92)

Clasificarea condensatoarelor se poate face după mai multe criterii: din

punct de vedere constructiv, după natura dielectricului, al domeniului de

frecvenţă, după domeniul de utilizare.

Din punct de vedere constructiv există:

- condensatoare fixe, care îşi menţin constantă valoarea capacităţii

nominale în tot timpul funcţionării;

- condensatoare reglabile (denumite şi „semivariabile", „ajustabile" sau

„trimere") ce se caracterizează prin faptul că valoarea capacităţii lor poate fi

reglată în limite reduse (de regulă, la punerea în funcţiune sau la verificări

periodice);

- condensatoare variabile a căror capacitate poate şi trebuie să fie

modificată frecvent între anumite limite relativ largi impuse de funcţionarea

circuitelor electronice (de exemplu, cele de acord pentru radioreceptoare).

În funcţie de natura dielectricului, condensatoarele pot fi :

- cu dielectric gazos (aer, vid, gaze electronegative) - în această categorie

intră condensatoarele reglabile şi variabile cu aer; când acestea sunt destinate

funcţionării în regim de tensiuni ridicate (de ordinul KV), se folosesc ca

dielectrici gaze electronegative sau incinte vidate;

- cu dielectric lichid (ulei mineral sau ulei de transformator) - care sunt

mai rar fabricate şi folosite la ora actuală;

- cu dielectric solid anorganic (sticla, mica şi materialele ceramice) şi

organic (hîrtia, pelicule sintetice nepolare - polistirenul, teflonul,

politetrafluoretilena, polipropilena şi pelicule sintetice polare -

polietilentereftalat, policarbonat, răşină poliamidică);

- cu dielectric peliculă de oxizi metalici - condensatoarele electrolitice

- care au dielectricul format dintr-o peliculă de oxid (A1203, Ta205, Ti02), cei mai

utilizaţi fiind oxizii de aluminiu şi tantal.

3.12.2 Parametrii condensatoarelor fixe, marcare

Principalii parametri electrici ai condensatoarelor sunt:


217

Capacitatea nominală, CN [F]; reprezintă valoarea capacităţii

condensatorului care trebuie realizată în procesul tehnologic şi care este înscrisă

sau marcată pe corpul acestuia.

Toleranţa, t [%]; reprezintă abaterea maximă a valorii reale a capacităţii

faţă de valoarea ei nominală. Pentru condensatoarele cu CN ≤ 1 μF capacitatea

nominală respectă valorile nominalizate din seriile E6, El2, E24, E48 cu

toleranţele corespunzătoare acestor serii. Pentru CN > 1 μF, valorile nominale şi

toleranţele depind de firma producătoare. Pentru condensatoarele electrolitice se

dau de obicei toleranţe nesimetrice: (0%, +50%), (-10%, +30%), (-20%, +80%).

Tensiunea nominală U [V]; este tensiunea continuă maximă sau

tensiunea alternativă eficace maximă care poate fi aplicată continuu la

terminalele condensatorului, în gama temperaturilor de lucru. Valorile

tensiunilor de lucru sunt normalizate; uzuale sunt următoarele valori: 0, 12, 16,

25, 63, 70, 100, 125, 250, 350, 450, 500, 650, 1000 V.

Rezistenţa de izolaţie, Riz[Ω], este definită ca raportul dintre tensiunea

continuă aplicată unui condensator şi curentul care-1 străbate, la 1 minut după

aplicarea tensiunii. În funcţie de tipul condensatorului (deci de natura

dielectricului), rezistenţa de izolaţie poate varia între 100 MΩ şi 100 GΩ.

Condiţiile în care se efectuează măsurătorile (tensiune, temperatură, umiditate)

sunt specificate în catalog.

Pentru condensatoarele cu C N > 0,1 μF se indică în locul rezistenţei de

izolaţie, constanta de timp iz NR C (ce depinde de proprietăţile electrice

ale dielectricului).

Pentru condensatoarele electrolitice parametrul care interesează este

curentul de fugă, If, care reprezintă curentul ce trece prin condensator când

acestuia i se aplică o tensiune continuă la terminale, curent măsurat după un

timp t (1 - 5 minute) de la aplicarea tensiunii continue.

Tangenta unghiului de pierderi, tgδ. Într-un condensator, din cauza

pierderilor în dielectric şi în rezistenţa nenulă a armăturilor şi terminalelor se

disipă putere activă. Tangenta unghiului de pierderi se defineşte ca raportul

dintre puterea activă Pa, care se disipă pe condensator şi puterea reactivă Pr, a

acestuia, măsurată la frecventa la care se măsoară şi capacitatea nominală:

/a rtg P P (3.93)

Un condensator este cu atât mai bun cu cât puterea activă disipată în el

este mai mică.

Dacă se consideră schema echivalentă serie sau paralel în care pierderile

în condensatorul real sunt reprezentate prin rezistenţa r , fig.3.55, construind

diagrama tensiune-curent se observă că unghiul de defazaj φ dintre tensiunea

aplicată şi curentul care parcurge condensatorul este mai mic decât 90° (φ = 90°

în cazul condensatorului ideal, fară pierderi).


218

Fig.3.55 Schema echivalentă a condensatorului: a.- serie şi b.- paral,

diagrama fazorială şi definirea tangentei unghiului de pierderi

Tangenta unghiului de pierderi pentru schema echivalentă serie este:

1r

S

C

U I rtg r C

UI

C

(3.94)

Tangenta unghiului de pierderi pentru schema echivalentă paralel este:

/ 1

/ 1/

rP

C

I U rtg

I U C r C

(3.95)

Complementul unghiului de defazaj este unghiul δ - unghiul de pierderi.

Mărimea tangentei unghiului de pierderi depinde de natura dielectricului

şi de procesul tehnologic al condensatorului considerat şi este de dorit să fie cât

mai mică.

Rigiditatea dielectrică reprezintă tensiunea maximă continuă pe care

trebuie să o suporte condensatorul un timp minim (de obicei 1 minut) fară să

apară străpungeri sau conturnări.

Intervalul temperaturilor de lucru (Tmin - Tmax) reprezintă limitele de

temperatură între care condensatorul funcţionează timp îndelungat. In funcţie de

natura dielectricului acest interval poate fi: (-10°C, +70°C) pentru

condensatoarele cu polistiren şi cu hârtie cerată; (-40°C, +85°C) pentru cele cu

mylar, ceramice, cu hârtie uleiată; (-25°C, +70°C) pentru cele electrolitice; (-

40°C, +125°C) pentru cele electrolitice şi cele cu tantal.

Temperatura minimă Tmin şi temperatura maximă Tmax sunt prezentate de

producător în cataloage prin intermediul categoriei climatice, care este de forma:

N1N2N3 şi unde N1 este Tmin, N2 este Tmax, iar N3 este numărul de zile pentru care

producătorul realizează verificările climatice ale componentei în anumite

condiţii specificate în norme internaţionale.


219

Având în vedere condiţiile în care funcţionează circuitul, proiectantul va

trebui să aleagă componentele astfel încât, în timpul funcţionării, temperatura

corpului componentei TComp. să fie cuprinsă în intervalul de temperatură (Tmin-

Tmax).

Coeficientul de variaţie a capacităţii cu temperatura, este definit de

relaţia:

1

1/ o

C

dCC

C dT sau 0

0 0

11/ o

C

C CC

C T T

(3.96)

în cazul unei variaţii liniare şi unde C0 este valoarea capacităţii la temperatura T0

iar C este valoarea capacităţii la temperatura T.

Coeficientul de temperatură este exprimat tot mai frecvent în - părţi pe

milion pe grad Celsius, definit astfel: 106 [ppm/°C].

Coeficientul de variaţie al capacităţii sub acţiunea altor factori (cum

ar fi: umiditatea, tensiunea aplicată, durata de păstrare etc.), Kp, este dat de

relaţia:

2 1

1

100 %p

C CK

C

(3.97)

unde C1 reprezintă valoarea condensatorului în condiţii normale de funcţionare

iar C2 este valoarea la care ajunge capacitatea condensatorului sub acţiunea

factorului p.

Simbolizarea, reprezentarea convenţională a condensatoarelor, în

conformitate cu standardul român (SR) sau simboluri tolerate, este prezentată în

fig.3.56.

Fig.3.56 Reprezentarea convenţională a condensatoarelor

a – fixe; b – variabile; c – semireglabile; d, f, g – electrolitice; e – de trecere

Marcarea condensatoarelor se face în clar sau codificat, prin culori

(inele, benzi sau puncte), prin simboluri alfanumerice, sau cod literal,


220

normalizate internaţional sau, uneori, specifice unui anumit producător.

Indiferent de sistemul de marcare adoptat, caracteristicile ce se înscriu pe corpul

condensatorului sunt:

a) în mod obligatoriu, pe orice tip de condensator:

- capacitatea nominală CN, cu unitatea de măsură (în clar, cod de culori sau

literal);

- toleranţa valorii nominale: în clar (în % sau în pF dacă CN ≤ 10 pF), în cod de

culori sau literal;

b) în mod obligatoriu pe unele tipuri de condensatoare:

- polaritatea bornelor – la condensatoarele electrolitice, în clar;

- terminalul conectat la armătura exterioară – la condensatoarele electrolitice

sau cu hîrtie, în clar;

- tensiunea nominală UN – la condensatoarele electrolitice, cu hîrtie, cu film

plastic, în clar, cod literal sau culori;

- coeficientul de temperatură al capacităţii – la condensatoarele ceramice, în cod

de culori sau literal;

c) în mod facultativ, în funcţie de producător se poate marca: firma, data

fabricaţiei (an, lună), codul condensatorului (specific firmei), frecvenţa de lucru

etc.

Marcarea în codul culorilor este aplicată mai ales condensatoarelor

ceramice. Citirea indicaţiilor colorate pentru condensatoarele ceramice tip „disc"

sau „plachetă" se face începând de la terminale; pentru condensatoarele

ceramice tip „tubular" citirea se face de la inelul sau banda mai groasă sau mai

apropiată de extremitatea corpului condensatorului.

3.12.3 Comportarea în curent alternativ a condensatoarelor

Condensatorul - componentă ideală prezintă în curent alternativ o

reactanţă capacitivă: 1/CX C , iar defazajul dintre curentul I, care

străbate condensatorul şi tensiunea alternativă aplicată U, este de 90°, tensiunea

fiind în urma curentului.

Comportarea reală a condensatoarelor prezintă o schemă echivalentă ce

va lua în considerare elementele parazite de tip inductiv şi rezistiv, elemente ce

depind de structura constructivă, materialele folosite şi tehnologia de fabricaţie

adoptată. Astfel trebuie să se ţină seama de o serie de considerente, cum ar fi:

- terminalele şi armăturile, care sunt din Cu, Al, Ag sau aliaje, au o

conductibilitate finită, deci vor prezenta o rezistenţă serie rS la trecerea

curentului;

- trecerea curentului prin terminale, armături şi prin dielectric crează un

câmp magnetic, apare deci un efect de inductivitate care creşte odată cu

frecvenţa; fenomenul este echivalat prin apariţia în schema echivalentă a unei

inductanţe L.


221

- în general, se adaugă în paralel cu condensatorul C o rezistenţă Rp care

exprimă pierderile în dielectric; dacă tgδε este tangenta unghiului de pierderi

datorate dielectricului, atunci:

1

pRCtg

(3.98)

- materialele dielectrice (hârtia, materialele plastice) nu sunt izolatoare

perfecte, prin dielectric trecând un curent rezidual (care oricât ar fi de mic,

produce în timp descărcarea unui condensator, conducţia dieletricului); astfel,

condensatorului ideal de capacitate C i se va adăuga în paralel o rezistenţă Riz,

echivalentă acestui fenomen.

În concluzie se poate da următoarea schemă echivalentă, valabilă pentru

o clasă mare de condensatoare, prezentată în fig.3.57a.

a. b.

Fig.3.57 a. – Schema echivalentă completă a condensatorului C;

b. – schema echivalentă serie

Semnificaţia celorlalte elemente din fig.3.57a este următoarea:

- rs rezistenţa armăturilor şi terminalelor;

- L inductanţa armăturilor şi terminalelor;

- Rp rezistenţa de pierderi în dielectric;

- Riz rezistenţa de izolaţie.

Impedanţa condensatorului, reprezentat prin circuitul echivalent

prezentat în fig.3.57a , în regim armonic, se poate scrie astfel:

1

1 1

1

1 11

S

p iz

S

p iz

Z r j L

j CR R

r j L

j C jCR CR

(3.99)

În relaţia (3.99) se fac următoarele notaţii:

1

p

tgCR

- tangenta unghiului de pierderi în dielectric;


222

1iz

iz

tgCR

- tangenta unghiului de pierderi în rezistenţa de izolaţie;

Rezultă:

2

1

1

1

1

S

iz

iz

S

iz

Z r j Lj C j tg tg

j tg tgr j L

j C tg tg

(3.100)

Cu notaţiile:

2

1e izC C tg tg

- capacitatea echivalentă,

S e Sr C tg - tangenta unghiului de pierderi în rezistenţa serie,

C S iztg tg tg tg - tangenta unghiului de pierderi totală în

condensator,

1r

eLC - pulsaţia de rezonanţă a condensatorului

relaţia (3.100) devine:

2

22

1

1 1

11

1 1

11

iz

S

e

S e iz

e e

eS iz

e e

C C

e ee e

e

r

j tg tgZ r j L

j C

r C tg tg j LC j C

LCtg tg tg

C j C

tg tg

C CC Cj j

LC

(3.101)

sau:

1ES

ES

Z Rj C

(3.102)


223

Analizând expresia (3.102) a impedanţei Z, se observă că schema din

fig.3.57a poate fi echivalată cu structura unei scheme echivalente serie, ca în

fig.3.57b, cu următorii parametri:

CES

e

tgR

C

şi

2

1

eES

r

CC

(3.103)

Această modelare ne dă o imagine asupra comportării condensatorului în

gama de frecvenţă. Din analiza relaţiilor (3.103) care dau elementele echivalente

ale unui condensator real, se observă că atât capacitatea echivalentă cât şi

rezistenţa echivalentă depind de frecvenţă. Astfel, se poate spune că doar la

frecvenţe joase - FJ, depărtate de pulsaţia de rezonanţă, condensatorul prezintă

capacitatea echivalentă eC ; pe măsură ce creşte frecvenţa, creşte şi capacitatea

echivalentă sarie a condensatorului.

Se observă că ES eC C C , valoarea condensatorului ESC fiind

crescătoare până în apropierea frecvenţei de rezonanţă r , fig.3.58, după care

condensatorul real pierzându-şi caracteristica de condensator. Este posibil ca,

depăşind pulsaţia de rezonanţă caracterul capacitiv să se transforme în caracter

inductiv (capacitate negativă).

Fig.3.58 Variaţia cu pulsaţia a capacităţii echivalente serie

Variaţia parametrilor echivalenţi este determinată însă de variaţia

pierderilor în funcţie de frecvenţă. Expresia tangentei unghiului de pierderi

intervenind atât în expresia părţii rezistive cât şi a părţii reactive a impedanţei

echivalente, comportarea cu frecvenţa a condensatorului real poate fi estimată în

funcţie de variaţia cu frecvenţa a factorului: C S iztg tg tg tg ,

fig.3.59, unde δ este unghiul total de pierderi. De asemenea, pierderile de putere

activă în condensator au ponderi diferite pentru fiecare tip de pierderi funcţie de

frecvenţă, astfel: la frecvenţe joase predomină pierderile în rezistenţa Riz, la


224

frecvenţe medii predomină pierderile în în materialul dielectric, rezistenţa Rp iar

la frecvenţe înalte în RS, aşa cum se prezintă în fig.3.59. Se reaminteşte că

elementele componente ale schemelor echivalente se modifică cu frecvenţa, cu

temperatura şi în timp.

Fig.3.59 Variaţia cu frecvenţa a tangentei unghiului de pierderi

Prin urmare, în funcţie de domeniul de frecventă al circuitului considerat

se va alege tipul constructiv de condensator care oferă elementele parazite

neglijabile în domeniul respectiv; la ora actuală, condensatoarele ceramice

multistrat tind să înlocuiască condensatoarele ceramice simple, pe cele cu hîrtie

sau cu folie de plastic, iar condensatoarele electrolitice cu tantal înlocuiesc

condensatoarele electrolitice cu aluminiu. La condensatoarele electrolitice

pierderile sunt mai mari, iar schema echivalentă se complică datorită

electrolitului.

Zgomotul condensatoarelor

În anumite condiţii, condensatoarele pot fi sursă de zgomot. Acest zgomot

produce erori în special în circuitele numerice; el nu influenţează, practic,

comportarea circuitelor analogice.

Principalele surse de zgomot în condensatoare sunt:

- descărcările interne incipiente, care survin în interstiţiile ocupate de

aer din materialul dielectric sau între armături şi dielectric, la câmpuri electrice

intense (la o funcţionare în regim alternativ survin două asemenea descărcări pe

perioadă); descărcările sunt favorizate şi de existenţa pe armături a unor

proeminenţe ascuţite, în dreptul cărora câmpul este puternic neomogen;

- variaţiile aleatoare de sarcină pe armături, care se datoresc adeziunii

incomplete a armăturii pe dielectric (în special în cazul condensatoarelor cu

mică sau ceramică argintate), în prezenţa unor dilatări termice sau şocuri

mecanice; condensatoarele supuse unor cicluri de temperatură joasă-înaltă

prezintă o pronunţată tendinţă spre o adeziune incompletă a armăturii pe

dielectric;


225

- relaxarea dielectricului, care survine la dielectricii cu polarizare de

orientare sau polarizare spontană; aceasta este, în special, sursa unui zgomot de

impulsuri;

- polimerizarea incompletă a dielectricilor organici, care poate

continua în timp şi care este, de asemenea, sursa unui zgomot de impulsuri;

- radiaţiile radioactive, radiaţiile Roentgen, lumina etc. produc ionizări

care sunt surse de zgomot în dielectrici ca: mica, ceramicile cu polarizaţie

neliniară, materiale sintetice organice; aceste zgomote sunt mai importante în

cazul condensatoarelor cu capacităţi mici;

- variaţia capacităţii sau rezistenţei de contact datorită unor şocuri

mecanice sau dilatării termice.

În general, în condensatoarele variabile intervin toate tipurile de surse

de zgomot amintite, funcţie de tipul condensatorului variabil. Specific

condensatoarelor variabile este zgomotul generat de angrenajul mecanic.

3.12.4 Tehnologii de realizare a condensatoarelor fixe

Structura unui condensator

Structura constructivă generală a unui condensator este prezentată în

fig.3.60.

Fig.3.60 Structura constructivă generală a unui condensator

Referitor la modul de aranjare a terminalelor există două mari clase de

componente: cu terminale axiale, adică sunt plasate în lungul axei componentei

şi radiale, practic de aceeaşi parte a capsulei componentei.

În continuare se prezintă structura constructivă a principalelor tipuri de

condensatoare.

Condensatoarele cu hârtie

Acestea se relizează prin bobinarea a două folii de aluminiu care

alcătuiesc armăturile, separate de două sau mai multe folii de hârtie impregnate

care constituie dielectricul.Armăturile cu dimensiuni cuprinse între 5 şi 15 μm se

pot plasa suprapuse – bobinarea inductivă, fig.3.61 (efectul inductiv parazit la

acest tip de bobinare este supărător la frecvenţe mai mari; deoarece armăturile se

contactează de regulă într-un singur loc, acest fapt duce la circulaţia curentului


226

din punctul de contact cu armătura în lungul acesteia, care are formă de spirală,

generând astfel fluxuri magnetice şi astfel inductanţă parazită foarte mare) sau

decalate – bobinare neinductivă, fig.3.62 (bobina astfel realizată se

scurtcicuitează şi în acest fel efectul inductiv dispare; se realizează în acest mod

o zonă care va fi metalizată şi care permite plasarea terminalelor).

Fig.3.61 Condensatoare cu folii de aluminiu

După bobinare, condensatoarele se impregneză cu dielectrici lichizi (ulei

de condensator, triclordifenil etc.) sau solizi (parafină răşini epoxidice); prin

această operaţie se determină creşterea rigidităţii dielectrice (eventualele

incluziuni de gaze sunt înlocite cu impregnant).

Condensatoarele sunt protejate prin mulare în compund epoxidic sau sunt

introduse într-un tub de aluminiu etanşat cu răşină epoxidică sau cu rondele din

pertinax cauciucat.

Condensatoarele cu hârtie metalizată sunt caracterizate printr-o

capacitate specifică mai mare, datorită faptului că armăturile sunt pelicule

metalice (de obicei aluminiu) foarte subţiri (zecimi de micron) depuse în vid pe

hârtia lăcuită în prealabil.

Fig.3.62 Condensator cu folii metalizate (neinductiv)


227

Condensatoare cu peliculă din material plastic Cele mai întâlnite tipuri sunt cu polistiren (dielectric nepolar, caracterzat

de o tangentă a unghiului de pierderi mică 10-4

) cunoscuţi sub numele de

stiroflex (fig.3.63) şi cele cu polietilentereftalat (dielectric polar, caracterizat

prin pierderi în dielectric mari) cu denumirea comercială mylar (fig.3.64) sau pe

scurt PET. Cele două au denumirile generice MKT, respectiv MKP. La această

variantă de condensator, spre deosebire de condensatoarele cu folii, la realizarea

bobinei se utilizează numai două folii metalizate cu un strat subţire de aluminiu,

depus prin procedee de evaporare în vid. Datorită variantei de contactare cu

metalizări la capete se obţin inductanţe parazite mici. Înainte de metalizare

bobina se poate presa, rezultând o formă ce se poate introduce într-o carcasă

paralelipipedică sau se poate mula în aceeaşi formă.

Fig.3.63 Condensatoare cu polistiren (stiroflex)

Fig.3.64 Condensator cu polietilentereftalat (mylar)

Folia din material plastic nu prezintă puncte conductoare sau găuri

microscopice şi de aceea se poate folosi un singur strat de dielectric; aceasta

duce la creşterea capacităţii specifice a condensatorului şi la reducerea

gabaritului său; de asemenea, rezistenţa de izolaţie obţinută este foarte mare.

Folosind o tehnologie similară se obţin şi condensatoare cu dielectric

polietilenă (dielectric nepolar) metalizată cât şi cu policarbonat (dielectric polar)

metalizat.

Condensatoarele ceramice

Condensatoarele ceramice folosesc ca dielectric o ceramică formată

dintr-un amestec de oxizi, silicaţi, titanaţi şi zirconaţi ai diferitelor metale,

caolin, talc etc. În funcţie de compoziţie ceramica dielectrică poate fi:

- ceramică de tip I, care are la bază titanaţii de magneziu şi calciu cu

permitivitatea dielectrică εr = 5 – 200; condensatoarele realizate cu acest tip de

dielectric au o variaţie finită a capacităţii cu temperatura şi au tgδ mic;


228

- ceramică de tip II, pe bază de zirconaţi şi titanaţi de bariu sau stronţiu,

are permitivitatea foarte mare, ajungând până la 15000, dar coeficientul de

variaţie al capacităţii cu temperatura este nedefinit şi tgδ mai mare (cu cel puţin

un ordin de mărime faţă de ceramica de tip I);

- ceramică de tip III, are la bază compoziţii ale titanatului de bariu care

pot fi transformate în semiconductor prin tratare termică; se obţine o

permitivitate foarte mare peste 100 000 (se foloseşte mai rar).

Procesul tehnologic cuprinde următoarele etape:

- ceramica dielectrică se obţine printr-un proces tehnologic propriu

materialelor ceramice: substanţele sunt dozate, amestecate şi măcinate; pulberea

se amestecă cu lianţi, se presează şi se supune unui tratament termic; se obţin

astfel formele dorite pentru aceste condensatore: disc, plachetă sau tubulare, ca

în fig.3.65, unde:

Fig.3.65 Condensatoare ceramice monostrat

(a) – disc, (b) – condensator plat

- armăturile de Ag sau Al sunt depuse pe cele două părţi ale discului sau

plachetei prin serigrafie, manual sau automat prin tratament termic;

- urmează lipirea terminalelor printr-un proces tehnologic automat;

- protejarea condensatoarelor se face prin acoperire cu un strat de răşină

termodură, după care urmează marcarea în clar sau în codul culorilor.

Condensatoarele ceramice multistrat

Aceste condensatoare (fig.3.66 şi fig.3.67) sunt caracterizate de

capacitatea specifică (capacitatea pe unitatea de volum) foarte mare; au

dimensiuni mici şi valori nominale în limite largi (de la 3,3 pF la 1μF); datorită

calităţilor, acestea tind să înlocuiască celelalte tipuri de condensatoare folosite în

circuitele electronice.

Materialul dielectric este o pastă de tip I sau II, care prin laminare pe

suport, permite obţinerea unor folii ceramice foarte subţiri de dimensiuni relativ

mari faţă de dimensiunile unui condensator multistrat finit şi care va contribui la

formarea a n componente identice. Pe această folie se depune prin serigrafie o

configuraţie de n pelicule de Ag-Pd care constituie o armătură a

condensatoarelor. Pe o altă folie se depune o configuraţie similară ce va


229

constitui cealaltă armătură etc. Urmează suprapunerea foliilor în număr diferit

de straturi, funcţie de valoarea capacităţii nominale de realizat, presarea foliilor,

decuparea „cip”- urilor viitoarelor condensatoare şi fixarea proprietăţilor prin

tratament termic. Prin metalizarea la extremităţile cip-ului se realizează o

structură de condensatoare legate în paralel – structură pieptene, fig.3.66a. Sub

această formă de „cip” neprotejat, fig.3.66b, condensatorul este folosit în

tehnologia straturilor groase (TSG) de realizăre a circuitelor hibride sau cel din

fig.3.67a, în tehnologia SMD.

Fig.3.66 Condensatoare ceramice multistrat

a) secţiune; b) condensator "cip" neprotejat; c) condensator protejat

Zona metalizată care scurtcircuitează armăturile „stânga” şi din „dreapta”

serveşte pentru sudarea sau lipirea terminalelor din sârmă de Cu dublu cositorită.

Condensatorul este protejat prin acoperire cu un strat de răşină epoxidică.

Fig.3.67 Condensator ceramic multistrat

a) – pentru tehnologia SMD; b) – cu terminale pentru inserţie


230

Condensatoare cu mică

Mica este un material cu bune proprietăţi dielectrice folosit în prezent mai

rar. Condensatoarele cu mică sunt plane, cu structură similară condensatorelor

ceramice multistrat; armăturile din folii de staniu, cupru de mare puritate,

aluminiu sau peliculă de argint sunt dispuse alternativ între straturile de mică,

alcătuind o structură pieptene ; scurtcircuitarea la extremităţi a armăturilor

impare şi respectiv pare asigură creşterea capacităţii totale şi contactarea

terminalelor.

Condensatoare cu sticlă

Aceste condensatoare au ca dielectric sticla silicat cu conţinut mare de

oxizi de bariu sau plumb. Foliile de sticlă au aproximativ 25 μm iar armăturile

sunt din aluminiu sau aur. Şi aceste condensatoare se realizează sub formă plană

sau multistrat.

3.12.5 Tehnologia şi parametrii condensatoarelor variabile

Condensatoarul variabil reprezintă un condensator la care utilizatorul

poate modifica capacitatea în mod continuu într-un anumit interval [Cm, CM]

stabilit de producător.

După rolul pe care-l au în circuitele electronice se clasifică în:

- condensatoare variabile de control, utilizate pentru modificarea

parametrilor unor circuite electronice în timpul utilizării aparaturii; (modificarea

frecvenţei unui radioreceptor pentru acordul cu staţia de emisie, modificarea

frecvenţei unui generator sinusoidal; modificarea capacităţii unui Q-metru

pentru obţinerea rezonanţei cu inductanţa, etc.)

- condensatoare variabile de ajustare, utilizate pentru reglarea la valoarea

nominală a parametrilor unor circuite electronice; sunt utilizate pentru

compensarea abaterii celorlalte componente de care depinde parametrul

circuitului; au intervalul de capacitate [Cm, CM] mult mai mic decât al celor de

control; se întâlnesc şi sub denumirea de semivariabile sau trimere.

Orice condensator variabil are două părţi componente esenţiale: una

mobilă, numită rotor şi alta fixă, numită stator.

Condensatoare variabile de control, în funcţie de tipul dielectricului,

sunt cu aer sau cu dielectric solid (folii plastice polipropilenă, teflon).

Condensatoarele variabile cu aer au structura prezentată în fig.3.68.

Fig.3.68 Condensatoare variabile cu aer


231

Armătura rotorului este formată din lamele de aluminiu sau alamă,

suprapuse în plane paralele, contactate la un ax. Armătura statorului este

realizată la fel ca cea a rotorului, lamelele fiind însă rigidizate şi contactate între

ele prin plăci de legătură. Şasiul este format din plăci de nichel, conectate între

ele cu ajutorul unor bare. Axul cu ajutorul căruia se roteşte rotorul este fixat la

şasiu pe bile sau lamele elastice. Atât rotorul, cât şi statorul sunt izolate electric

de şasiu cu ajutorul unor plăcuţe ceramice siliconice (eventual rotorul poate fi

conectat la şasiu). Pentru o delpasare mai fină a rotorului se utilizează un

angrenaj de demultiplicare acţionat de un ax de comandă. Condensatoarele cu

aer pot avea una, două, trei sau patru secţiuni. Secţiunile pot avea acelaşi stator

sau stator independent. Secţiunile pot fi conectate în paralel sau pot fi utilizate în

circuite diferite.

Se poate considera că aceste condensatoare cu aer au o structură de tip

multistrat. Dacă rotorul are n lamele şi statorul n+1, rezultă capacitatea

condensatorului:

02C nC , (3.104)

unde C0 este capacitatea între două lamele succesive (rotor - stator). În acest fel

deşi permitivitatea relativă a aerului este mică (εr ≅ 1) rezultă totuşi o capacitate

relativă mare.

În afara parametrilor specificaţi condensatoarelor fixe, cele variabile

prezintă şi anumiţi parametrii specifici:

- Capacitatea nominală. Condensatoarele variabile prezintă o capacitate

nominală minimă Cm şi una maximă CM. Capacitatea minimă Cm reprezintă

capacitatea condensatorului corespunzătoare deplasării minime a rotorului faţă

de stator. Chiar dacă armăturile rotorului şi statorului nu se mai suprapun, Cm nu

este zero, datorită distanţei mici între rotor şi stator, Cm este în general de 10 -

25pF pentru o secţiune. Conectând în paralel n secţiuni (n ≤ 4), Cm va creşte de n

ori, (maxim 40 – 100pF). Capacitatea maximă CM, reprezintă capacitatea

condensatorului corespunzătoare deplasării maxime a rotorului faţă de stator. În

funcţie de dimensiuni, CM pentru o secţiune poate lua valori de 250pF...640pF.

Prin conectarea în paralel a n secţiuni (n ≤ 4), CM va creşte de n ori.

- Toleranţa capacităţii poate fi determinată cu relaţia:

0,7 0,11 /100 %m Mt C C (3.105)

- Coeficientul de variaţie cu temperatura al capacităţii este dependent

de capacitate, depinzând în special de modificările armăturilor cu temperatura.

Pentru CM poate ajunge la 40...60 ppm/°C pentru o secţiune.

- Tensiunea nominală este, de asemenea, dependentă de capacitate, fiind

invers proporţională cu aceasta. La CM, VN este 350...400 V.

- Unghiul de rotaţie maxim ϕM, poate fi de 180° sau 360°.

- Direcţia de rotaţie în sensul creşterii capacităţii este conform acelor de

ceas.


232

- Rezistenţa de izolaţie între stator - rotor, între şasiu - stator, şasiu –

rotor este în general, Riz > 10GΩ.

- Rezistenţa de contact între elementele metalice contactate este Rk <

5...10mΩ.

- Capacitatea parazită între două secţiuni de stator psC < 0,02 pF şi între

două secţiuni de rotor prC < 0,05 pF.

- Toleranţa capacităţii unei secţiuni a condensatorului faţă de o altă

secţiune este mai mică decât ± 0,7%.

- Categoria climatică 40 / 85 / 21.

- Tangenta ungiului de pierderi tgδ este, de asemenea, dependentă de

capacitate, putând ajunge la 10-3

. Atât tgδ cât şi αTC sunt influenţate de

umiditate, crescând cu aceasta.

- Legea de variaţie a capacităţii condensatorului este o funcţie de forma:

, ,m MC f C C (3.106)

ce exprimă modul de variaţie al capacităţii condensatorului în funcţie de poziţia

relativă ϕ a rotorului faţă de stator.

Legea de variaţie a unui condensator variabil (liniară, logaritmică etc.)

este aleasă în concordanţă cu circuitul în care este utilizat.

Condensaroarele variabile cu aer sunt condensatoare de înaltă precizie,

având o bună stabilitate a capacităţii cu frecvenţa, temperatura, tensiunea, au

pierderi mici, o bună rezoluţie de reglaj. Sunt utilizate până la frecvenţe de sute

MHz.

Condensatoarele variabile de control cu dielectric solid prezintă o

capacitate specifică mai mare, fiind de dimensiuni mai mici. Se utilizează ca

dielectric folii de materiale termoplaste: polipropilenă, teflon (PTFE),

policarbonat. Au capacitatea maximă CM mai mică şi parametrii mai slabi decât

cele cu aer. Se utilizează în general în radioreceptoare de calitate mai slabă. Au

o structură multistrat plană, structura constructivă fiind prezentată în fig.3.69.

Parametrii condensatorului depind de tipul de dielectric utilizat.

Fig.3.69 Condensator variabil de control cu dielectric solid


233

Condensatoare variabile de ajustare (semivariabile sau trimere)

Sunt utilizate pentru reglarea la valoarea nominală a unor parametrii ai

circuitelor electronice, în special pentru reglarea la valoarea nominală a

frecvenţei de rezonanţă a circuitelor oscilante LC, utilizate în diverse tipuri de

circuite. Scopul este de fapt de a compensa abaterea inductanţei inductorului

conectat în serie sau în paralel cu condensaroarele. De asemenea, mai sunt

utilizate pentru conectarea în paralel cu condensatoarele variabile de control, în

scopul obţinerii unei rezoluţii de reglaj mai bună.

Din punct de vedere al dielectricului utilizat se împart în două categorii:

- condensatoare variabile de ajustare cu ceramică, ce utilizează ca

dielectric ceramica de tip I, cu coeficient de variaţie cu temperatură definit;

având în vedere forma constructivă, pot fi de tip disc sau tubular;

- condensatoare variabile de ajustare cu folii din materiale termoplaste.

Condensatoare variabile de ajustare ceramice de tip disc au soluţia

constructivă prezentată în fig.3.70.

Fig.3.70 Secţiune printr-un trimer ceramic de tip disc

1- pivot; 2 - sudura pivot-rotor; 3 - armatura rotor; 4 - rotor; 5 - armatura stator; 6 – stator;

7 - rondela de cauciuc siliconic; 8 - cosa dublă; 9 - contact stator (cosa simplă); 10 - arc

Rotorul, sub formă de disc, este realizat din ceramică de tip I, fiind

dielectricul condensatorului. Armătura rotorului este din pastă de Ag, depusă

prin pulverizare pe o faţă a rotorului, sub formă de sector de cerc.

Statorul se realizează din ceramică de tip steatit, foarte importantă fiind

stabilitatea termică dimensională. Armătura statorului este din Ag depusă prin

serigrafie sub formă de sector de cerc. Rotorul se deplasează circular, cu ajutorul

unei şurubelniţe, prin intermediul unui ax.

Condensatoarele ceramice disc pentru ajustare au Cm / CM, de la 3 / 10 pF

la 10/ 60 pF, tensiunea nominală 160V, 250V, 350V. Tangenta unghiului de

pierderi tgδ < 2·10-3

rezistenţa de izolaţie Riz > 3GΩ, momentul de rotaţie 100 -

600 gf/cm. Se utilizeză dielectric de tip: N150, N750, N1500.

Condensatoare variabile de ajustare ceramice de tip tubular au forma

constructivă prezentată în fig.3.71. Dielectricul se realizează din ceramică de tip

I sub formă de tub. În exteriorul tubului ceramic se depune armătura stator din

Ag, sub formă tubulară. Rotorul este un şurub metalic ce se deplasează elicoidal

în interiorul tubului ceramic.


234

Se utilizează dielectric de tip N200, N300. Au capacitatea Cm / CM de la

0,3 / 1,5pF la 1 / 12 pF, tensiunea nominală 400V, 500 V. Categoria climatică

este 50/100/21, tangenta unghiului de pierderi tgδ ≤ 2·10-3

, rezistenţa de

izolalaţie Riz > 10GΩ.

Fig.3.71 Condensator variabil de ajustare ceramic de tip tubular

Condensatoarele variabile de ajustare cu dielectric sub formă de folii din materiale termoplaste au structura constructivă din fig.3.72.

Armătura stator este formată din 3 - 4 lamele metalice semicirculare

suprapuse, susţinute mecanic de un corp din material plastic.

Armătura rotor este formată din 2 - 3 lamele metalice semicirculare

contactate la un ax. Dielectricul este sub formă de folii, utilizându-se:

polietilenă, polipropilenă, policarbonat, teflon (PTFE).

Fig.3.72 Condensator variabil de ajustare cu dielectric termoplast

Parametrii condensatorului depind de tipul de dielectric utilizat. Se obţin

capacităţi Cm / CM de la 1,5 /5 pF la 11 /120 pF, tensiunea nominală de 150V,

250V. Categoria climatică: 40/70/21, 40/85/21, 40/125/21.

Condensatoarele variabile de ajustare sunt caracterizate de aceeaşi

parametrii ca şi condensatoarele variabile de control. Legea de variaţie a

capacităţii cu poziţia relativă a rotorului faţă de stator este liniară.

3.12.6 Tehnologia condensatoarelor electrolitice

Tendinţa continuă de miniaturizare a aparaturii electronice impune, pentru

condensatoarele de valori mari (peste 1 nF) utilizarea unor tipuri caracterizate


235

printr-o valoare ridicată a raportului dintre capacitate şi volumul condensatorului

(raport numit capacitate specifică).

În prezent, aceste condensatoare sunt realizate cu valori ale capacităţii

cuprinse între 50 nF şi 250000 µF, într-o gamă de tensiuni nominale extinsă

până la 500 Vcc, cu dimensiuni proporţionale cu produsul capacitate tensiune

pentru aceiaşi tehnologie: condensatoarele subminiatură pentru circuite hibride

au dimensiuni comparabile cu cipurile de circuite integrate.

Aceste condensatoare îndeplinesc de obicei funcţia de filtrare a tensiunilor

(rezervor de energie) sau cuplare decuplare a semnalelor de frecvenţe joase.

Condensatoarele electrolitice reprezintă o categorie specială în cadrul

condensatoarelor, deoarece funcţionarea lor se bazează parţial pe procese

electrochimice, ceea ce impune cunoaşterea modului de realizare al acestora.

Fiind polarizate, borna pozitivă se va numi anod, iar cea negativă catod. Cele

mai întâlnite tipuri sunt cele cu oxid de aluminiu şi pentaoxid de tantal şi mai

recent pentaoxid de niobiu.

a. Condensatoarele electrolitice cu aluminiu

Condensatoarele electrolitice cu aluminiu sunt condensatoare de mare

capacitate (1-3300μF), având ca dielectric o peliculă foarte subţire de oxid de

aluminiu (Al2O3). Rigiditatea dielectrică ridicată (1000 KV/mm) a oxidului de

aluminiu, asigură obţinerea unei capacitaţi specifice mari (1000 μF/cm3), a unor

tensiuni de lucru nominale Un=(3-500)V, într-un domeniu de temperaturi

cuprins între (-40,+85)oC.

Condensatorul electrolitic cu aluminiu (fig.3.73) are conductibilitate

ionică, ceea ce face să fie „polarizat”, adică poate lucra numai in circuite de

curent continuu, sau în circuite în care există o componentă de curent continuu,

superioară ca mărime componentei alternative. Acestea prezintă o borna (+) şi

una (-) şi trebuie conectate în mod corespunzător în schema de utilizare,

respectându-se strict polaritatea marcată sau recunoscută (de obicei catodul este

conectat la carcasă). O polarizare incorectă poate duce la deteriorarea peliculei

de Al2O3 şi deci a condensatorului, deoarece contactul metal-oxid (Al-Al2O3)

are proprietaţi semiconductoare şi o polarizare inversă a condensatorului

(polarizare directă a joncţiunii metal-oxid) ar putea duce la o creştere excesivă a

curentului prin condensator.

Fig.3.73 Condensator electrolitic cu aluminiu


236

Prin cuplarea a două condensatoare în serie, „spate în spate” prin catozi,

se poate obţine un condensator nepolarizat care poate fi utilizat şi în curent

alternativ, de joasă frecvenţă, (50...150) Hz, fără componenta continuă

(fig.3.74).

Fig.3.74 Obţinerea unui condensator nepolarizat

Structura de detaliu a unui condensator electrolitic cu aluminiu (ELCO)

este prezentată în fig.3.75 şi cuprinde:

- folia anodică (electrod +), formând una din armături;

- stratul de Al2O3 (cu grosimea de 0.1 - 0.9 μm), care acoperă folia

anodică, având rol dielectric, adică rol de dielectric cu proprietăţi

semiconductoare;

- soluţia de electrolit, având rolul celei de a doua armături;

- folia catodică, având rolul de a asigura contactul electric dintre soluţia

de electrolit şi borna catodică (electrod -);

- carcasa (capsula), având rol protector (şi totodată contact catod, dacă

este din aluminiu);

- terminale, pentru conectarea componentei în circuit.

Fig.3.75 Structura condensatorul electrolitic cu aluminiu

a - principiu de realizare; b - structura constructiva; c - varianta de încapsulare

Armătura catodică a acestor condensatoare este reprezentată de un

electrolit, care permite contactul cu stratul foarte subţire de oxid, dar care nu are

o rezistenţă foarte mică, cum ar fi ideal. De aici rezultă şi parametrii

condensatoarelor electrolitice care sunt net inferiori celorlalte categorii de

condensatoare. Totuşi, datorită valorilor mari ale capacităţii care se pot obţine

condensatoarele electrolitice sunt astăzi indispensabile în aparatura electronică.

Astfel, fiabilitatea condensatoarelor electrolitice este mai redusă decât a

altor componente electronice pasive, ceea ce înseamnă că acestea se defecteză

mai rapid. Cauzele defectelor sunt: depăşirea tensiunii nominale, încălzirea


237

excesivă datorită pierderilor (tgδ este mare), pierderea electrolitului datorită

etanşării imperfecte, lucrul la temperatură, umiditate sau tensiune mai ridicată,

depozitare îndelungată. Modul de manifestare al defectelor este diferit:

străpungere, explozie (spargerea carcasei), sau pur şi simplu creşterea curentului

de fugă şi scăderea capacităţii (uscare = devalorizare), ceea ce face ca,

condensatorul să nu-şi mai îndeplinească corect rolul în circuit.

Pe lângă acestea, mai prezintă şi un efect inductiv datorat modului

tehnologic de realizare, precum şi incapacitatea de a lucra în curent alternativ

mare (peste 0,7 V amplitudine).

Obs. Condensatoarele de capacitate mare încărcate nu se descarcă prin

scurtcircuitare din cauza valorii mari a curentului ce ia naştere şi care poate

distruge armăturile, punctele de conectare a terminalelor etc. Curentul de

descărcare trebuie limitat cu rezistoare.

În mod curent se produc condensatoare electrolitice în gama de valori

nominale de la 0,22 µF la 47000 µF, având tensiuni nominale cuprinse între 6,3

V şi 450 V. Sunt produse trei categorii de condensatoare electrolitice: simple,

multiple şi nepolarizate.

Marcarea condensatoarelor se face în clar, pe corpul lor fiind specificate:

firma producătoare, codul de catalog, capacitatea nominală, tensiunea nominală,

data de fabricaţie, alte informaţii referitoare la polaritatea terminalelor. Codul de

catalog este format din două litere şi un grup de patru cifre. Literele au

următoarea semnificaţie: EG – condensator de capacitate specifică ridicată; EN

– condensator electrolitic nepolarizat; EM – condensator electrolitic nepolarizat

pentru pornire motoare; EF, EP – condensatoare electrolitice destinate pentru

sursele de putere din echipamentele de tehnică de calcul şi pentru stocarea

energiei în sistemele cu funcţionare în comutaţie. Primele două cifre reprezintă

codificarea familiei tehnologice iar următoarele două codifică tipul capsulei.

b. Condensatoare electrolitice cu tantal

Condensatoarele cu tantal solid sunt produse în gama de valori nominale

de la 0,1 µF la 680 µF şi tensiuni nominale de 3, 6.3, 10, 16, 20, 25, 35, 40, 50 şi

63 V. Se produc în trei variante: CTS-P cu terminale de implantare, numite şi

condensatoare tip picătură; CTS-T cu terminale axiale şi capsulă metalică

cilindrică etanşată cu sticlă (pentru aplicaţii militare şi industriale), CTS-T cu

terminale axiale şi capsulă cilindrică etanşată cu răşină epoxidică (pentru

aplicaţii de uz general). Au avatajul că oferă capacităţi mai mari la un volum

mai mic, dar sunt însă mai scumpe. În fig.3.76 sunt prezentate tipuri constructive

de condensatoare cu tantal.

Fig.3.76 Tipuri constructive de condensatoare cu tantal


238

Condensatoarele ELTA, fabricate de "Tehnoton" - Iaşi, sunt de uz general

sau profesional şi fac parte din categoria condensatoarelor electrolitice cu anod

sinterizat şi electrolit solid.

Structura unui condensator tip ELTA, fig.3.77, este următoarea:

- armătura anodică - un corp cilindric, sinterizat din pulbere de tantal;

- dielectric - o pelicula de pentaoxid de tantal, Ta2O5, cu grosimea de 0.01

- 0.05 μm, ce acoperă granulele blocului anodic pe întreaga suprafaţă, având

proprietăţi semiconductoare (condensator polarizat);

- armătura catodică - o succesiune de straturi de dioxid de mangan, MnO2,

depuse peste întreaga suprafaţă a dielectricului.

Contactarea electrolitului solid (MnO2) se realizează prin intermediul unui

strat de grafit argintat, la care se conectează prin lipire terminalele argintate.

Capacitatea specifică la ELTA este de câteva ori mai mare decat la

ELCO.

Fig.3.77 Condensatorul electrolitic cu tantal

1 - terminal anodic; 2 – port-anod; 3 - anod sinterizat; 4 - strat MnO2; 5 - strat de grafit;

6 - strat de Ag; 7 - terminal catodic; 8 - sudură; 9 - lipitură; 10 - răşina

La condensatoarele electrolitice se marchează în clar valoarea nominală în

μF şi tensiunea nominală în volţi.

Condensatoarele electrolitice cu niobiu au performanţe similare celor cu

tantal şi au fost dezvoltate în special în scopul evitării arderii condensatoarelor

în caz de scurtcircuit. De exemplu, cele de la firma AVX au culoarea portocalie,

fiind uşor de deosebit de cele cu tantal.

În Anexa 3.A4 sunt prezentate tipuri constructive de condensatoare.

3.13 Anexe

3.A1 Aplicaţii ale ceramicei piezoelectrice

Materialele electroceramice joacă un rol important în ingineria electrică şi

constituie o largă familie cu îndelungate tradiţii şi cu mari perspective.

Marea familie a electroceramicelor include o lungă listă de subfamilii:

materialele izolatoare; condensatoarele; feritele; termistoarele (NTC) şi (PTC);


239

ceramicele piezoelectrice; ceramicele piroelectrice; carcasele şi capsulele

ceramice; substraturi şi căptuşelile ceramice; ceramica optică; varistoarele;

ceramicele pentru microunde; conductoarele optice; superconductoarele.

Având în vedere aplicaţiile practice, în continuare se vor prezenta pe scurt

ceramicele piezoelectrice utilizate în realizarea dispozitivelor cu undă elastică de

volum şi de suprafaţă.

Rezonatorul piezoelectric

Este o componentă cu rezonanţă mecanică, echivalentă cu un un circuit

rezonant electronic. Prezintă o rezonanţă serie şi una paralel, cu factor de calitate

foarte mare (de ordinul miilor). Mai are proprietatea unei stabilităţi foarte bune a

frecvenţelor de rezonanţă. Este folosit ca dipol rezonant în oscilatoare care au

nevoie de stabilitate bună a frecvenţei (în circuitele de telecomunicaţii, în

calculatoare, în microcalculatoarele cu scop industrial, în toate ceasurile

digitale).

Prima variantă tehnologică a fost o lamă tăiată dintr-un cristal de cuarţ, pe

feţele căreia au fost depuse contacte metalice. Din acest motiv, mulţi practicieni

numesc „cuarţ” orice rezonator piezoelectric. În prezent, se fabrică rezonatoare

şi din ceramice piezoelectrice, cu proprietăţi similare cu ale cuarţului.

Circuitul electronic echivalent al cristalului şi variaţia reactanţei sale sunt

prezentate în fig.A1.1. Capacitatea paralel corespunde, în mare măsură,

capacităţii parazite a electrozilor metalici depuşi pe suprafaţă. Celelalte elemente

ale circuitului echivalent nu au un corespondent electric în rezonatorul fizic, ele

sunt doar un model al comportării rezonante. Frecvenţele de rezonanţă sunt

foarte apropiate între ele (sute de Hz). Principalii parametri ai dipolului rezonant

sunt:

- frecvenţa de rezonanţă serie;

- distanţa între frecvenţele de rezonanţă ;

- stabilitatea frecvenţei de rezonanţă (dată în ppm/oră sau ppm/an);

- dispersia frecvenţei pentru un lot de cristale.

Fig.A1.1 Circuit echivalent şi variaţia reactanţei unui cristal piezoelectric

Pentru multe produse de acest tip, abaterea relativă a frecvenţei pe termen

scurt sau lung nu depăşeşte 1/100.000, motiv pentru care marcarea pe capsulă a


240

frecvenţei de 10 MHz poate apărea astfel: 10.000 MHz (a fost folosit punctul

zecimal). Zerourile nesemnificative au drept scop indicarea erorii maxime

admise (în acest exemplu, se subînţelege că frecvenţa nu va ieşi din intervalul

9.9995 MHz – 10.0005 MHz).

Filtru trece bandă cu unda de suprafaţă

În afară de utilizarea ca dipol rezonant, dispozitivele piezoelectrice se mai

folosesc ca filtre “trece bandă”, având caracteristica amplificare-frecvenţă din

fig.A1.2a. Un circuit echivalent aproximativ al rezonatorului este cel din

fig.A1.2b, în care circuitele rezonante sunt acordate pe frecvenţa centrală a

benzii de trecere. (În realitate, strcutura echivalentă este puţin mai complicată,

întrucât trebuie să asigure şi lăţimea de bandă de trecere.) Aceste dispozitive

sunt pasive, au trei terminale, volum foarte mic şi o bună stabilitatea a

proprietăţilor de filtrare. Sunt utilizate în circuitele de frcvenţă intermediară din

radioreceptoare MF (10,7 MHz), din canalul de sunet al televizoarelor (5,5 sau

6,5MHz). Principalii parametri sunt: frecvenţa centrală şi lăţimea benzii de

trecere.

a b

Fig.A1.2 Caracteristica amplificare-frecvenţă – a

şi un circuit echivalent al filtrului “trece-bandă” – b

Dispozitivul electric utilizează unda elastică de suprafaţă de tip Rayleigh,

care este o undă polarizată eliptic şi puternic atenuată în adâncime. În fig.A1.3a

este reprezentată reţeaua cristalină distorsionată de unda Rayleigh. Punctele

materiale ale stratului superficial suferă deplasări longitudinale, paralele cu

suprafaţa monocristalului şi transversale. Propagarea este direcţională,

nedispersivă, iar viteza de propagare este mai redusă decât a undelor de volum.

Un semnal electric sinusoidal aplicat traductorului interdigital emitor,

realizat prin depuneri metalice pe un substrat de niobat de litiu (fig.A1.3b),

determină apariţia în substrat a unui câmp electric în planul xOy, care produce

deplasarea punctelor materiale (fig.A1.3c). Traductorul receptor efectuează

conversia în sens invers (fig.A1.3d). Traductoarele sunt conectate la sursa de

semnal, respectiv la consumator, prin reţele de adaptare. Undele de suprafaţă

produse de secţiunile vecine ale traductorului interdigital se vor impune în fază

numai dacă perioada structurii interdigitale este egală cu lungimea de unda λ0.

Astfel conversia mărimii electrice în marimea elastică şi invers este o conversie

selectivă iar filtrul trece bandă are caracteristica atenuare – frecvenţă cu fronturi

abrupte. Domeniul de utilizare este cuprins între sute de MHz şi GHz. În acelaşi


241

mod se pot realiza filtre adaptate pentru recunoaşterea unui semnal modulat în

frecvenţă.

Fig.A1.3 Reprezentare pentru unda Rayleigh pe suprafaţa unui monocristal (a);

traductor interdigital (b),(c) şi filtru cu undă de suprafaţă (d)

3.A2 Tehnologii substractive de realizare a cablajelor imprimate

Tehnologiile din această categorie sunt cele mai răspândite pentru

fabricarea cablajelor pe suport rigid:

- pe placa cu forma dorită se imprimă desenul cablajului;

- înlăturarea cuprului din regiunile ce vor fi izolatoare se face prin

corodare chimică cu substanţe acide.

a. Tehnologii substractive de fabricaţie a cablajelor imprimate cu

găuri nemetalizate, cu imprimare a desenului în imagine pozitivă

Aceste tehnologii se folosesc pentru cablaje mono sau dublustrat, când nu

se prevede acoperirea cu metale de protecţie a conductoarelor sau când această

metalizare urmează să se facă după executarea cablajului.

Principalele etape ale procesului sunt: suportul, folia de cupru, cerneală de

protecţie la coroziune, mască selectivă, lac de protecţie la oxidare.

Plecând de la un semifabricat placat, cu suprafaţa pregătită (bine curăţată)

se imprimă desenul cablajului în pozitiv; viitoarele conductoare sunt acum

acoperite cu cerneală (lac) rezistentă la acizi. După uscare, se trece la corodarea

în băi cu soluţii acide care atacă cuprul neprotejat, apoi, placa se curăţă bine

(decontaminare) pentru înlăturarea agentului corodant şi a produşilor de

corodare. Urmează înlăturarea cernelii protectoare prin spălare cu un diluant

potrivit, după care se execută diverse prelucrări mecanice (decupări, tăieri,

găuriri etc).

Pentru evitarera oxidării suprafeţei conductoarelor, cablajul se acoperă cu

lacuri de protecţie care servesc şi ca fondanţi pentru lipire. Deseori, înainte de


242

aceasta se execută o acoperire cu lac termorezistent, lăsând libere numai

porţiunile în care urmează a se face lipituri, se obţine o mască selectivă de lipire.

Procedeul este printre cele mai ieftine şi cele mai productive, asigură o

calitate satisfăcătoare a cablajelor necesare în numeroase aplicaţii în electronica

de larg consum, aparate de măsură şi control, telecomunicaţii etc.

b. Tehnologii substractive de fabricaţie a cablajelor imprimate cu

găuri nemetalizate, imprimare în negativ a desenului şi metalizarea

conductoarelor

În multe aplicaţii este necesară protejarea conductoarelor cu acoperiri

metalice, capabile să asigure o bună lipire şi rezistenţă la factori de mediu

agresive.

În acest caz se recurge la procedeul: suport, folia de cupru, lac protector,

metalizarea rezistentă la acizi, masa selectivă.

Desenul cablajului se imprimă în negativ, cerneala protectoare acoperind

porţiunile ce vor fi izolatoare (între conductoare). Aplicarea galvanică a

metalului protector se face în băi de electroliză sau prin ştergerea cu un burete

(tampon) îmbibat cu soluţia potrivită şi conectat la un pol al sursei de curent;

celălalt pol fiind conectat la folia de cupru.

După îndepărtarea cernelii protectoare se corodează, apoi se

decontaminează. Circuitul se poare acoperi cu o masă selectivă de lipire; alte

acoperiri nu mai sunt necesare.

Tehnologia descrisă, mai îndelungată şi mai scumpă, asigură o calitate

superioară a cablajelor, în principal datorită metalizării conductoarelor. Se

foloseşte în electronica profesională pentru aparate care urmează să lucreze în

condiţii dificile.

c. Tehnologii substractive de fabricaţie a cablajelor imprimate cu

găuri

Procedeele descrise la puctele 1. şi 2. se pot folosi cu bune rezultate şi la

cablajele dublu strat. La acestea din urmă este necesară metalizarea găurilor

pentru a asigura un contact bun între traseele de pe o faţă şi alta, o calitate

superioară a lipiturilor, o fixare mecanică mai bună a terminalelor şi, în final, o

siguranţă sporită în exploatare.

Pentru a obţine cablaje cu găuri metalizate se utilizează procedeul:

suport, folia de cupru, pastă aderentă, cupru depus chimic, lac protector, cupru

depus galvanic, metalizare, masă selectivă.

După găurire şi curăţirea găurilor (înlăturarea şpanului, şlefuirea

interiorului etc.), întreaga suprafaţă şi mai ales interiorul găurilor se acoperă cu o

pastă, capabilă să asigure o bună aderenţă a cuprului depus chimic. În continuare

se depun chimic, prin reducerea unor săruri, un strat foarte subţire (1-5 μm) de

cupru. Se acoperă cu cerneală rezistentă la acizi porţiunile izolante şi se trece la

formarea pe cale electrolitică, a unui strat de cupru gros (zeci - sute de μm) care

acoperă şi pereţii găurilor. Acest strat este aderent, cu proprietăţi electrice şi

mecanice; stratul de cupru depus chimic asigură conductibilitatea necesară


243

pentru electroliză. După înlăturarea lacului protector se corodează folia de

cupru, se decontaminează şi se execută şi decupajele care nu necesită metalizare.

Se depune masca selectivă de lipire. Cablajele astfel realizate se utilizează

numai, în aparatura profesională cu performanţe ridicate: tehnică de calcul,

electronică militară, aparatură pentru aviaţie şi cercetarea spaţiului cosmic.

d. Tehnologii substractive de fabricaţie a cablajelor multistrat

Cablajele multistrat sunt formate din conductoare plasate în mai multe

plane, separate prin straturi de folii izolatoare.

Foliile izolante pot fi foarte subţiri deoarece proprietăţile mecanice sunt

determinate de grosimea ansamblului şi calităţile adezivului. La cablajele

multistrat, cel mai utilizat material este semifabricatul placat pe una sau ambele

feţe, cu support din fibră de sticlă impregnată cu răşină epoxidică. Se folosesc şi

folii termoplaste care permit îngroparea conductoarelor imprimate.

După corodarea pe o adâncime foarte mică a izolatorilor din interiorul

găurilor se trece la metalizarea acestora. Pentru poziţionare corectă a plăcilor se

folosesc tije, ştifturi sau prezoane de ghidare. Găurile se fac după terminarea

acestor procese, folosind maşini de găurit în coordonate, comandate de

calculator. Dintre metodele de realizare a contactului electric între conductoare

din diferite straturi, cea mai folosită este metoda metalizării găurilor.

Tehnologia realizării cablajelor multistrat necesită utilaje foarte scumpe,

un control riguros în toate fazele, accesibilă numai marii industrii; nu se pot

realiza prin metode artizanale.

3.A3 Consideraţíi privind montarea pe suprafaţă a componentelor

SMD

Tehnologia de montare a componentelor pe suprafaţă (SMA sau SMT)

este o tehnologie în plină ascensiune şi câteva date statistice şi de prognoză

estimează că:

- componentele specifice acestei tehnologii (SMD) depăşesc în prezent

peste 50% din totalul componentelor;

- în realizarea plăcilor de cablaj imprimat (PCI) se pot obţine reduceri de

suprafaţă de peste 70%; costurile de obţinere a PCI echipate scad la jumătate, iar

cheltuielele de fabricaţie se reduc cu până la 35%;

- tehnologia automată SMA ajunge în prezent la un nivel al erorilor de

poziționare de 10-20 ppm faţă de 1000-2000 ppm la plantarea automată a

componentelor cu terminale sau 2500-6000 ppm în cazul plantării manuale;

- productivitatea utilajelor comercializate pentru SMA ajunge la 250.000-

500.000 SMD/oră (1994), ritmurile de fabricaţie fiind fără precedent în industria

electronică de până acum.

Realizarea cablajelor imprimate pentru SMA implică respectarea

considerentelor generale de proiectare a PCI, dar şi apariţia unor reguli specifice

acestei tehnologii, impuse de procesul tehnologic în sine.


244

Componentele electronice specifice tehnologiei de montare pe suprafaţă

SMD li se impun următoarele cerinţe:

- parametrii electrici trebuie să fie similari componentelor electronice cu

terminale;

- dimensiunile componentelor trebuie să fie mult reduse, dar să ofere

posibilitatea manevrărilor de către utilajele automate;

- componentele trebuie să reziste la şocuri termice.

Datorită miniaturizării dimensiunilor componentelor se foloseşte o reţea

modulară de 1,27 mm, iar lăţimea traseelor şi distanţa dintre ele poate fi

micşorată până la 100 µm, prevăzându-se însă prin proiectare modalităţi de

verificare, reparare şi întreţinere a subansamblului considerat.

Procedeele de realizare a lipirii componentelor pe suport utilizate frecvent

sunt lipirea prin retopire şi lipirea în val; ele determină la rândul lor reguli

proprii de proiectare a traseelor de cablaj imprimat, impunând mărimea

suprafeţei de conectare şi dispunerea componentelor.

Lipirea în val este folosită atunci când se utilizează componente SMD

alături de componente cu terminale; fluxul tehnologic de obţinere a unei plăci

PCI echipate prin această metodă implică:

- proiectarea corespunzătoare a cablajului imprimat, ţinând cont de faptul

că pentru componentele cu terminale trebuie prevăzute găuri, iar componentele

SMD (fiind concepute să suporte şocul termic la trecerea prin baia de aliaj de

lipit) se vor plasa pe partea placată;

- realizarea PCI astfel proiectată;

- depunerea adezivului pentru fixarea componentelor SMD, poziţionarea

componentelor şi uscarea adezivului cu radiaţii ultraviolete sau infraroşii (pentru

a asigura fixarea componentei pe zona de contactare respectivă);

- plantarea componentelor cu terminale;

- lipirea componentelor cu terminale în instalaţia de lipire în val, cu

componentele SMD trecând prin valul de aliaj de lipit.

În concluzie, tehnologia montării pe suprafaţă a componentelor oferă

câteva certe avantaje:

- miniaturizarea componentelor şi proiectarea corespunzătoare a traseelor

de cablaj imprimat determină reducerea drastică a dimensiunilor PCI;

- datorită procesului de producţie complet automatizat, numărul defectelor

rezultate în timpul procesului de producţie este foarte mic (numărul de defecte

poate scădea cu până la 99%), comparativ cu plantarea automată a

componentelor cu terminale;

- această tehnologie asigură o calitate superioară produselor finite, o

comportare mai bună a circuitelor la înaltă frecvenţă (elementele parazite practic

dispar), rezistenţă mai mare la solicitări mecanice, deci o fiabilitate ridicată;

- costul unui circuit electronic realizat prin această tehnologie se reduce

cu până la 50% datorită vitezei mari de asamblare, reducerii consumului de

materiale, folosirii cablajelor fără găuri sau cu număr mic de găuri.


245

3.A4 Tehnologii de realizare şi de montare a condensatoarelor

Condensatoare cu dielectric ceramic, nepolarizate, construite în formă de

disc, fig.A4.1. Electrozii metalici depuşi sub formă de film subţire pe dielectric.

Terminalele lipite de electrozi. Valori mici ale capacităţii (maxim 100 nF),

inductanţă proprie neglijabilă. Utilizare tipică: decuplarea frecvenţelor mari în

tehnica radio, circuite digitale.

Condensatoare cu dielectric din mică, nepolarizate, fig.A4.2. Dielectricul

din mică, stabilitate bună cu temperatura, tensiune de străpungere mare, valori

mici ale capacităţii (sub 10nF), inductanţă proprie neglijabilă. Sunt mai scumpe.

Utilizare tipică: circuite rezonante la frecvenţe mari, filtre, oscilatoare, circuite

în care se cere precizie foarte bună.

Condensatoare cu polistiren (stiroflex), nepolarizate, fig.A4.3. Dielectric

din polistiren, calitate foarte bună la frecvenţe joase. Nu este folosit la frecvenţe

înalte, din cauză că este înfăşurat, deci are inductanţă proprie mare. Electrozi din

aluminiu, terminale fixate mecanic, la înfăşurare. Utilizare tipică: filtre la

frecvenţe joase, circuite de temporizare.

Condensatoare cu polipropilenă metalizată, nepolarizate, fig.A4.4.

Ieftini, stabilitate foarte bună a capacităţii (la frecvenţe sub 100 kHz), toleranţa

începe de la 1%, dependenţă slabă de temperatură. Inductanţă proprie mare

(electrozi înfăşuraţi).

Condensatoare cu poliester metalizat, nepolarizate, fig.A4.5. Ieftini,

toleranţă 5-10 %, inductanţă proprie mare (electrozi înfăşuraţi). Tensiune

nominală 100-500 V, rezistenţa de izolaţie > 30 GΩ, tgδ < 0,01, la frecvenţa de

1 kHz.

Condensatoare multistrat, nepolarizate, fig.A4.6. Special concepute

pentru inductanţă proprie neglijabilă şi raportul capacitate/volum mai mare decât

precedentele. Dielectric ceramic sau plastic. Foarte bună stabilitate cu

temperatura, lucrează la frecvenţe mari, sunt mai scumpe. Utilizare tipică:

decuplarea frecvenţelor mari în circuite digitale.

Condensatoare electrolitice cu aluminiu, polarizate, fig.A4.7 principiul

de realizare şi structura, fig.A4.8 şi fig.A4.9 tipuri constructive. Dielectricul este

un strat de oxid, creat pe suprafaţa aluminiului. Capacitate mare (0,47 μF - 4700

μF). Toleranţă mare, realizare înfăşurată (nu au efect la frecvenţe mari). Prezintă

fenomenul de erodare a dielectricului, dacă sunt folosite timp îndelungat la

tensiuni prea mici (sau nu sunt folosite de loc). Depăşirea tensiunii maxime sau

inversarea polarităţii pot duce la explozia condensatorului. Semnul „–„ în

dreptul electrodului negativ. Utilizare tipică: filtrarea tensiunii redresate, cuplare

între etaje (la frecvenţe audio).

Condensatoare electrolitice cu electrozi din tantal, polarizate, fig.A4.10

principiul şi structura de realizare, fig.A4.11 tipuri constructive. Volum mai mic

decât cele cu aluminiu, la aceeaşi capacitate. Inductanţă proprie mult mai mică,

stabilitate mai bună a capacităţii, zgomot mai mic, mai scumpe. Marcat


246

electrodul pozitiv. Utilizare tipică: decuplare la frecvenţe mai mari, intrare în

circuite audio, decuplare circuite digitale.

Condensatoare polarizate „double layer” („supercondensatoare”),

fig.A4.12. Capacitate foarte mare (până la 1F), în volum mic. La încărcarea din

surse de tensiune, cu rezistenţă internă mică, trebuie prevăzută limitarea

curentului, deoarece regimul tranzitoriu durează mult, cu tensiune aproape zero

pe condensator. Inductanţă proprie mare. Utilizare tipică: rezervă de energie

pentru salvare de date sau alimentarea circuitelor de protecţie, când s-a întrerupt

accidental sursa de alimentare.

Condensatoare variabile cu ax, dielectric aer sau dielectric poliester,

nepolarizate, fig.A4.13. Capacităţi 10 pF – 500 pF. Gabarit mai mare la

condensatorul cu aer. Utilizare tipică: acord pe post în tehnica radio (în circuite

rezonante).

Condensatoare variabile semireglabile („trimer”), dielectric ceramic,

nepolarizate, fig.A4.14. Capacităţi 3 pF – 40 pF. Utilizare tipică: reglarea fină a

benzii în tehnica radio, ajustarea frecvenţei în oscilatoare.

Tehnologia de montare a condensatoarelor pe cablajul imprimat este

similară cu cea a rezistoarelor.

Fig.A4.1 Condensatoare ceramice Fig.A4.2 Condensatoare cu mică

Fig.A4.3 Condensatoare stiroflex Fig.A4.4 Condensatoare cu polipropilenă

metalizată

Fig.A4.5 Condensatoare cu poliester


247

Fig.A4.6 Condensatoare multistrat

Fig.A4.7 Condensatorul electrolitic cu aluminiu

a) principiul de realizare; b) structura constructivă; c) detaliu

Fig.A4.8 Tipuri constructive de condensatoare electrolitice cu aluminiu

Fig.A4.9 Condesatoare electrolitice cu aluminiu


248

Fig.A4.10 Structura constructivă a condensatoarelor electrolitice cu tantal,

cu electrolit solid, tip picătură

Fig.A4.11 Condensatoare electrolitice cu tantal

Fig.A4.12 Condensator “double layer”

Fig.A4.13 Condensatoare var. cu ax Fig.A4.14 Condensatoare var. semireglabile

CAP.3 Materiale dielectrice

Documents

Transcript of CAP.3 Materiale dielectrice