Capitolul 2. Condensatorul

Curs 04CUPRINS

Capitolul II. Condensatorul

1. Noiuni introductive. Clasificarea condensatoarelor Structura condensatorului fix. Tipuri de condensatoare Simbolurile electrice ale condensatoarelor Ecuaia de funcionare a condensatorului

pentru nota 5 pentru nota 5 pentru nota 5 pentru nota 5

Figura 4. 2. Materiale izolatoare (dielectrice) Cmpul electric generat de o particul ncrcat cu sarcin electric Permitivitatea electric Polarizarea materialelor izolatoare Strpungerea materialelor dielectrice

CURS 04

1

Capitolul 2. Condensatorul

Capitolul 2 CondensatorulII. 1 Noiuni introductive CONDENSATORUL este o component electronic pasiv, care permite stocarea sarcinilor electrice n structura sa, la aplicarea unei tensiuni pe aceasta. Parametrul principal, care caracterizeaz comportamentul condensatorului din punct de vedere electric este CAPACITATEA ELECTRIC, notat cu C, care se exprim n Farazi (F). Capacitatea electric caracterizeaz abilitatea condensatorului de a se opune modificrii tensiunii electrice care cade pe acesta. II.1.1 Clasificarea condensatoarelor Exist mai multe criterii dup care condensatoarele se pot clasifica, dintre care, cele mai generale sunt: 1. dup variaia capacitii electrice: condensatoare fixe: la care valoarea capacitii electrice nu se poate modifica de ctre utilizator fiind stabilit de fabricant; condensatoare reglabile i trimere: la care valoarea capacitii electrice se poate modifica manual, de ctre utilizator, ntr-un interval de valori stabilit de fabricant; 2. dup caracteristica de funcionare sarcin electric-tensiune: condensatoare liniare: la care caracteristica sarcin electric-tensiune este o dreapt; la acest tip de condensatoare, valoarea capacitii electrice C este constant, nedepinznd de valoarea tensiunii V care se aplic pe terminalele condensatorului. condensatoare neliniare: la care caracteristica sarcin electric-tensiune este o curb; la acest tip de condensatoare, valoarea capacitii electrice C este variabil i depinde de valoarea tensiunii V care se aplic pe terminalele condensatorului. II.1.2 Structura condensatoarelor fixe. Tipuri de condensatoare Structura de principiu a condensatorului este prezentat n Figura 1, n care se consider varianta de condensator plan. Structura prezentat este ncapsulat ntr-un element de protecie care nu este prezentat n figura amintit. Dup cum se observ, condensatorul este alctuit din 2 plcue conductoare, numite armturi (realizate n general din Aluminiu sau Cupru), care se suprapun pe o suprafa S, separate de un material izolator de grosime d, realizat dintr-un material dielectric. Tipul condensatoarelor este determinat de tipul materialului dielectric. n funcie de Figura 4. starea sa, materialele dielectrice pot fi clasificate n urmtoarele tipuri: 1. Material dielectric solid: a. Anorganic: i. Oxid metalic condensatoare electrolitice cu Aluminiu, respectiv cu Tantal ii. Ceramic condensatoare ceramice (monostrat, respectiv multistrat)

CURS 04

2

Capitolul 2. Condensatorul

iii. Mic condensatoare cu mic iv. Film metalic condensatoare metal film v. Sticl condensatoare cu sticl vi. Htrie condensatoare cu hrtie b. Organic: polimeri: i. Poliester condensatoare cu poliester ii. Polistiren condensator cu polistiren (se mai numesc cu stiroflex); iii. Polipropilena condensator cu polipropilena; iv. Teflon condensatoare cu teflon; v. Policarbonat condensatoare cu policarbonat. 2. Material dielectric gazos: aer, gaze. 3. Material dielectric lichid: ulei

Figura 1. Structura general a unui condensator plan.

Pentru condensatoarele uzuale, utilizate n circuitele electronice, materialul izolator dintre armturi este realizat dintr-un material dielectric solid. II.1.3 Simbolurile electrice ale condensatoarelor Simbolul electric al condensatorului fix, precum i mrimile electrice de terminal ale acestuia sunt prezentate n Figura 2.a, n care prin v s-a notat tensiunea electric aplicat pe terminalele condensatorului, iar prin i s-a notat curentul electric prin condensator. Exist condensatoare la care tensiunea care se aplic pe cele 2 terminale trebuie s respecte o anumit polaritate. Aceste condensatoare se numesc condensatoare polarizate, au n general valori mari pentru capacitatea electric i au simbolul electric prezentat n Figura 2.a dreapta.

CURS 04

3

Capitolul 2. Condensatorul

+ i

C+ v -

Ccondensatorul polarizat

Figura 2.a. Simbolul electric al condensatorului fix i mrimile electrice de terminal ale acestuia.

n Figura 2.b sunt prezentate diferite exemple de condensatoare fixe, aa cum se regsesc acestea ca i componente fizice n circuitele electronice.

Figura 2.b. Exemple de condensatoare fixe fizice.

Simbolul electric al trimerului, respectiv al condensatorului variabil sunt prezentate n Figura 3.a.

trimer

condensator reglabil

Figura 3.a. Simbolul electric al condensatorului variabil.

CURS 04

4

Capitolul 2. Condensatorul

Figura 3.b. Exemplu de trimer, respectiv de condensator reglabil.

La trimere, respectiv la condensatoarele reglabile, exist un element suplimentar (de exemplu, un urub de dimensiuni mici) prin intermediul cruia utilizatorul poate modifica manual valoarea capacitii electrice. n Figura 3.b sunt prezentate cte un exemplu de trimer, respectiv de condensator reglabil, aa cum se regsesc acestea ca i componente fizice n circuitele electronice. II.1.4 Ecuaia de funcionare a condensatorului fix Condensatorul se comport ca un depozit de sarcin electric. Astfel, la aplicarea unei tensiuni pe terminalele sale, condensatorul nmagazineaz n structura sa o cantitate de sarcin electric notat Q care este direct proporional cu valoarea tensiunii v aplicate ntre terminalele condensatorului. Coeficientul de proporionalitate ntre cele 2 mrimi este reprezentat de capacitatea electric C a condensatorului (C = capacitatea depozitului = cea care stabilete ct de mult sarcin electric poate s stocheze acesta), iar relaia matematic care leag cele 3 mrimi este:Q =C v

Curentul electric prin condesator apare atunci cnd cantitatea de sarcin electric Q sufer modificri n timp, fiind egal cu viteza de variaie a acesteia n timp:i= dQ dt

Ecuaia de funcionare a condensatorului furnizeaz informaii despre curent electric prin acesta n funcie de tenisunea aplicat ntre terminalele sale. Pe baza celor 2 relaii de mai sus, ecuaia de funcionare a condensatorului fix este:i = C dv dt

ecuaia de funcionare a condensatorului

Semnul relaiei de mai sus respect sensul mrimilor electrice din Figura 2.a. n cazul n care sensul curentului electric i i sensul referinei pentru tensiunea v sunt opuse, atunci, n ecuaia de funcionare, n faa termenului din dreapta apare semnul -.

CURS 04

5

Capitolul 2. Condensatorul

Deoarece curentul prin condensator este direct proporional cu variaia n timp a tensiunii aplicate pe acesta, n regim de curent continuu, cnd mrimile electrice sunt constante n timp, curentul electric prin condensator este nul. Concluzie: curentul continuu prin condensator este egal cu 0 amperi (cu alte cuvinte, condensatorul nu permite trecerea curentului continuu prin el). Aceast proprietate a condensatorului este exploatat n aplicaiile n care este necesar ca anumite subblocuri dintr-un sistem electronic s fie izolate (decuplate) n regim de curent continuu (un exemplu uzual este reprezentat de blocurile de amplificare). Observaie: dei n regim de curent continuu curentul prin condensator este nul, la aplicarea unei tenisuni continue ntre terminalele condensatorului exist un interval de timp scurt n care curentul prin condensator variaz n timp de la o valoare maxim la 0. n intervalul de timp respectiv se spune despre condensator c funcioneaz n regim tranzitoriu. Figura 4. II.2 Materiale izolatoare (dielectrice) II.2.1 Cmpul electric generat de o particul ncrcat cu sarcin electric O particul ncrcat electric cu o cantitatea de sarcin electic Q, genereaz n jurul su un cmp electric. Cmpul electric este reprezentat prin intermediul liniilor de cmp electric, utilizate pentru a reprezenta cmpul electric ntr-un mediu, aa cum este prezentat n Figura 4.

Figura 4. Cmpul electric generat de o sarcin electric Q pozitiv

n funcie de semnul sarcinii electrice, liniile de cmp electric sunt orientate spre exteriorul sarcinii electrice, dac aceasta este pozitiv, respectiv spre interiorul sarcinii electrice, dac aceasta este negativ. n Figura 5 se prezint orientarea n spaiu a liniilor de cmp electric, n funcie de semnul sarcinii electrice. Pe baza acestei observaii, se poate afirma faptul c liniile de cmp electric sunt orientate de la sarcina electric pozitiv (de la +) spre sarcina electric negativ (spre -).

CURS 04

6

Capitolul 2. Condensatorul

Figura 5. Orientarea n spaiu a liniilor de cmp electric (de la + spre -)

Cu ct fluxul de linii electrice ntr-o anumit zon din spaiu este mai dens, cu att cmpul electric este mai puternic n zona respectiv. Fluxul electric al cmpului electric este notat cu litera greceasc (psi) i este cu att mai mare cu ct cantitatea de sarcin electric Q, care genereaz cmpul electric, este mai mare. Q Fluxul electric este utilizat pentru definirea unui parametru al cmpului electric, denumit densitate de flux electric, notat cu D: D= A

unde A reprezint unitatea de arie. Densitatea de flux electric caracterizeaz modul n care este distribuit n spaiu cmpul electric. Un alt parametru al cmpului electric este intensitatea cmpului electric, notat cu E. Intensitatea cmpului electric caracterizeaz fora electric pe care cmpul electric o poate exercita asupra unei sarcini electrice pozitive de test, plasat ntr-un anumit punct n spaiu. Intensitatea cmpului electric depinde direct proporional de sarcina electric Q, care genereaz cmpul electric respectiv i este cu att mai redus n spaiu, cu ct punctul considerat pentru sarcina electric de test este mai ndeprtat de punctul n care se afl sarcina electric Q: E =k Q r2

[ E]

=SIM

N Newton = C Coulomb

unde k, este constanta lui Coulomb: k = 9 109[N m2/C2], iar r reprezint distana de la sarcina electric Q care genereaz cmpul electric pn la sarcina electric de test. II.2.2 Permitivitatea electric Densitatea de flux electric al unui cmp electric depinde de proprietile mediului prin care acesta trece. Parametrul care caracterizeaz influena mediului asupra liniilor de cmp electric se numete permitivitate electric. CURS 04 7

Capitolul 2. Condensatorul

Permitivitatea electric se noteaz cu litera epsilon i reprezint o msur a rezistenei mediului la trecerea cmpului electric prin el; cu ct valoarea permitivitii electrice a mediului este mai mare, cu att mediul respectiv opune o rezisten mai mic la trecerea cmpului electric, iar liniile de cmp electric prin mediul respectiv vor fi mai dense. Prin definiie, permitivitatea electric a unui mediu prin care se propag un cmp electric de intensitate E este egal cu raporul dintre densitatea de flux electric D i intensitatea cmpului elecric E, i se exprim n Farad/metru:

=

D E

[ ] SIM

=

F m

Permitivitatea electric a vidului, notat 0, reprezint o msur etalon la care sunt raportate valorile permitivitii electrice ale materialelor dielectrice i are valoarea: F 0 = 8,85 10 12 m Raportul dintre permitivitatea electric a unui material dielectric i permitivitatea electric a vidului 0 reprezint permitivitatea relativ, notat r:

r =

0

Tabel 1. Permitivitatea electric relativ a materialelor dielectrice

Permitivitatea relativ a unui material dielectric este un parametru adimensional, care arat de cte ori este mai permisiv un material dielectric la trecerea cmpului electric fa de vid. n Tabelul 1 sunt furnizate valorile permitivitii electrice relative pentru o serie dintre cele mai uzuale materiale dielectrice:

CURS 04

8

Capitolul 2. Condensatorul

II.2.3 Polarizarea materialelor izolatoare ntr-un material izolator, electronii sunt puternic legai de atomii lor i din acest motiv nu exist deplasare de electroni la nivelul structurii cristaline a materialului. Totui, la nivel atomic, exist o deplasare pe o distan d a sarcinii pozitive a atomului (protonul) fa de sarcina electric negativ a acestuia (electronul). Perechea compus din cele 2 sarcini electrice (egale, de semn opus i inseparabile) formeaz o structur denumit dipol electric, aa cum este prezentat n Figura 6.

Figura 6. Structura dipolului electric.

n prezena unui cmp electric (sau la aplicarea unei diferene de potenial V), dipolii electrici din structura materialului izolator se vor roti, deoarece sarcinile electrice negative ale dipolilor electrici respectivi se vor orienta spre regiunea de sarcin electric pozitiv a cmpului electric (sau spre potenialul electric pozitiv al tensiunii V), iar sarcinile electrice pozitive ale dipolilor electrici se vor orienta spre regiunea de sarcin electric negativ a cmpului electric (sau spre potenialul electric negativ al tensiunii electrice V). Prin acest fenomen de rotire, n final toi dipolii electrici din structura materialului izolator se vor orienta n mod identic, fiind aliniai pe direcia cmpului electric, aa cum este prezentat n Figura 7.a. Ca urmare a orientrii dipolilor electrici, sarcinile electrice ale acestora se vor neutraliza din punct de vedere electric (zona de culoare nchis din Figura 7.b), cu excepia sarcinilor electrice aflate la periferia materialului. Astfel, prin orientarea dipolilor electrici i neutralizarea sarcinilor electrice ale acestora, plasate n interiorul materialului, la periferia materialului izolator rmne o sarcin electric, aa cum se observ n Figura 7.c. sarcina electric rmas la periferia materialului izolator determin polarizarea acestuia i genereaz un cmp electric intern Eint orientat n sens invers cmpului electric extern E. Scopul introducerii unui material dielectric n structura unui condensator este de a genera un cmp electric de sens opus celui exterior. Acest fenomen, aa cum se va explica n subcapitoulul care are ca subiect capacitatea electric a condensatorului, permite creterea capacitii electrice a condensatorului respectiv.

Figura 7. Polarizarea unui material izolator

CURS 04

9

Capitolul 2. Condensatorul

Exist dou tipuri generale de fenomene de polarizare care au loc n structura materialelor izolatoare: a. fenomene de polarizare temporar: starea de polarizare a materialului izolator se menine numai pe durata aplicrii sursei de polarizare (cmpul electric). n funcie de cauzele (mecanismele) care determin polarizarea temporar a materialului izolator, fenomenele de polarizare temporar se pot clasifica n: fenomene de polarizare prin deplasarea sarcinii electrice, care pot fi, n funcie de tipul sarcinii electrice care se deplaseaz, de 2 tipuri: electronic ionic fenomene de polarizare prin orientarea moleculelor dielectricilor b. fenomene de polarizare permanent: o dat instalat, starea de polarizare a materialului izolator se menine indiferent dac materialul se afl sau nu n cmp electric. II.2.4 Strpungerea materialelor dielectrice n plaja temperaturilor normale, un material dielectric prezint o conductivitate nenul de valoare extrem de redus (valoarea curentului electric care trece prin dielectric este foarte mic). Fenomenele de conducie existente la nivelul materialului dielectric sunt datorate fie prezenei sarcinilor electrice libere (a electronilor de conducie i a golurilor generai termic), fie defectelor cristaline. Aceste fenomene determin prin structura materialelor dielectrice apariia unor cureni de valori mici, denumii cureni de scurgere (pentru condensatoare aceti cureni sunt denumii cureni de fug). Prezena curenilor de scurgere prin structura materialelor dielectrice afecteaz performanele condensatoarelor i n consecin au un impact negativ n circuitele electronice n care acestea sunt utilizate. Din acest motiv este de dorit ca valorile curenilor de scurgere (de fug pentru condensatoare) trebuie s fie ct mai mici. Dac un material dielectric se introduce ntr-un cmp electric a crei intensitate E este crescut gradat, atunci, pentru o anumit valoare a intensitii E a cmpului electric, prin materialul dielectric ia natere un curent electric care crete brusc i necontrolat. Acest fenomen se numete strpungerea dielectricului i determin distrugerea dielectricului respectiv i implicit a condensatorului realizat cu dielectricul respecitv. Fenomenul de strpungere a dielectricului poate fi pus n eviden utiliznd un condensator ntr-un montaj experimental, ca cel prezentat Figura 8.a, n care VALIM este o surs reglabil de tensiune, aparatul notat cu V este un voltmetru care msoar tensiunea pe dielectric (tensiunea pe terminalele condensatorului), iar aparatul notat cu A este un ampermetru care msoar curentul prin dielectric. Graficul valorilor mrimilor electrice de teminal ale condensatorului, obinute pentru diferite valori ale tensiunii de alimentare VALIM, este prezentat n Figura 8.b. Dup cum se observ, la valori mici ale tensiunii de alimentare VALIM, valoarea curentului prin dielectric este foarte redus. n momentul n care valoarea tensiunii de alimentare VALIM este crescut astfel nct tensiunea pe dielectric atinge o valoare critic de prag notat VSTR, se constat o cretere brusc i necontrolat a curentului prin dielectric, care demonstreaz apariia fenomenului de strpungere. Valoarea tensiunii pe dielectric VSTR, la care apare fenomenul de strpungere se numete tensiune de strpungere.

CURS 04

10

Capitolul 2. Condensatorul

Fenomenul de strpungere se explic prin creterea n avalan a conductivitii electrice a materialului dielectric la valori foarte mari ale tensiunii care cade pe acesta. Prin creterea puternic a curentului care trece prin materialul dielectric, puterea disipat pe acesta devine foarte mare i n consecin i temperatura la nivelul acestuia crete puternic, iar n final, materialul dielectric i implicit condensatorul se poate distruge prin apariia unor zone de topire n structura dielectricului. n urma strpungerii sale, dielectricul i pierde proprietile de material izolator, devenind un material conductor n regiunile topite. Concluzie: un condensator distrus prin strpungerea dielectricului su permite trecerea curentului electric prin el. Cmpul electric generat ntre armturile condensatorului, atunci cnd pe acesta se aplic o tensiune V, se calculeaz ca raport ntre tensiunea respectiv i distana dintre armturi i se exprim n volt/metru:E= V d

[ E ]SIM

=

V Volt = m metru

intensitatea cmpului electric ntre armturile unui condensator plan

Valoarea intensitii cmpului electric la care are loc fenomenul de strpungere a materialului dielectric se numete rigiditate dielectric, i se definete conform relaiei:V E STR = STR d

unde d este grosimea materialului dielectric i se exprim n metri, VSTR se exprim n voli, iar ESTR n Voli/metru.

Figura 8. Circuitul electronic care pune n eviden fenomenul de strpungere al dielectricului

n Tabelul 2 sunt furnizate valorile rigiditii dielectrice pentru diferite materiale dielectrice.Tabel 2. Valoarea rigiditii dielectrice pentru diferite materiale dielectrice, exprimat n kV/mm (kilovoli/milimetru)

CURS 04

11

Capitolul 2. Condensatorul

n legtur cu fenomenul de strpungere al dielectricului, pentru condensator se definete un parametru foarte important denumit tensiune nominal, care este notat UN. Tensiunea nominal UN reprezint valoarea maxim a tensiunii continue sau a valorii efective, care se poate aplica pe teminalele condensatorului n regim de curent continuu, respectiv n regim de curent alternativ, fr ca acesta s se distrug prin strpungere. n cazul n care, n circuitul n care este utilizat, tensiunea pe condensator depete valoarea tensiunii nominale UN, condensatorul respectiv se poate distruge prin strpungerea dielectricului su.

CURS 04

12