Condesatori. Tipuri de condesatori

Conductorii sunt caracterizati prin faptul ca poseda electroni liberi, care sub actiunea unui cimp electric exterior se pot deplasa in sens opus intensitatii cimpului electric. Ca urmare a acestui fapt un conductor izolat aflat in cimp electrostatic exterior se polarizeaza, adica la un capat apare un surplus de sarcini electrice pozitive in timp ce la celalalt capat apare un surplus de sarcini electrice negative. Aceasta polarizare conduce la inducerea unui cimp electric de intensitate E_ind orientata in sens opus intensitatii cimpului electric exterior. Este clar ca aechilibrul electrostatic se realizeaza daca intensitatea cimpului electric E_i, in interiorul conductorului, este:

Pe baza teoremei lui Gauss rezulta ca suma algebrica a sarcinilor electrice pe orice domeniu din interiorul conductorului este egala cu zero. De asemenea, potentialul electric in interiorul unui conductor izolat aflat in cimp electric exterior este constant.

Deci, daca un conductor izolat se afla intr-un cimp electrostatic, pe suprafata exterioara a acestuia se induc sarcini electrice de semne diferite, iar echilibrul electrostatic se realizeaza in urmatoarele conditii:

Intensitatea cimpului electric in interiorul conductorului este egala cu zero;

Suprafata exterioara a conductorului este echipotentiala, ceea ce inseamna ca intensitatea cimpului electric in exteriorul conductorului este perpendiculara pe suprafata exterioara a acestuia.

Daca un conductor izolat este incarcat cu sarcina electrica Q, aceasta se distribuie pe suprafata exterioara a conductorului pina in momentul in care sunt satisfacute conditiile 1 si 2 de mai inainte.

Experientele arata ca raportul dintre sarcina electrica Q cu care se incarca un conductor izolat si potentialul V la care se afla suprafata exterioara a conductorului, depinde numai de dimensiunile si forma conductorului. Acest raport, fiind o marime fizica caracteristica, se numeste capacitate electrica a conductorului izolat:

C=Q/V

Pentru capacitatea electrica C unitatea de masura, in Sim este Faradul (F):

<C>_SI=<Q>_SI/<V>_SI=1 C/V= 1F

Un conductor izolat are capacitatea de 1 Farad daca, fiind incarcat cu o sarcina electrica de 1 C potentialul pe suprafata lui exterioara este egal cu 1V.

Expresia capacitatii condesatorului plan este:

Grupare condensatoarelor este o operatie care se efectueaza ori de cate ori avem nevoie, intr-o experienta, de anumite valori ale capacitatii si de care nu dispunem la acel moment. Exista doua modalitati de grupare a condensatoarelor si anume: in serie si in paralel.

Gruparea in serie (in cascada). In acest tip de grupare, condensatoarele se leaga unul dupa celalalt (in sir) ca in figura urmatoare.

C₁ C₂ C₃ C₄

A +q -q +q -q +q -q +q -q B

o o o o o

U₁ U₂ U₃ U₄

U

In aceasta grupare fiecare condensator are aceiasi sarcina q datorita fenomenului de inductie electrostatica, dar in schimb, diferenta de potential pe fiecare condensator este diferita, fiind invers proportionala cu capacitatea condensatoarelor astfel:

q q q q

U₁ = ---- ; U₂ = ---- ; U₃ = ---- ; U₄ = ----

C₁ C₂ C₃ C₄

Capacitatea echivalenta la bornele AB, a acestei grupari, capacitate pe care vrem sa o determinam, este capacitatea acelui condensator care - inlocuind gruparea si avand aplicata intre armaturi o diferenta de potential U egala cu suma diferentelor de potential aplicate condensatoarelor din grupare - se incarca cu aceiasi sarcina q:

U = U₁ + U₂ + U₃ + U₄ inlocuind vom obtine;

; impartim relatia cu q si vom obtine:

unde C reprezinta capacitatea echivalenta a gruparii

in serie a condensatoarelor.

Pentru cazul in care legam n condensatoare, atunci relatia de devine:

iar pentru cazul in care se leaga doar doua condensatoare, capacitatea echivalenta se calculeaza cu relatia:

Observatie: Legarea condensatoarelor in serie este justificata mai ales atunci cand se folosesc tensiuni mari, pe care un singur condensator nu le-ar putea suporta.

Gruparea in paralel (in suprafata). Aceasta grupare se realizeaza legand impreuna intr-un punct (in punctual A de exemplu) cate o armatura a fiecarui condensator si in alt punct (de ex. in punctual B) celelalte armaturi ale condensatoarelor, ca in figura de mai jos.

In cazul acestui tip de grupare, se observa ca fiecare condensator este conectat la aceiasi diferenta de potential U si va avea corespunzator sarcina:

q_{1 =} C₁ U; q_{2 =} C₂ U; q_{3 =} C₃ U;

Capacitatea echivalenta ce trebuie determinata este capacitatea acelui condensator care - pus in locul gruparii si aplicandu-i-se diferenta de potential U - se incarca cu o sarcina egala cu suma sarcinilor cu care s-au incarcat condensatoarele din grupare:

Deci la bornele AB vom avea:

q = CU; unde q = q₁ + q₂ + q₃

inlocuind vom obtine:

CU = C₁U + C₂U + C₃U impartim relatian cu U si vom obtine relatia:

C = C₁ + C₂ + C₃ cu care se calculeaza capacitatea echivalenta a gruparii

condensatoarelor in paralel.

Clasificarea condesatorilor constituie o actiune utila, avind menirea sa usureze identificarea lor dupa anumite caracteristici: forma, dimensiune, tipul de dielectric folosit, variabilitate etc.

Dupa dimensiuni condesatorii sunt:

masivi

microminiaturizati

Dupa dielectricul folosit:

condesatori cu aer;

condesatori cu hirtie;

condesatori cu ceramica;

condesatori chimici

Dupa variabilitate:

condesatori fixi;

condesatori variabili;

Condensatoarele electrolitice prezinta proprietati remarcabile (permitivitate si rigiditate mare si posibilitatea de obtinere a unei pelicule sub un micron, ceea ce duc la realizarea de capacitati specifice mari (sute ).Ele se bazeaza pe proprietatea oxizilor unor metale ca aluminiul si tantalul, de a conduce intr-un sens si de a prezenta o rezistenta de blocare mare in celalalt sens. De aceea, aceste condensatoare sunt polarizate.

Anodul este format dintr-o folie de aluminiu de inalta puritate, groasa de 60-100 microni, care este oxidata simultan pe ambele parti prin electroliza. Stratul de oxid gros de circa o miime de micron pentru fiecare volt al tensiunii nominale, constutuie dielectricul. Pentru marirea suprafetei anodului si deci pentru obtinerea de capacitati mari intr-un volum mic, ea nu este neteda ci asperizata prin corodare electrochimica.

Catodul este o solutie de acid boric, hidroxid de amoniu si glicoletilena, care patrunde in toti porii anodului. Aceasta solutie este mentinuta in contact cu stratul de oxid anodic pe toata suprafata prin impregnarea a 2-5 foite de hartie fara impuritati. Contactul catodic se realizeaza prin alta folie de aluminiu dar de grosime mult mai mica (10 microni), care se aseaza peste foile de hartie. Intreg ansamblul, format dintre doua folii de aluminiu (anodul si contactul catodic), avand intre ele foitele de hartie este apoi rulat pana capata o forma cilindrica. Acesta se introduce apoi in tuburi de aluminiu etansate cu dopuri de cauciuc. Contactul anodic este izolat iar contactul catodic se leaga la carcasa.

Dupa asamblarea condensatoarelor, urmeaza procesul de formare care consta in aplicarea unei tensiuni (U_F) mai mare cu 5 - 10% fata de tensiunea de varf. U_V este mai mare cu 10 - 50%, decat tensiunea nominala (U_n). Functionarea condensatoarelor la tensiuni mai mari ca U_V duce la cresterea rapida a curentului de fuga manifestata prin incalzirea puternica si degajare de gaze si in ultima instanta deteriorarea lor.

Daca se aplica o tensiune inversa (minus pe anod), atunci condensatorul nu conduce pana la o valoare de 2-3 V, dupa care curentul creste brusc asemanator cu o dioda Zener, producandu-se deteriorarea printr-o incalzire exagerata. Fenomenul se explica prin faptul ca stratul de oxid depus pe folia de metal (aluminiu) se comporta ca o jonctiune semiconductoare metal - oxid (MO) de tip NP cu pragul de deschidere de 2 - 3 V.

Daca dorim obtinerea de condensatoare de mare capacitate nepolarizate, acestea se realizeaza prin legarea in serie dar in antifaza a doua condensatoare electrolitice (ambii anozi sau ambii catozi conectati impreuna).

Gama de valori a condensatoarelor electrolitice este foarte larga mergand de la 1 µF pana la 10000 µF. Tolerantele uzuale sunt in limitele de -20% si +100%. Domeniul admis al temperaturilor de lucru este cuprins intre -20sC si +70sC. Curentul de fuga depinde de capacitatea si tensiunea nominala putand fi determinat cu o relatie data in catalog pentru fiecare tip de condensator.

Datorita modului de realizare constructiv, condensatoarele electrolitice prezinta o inductanta pronuntata care este suparatoare in circuitele de decuplare. De aceea, cand este necesar, se monteaza in paralel, condensatoare de valori mici, neinductive, cum ar fi condensatoarele ceramice sau cele cu poliester metalizat.

O problema specifica condensatoarelor electrolitice apare atunci cand din diferite motive, acestea nu sunt utilizate un timp mai mare de un an de zile. In acest caz are loc o degradare a stratului de oxid de catre electrolit si pentru a le face reutilizabile este necesar a le aplica o tensiune nominala timp de circa o ora.

Un alt condensator electrolitic este condensatorul cu tantal in care anodul este sintetizat din pulbere de tantal, care apoi se oxideaza, iar ca electrolit se utilizeaza o pelicula solida semiconductoare de MnO₂. Condensatoarele cu tantal sunt utilizate in domeniul de temperatura -80sC si +85sC.

Fata de condensatoarele electrolitice cu aluminiu, condensatoarele cu tantal prezinta o serie de avantaje:

gama frecventelor de lucru este mai larga;

temperatura minima de functionare este mai coborata;

fiabilitatea este mai ridicata;

timpul de stocare este mai mare;

curentul de fuga este extrem de mic.

Dezavantajul condensatoarelor cu tantal se manifesta in comportarea in regim

de impulsuri, prin cristalizarea Ta₂O₅ in punctele slabe ale peliculei (curent de fuga marit), ceea ce duce la strapungere termica. Imbunatatirea comportarii in regim de impulsuri s-a obtinut prin utilizarea pentoxidului de tantal dopat (cu molibden) ameliorand si rezistenta la tensiunea inversa, curentul in sens direct crescand nesemnificativ. Condensatoarele electrolitice cu aluminiu acopera gama (0,5..150.000) si tensiuni nominale pana la 500V, iar cele cu tantal pana la o tensiune de 100+125 V, cu tolerante mai stranse, pana la 5%.

In general, un condesator este caracterizat de marimea capacitatii, tensiunea optima de lucru, de gabaritul sau.

Capacitati mari se obtin la un condesator plan pentru o anumita geometrie a lui precum si prin folosirea unor dielectrici cu permitivitate mare. Insa nu orice dielectric cu permitivitate mare poate fi folosit in construirea unui condesator plan. Ar trebui sa va imaginati apa care are folosita ca si dielectric. Acest lucru nu este posibil din cauza domeniului restrins de temperatura in care apa isi pastreaza starea de agregare.

Exista materiale cum ar fi titanatul de bariu a caror constanta dielectrica este mai mare de 1000.

Tensiunea optima de lucru a condesatorilor este legata de faptul ca dielectricii nu pot suporta efectul cimpurilor electrice oricit de intense. De la anumite valori ale intensitatii cimpului electric are loc strapungerea dielectricului, care se manifesta prin cresterea brusca a curentului electric. Un exemplu de strapungere ni-l ofera straturile de aer dintre armaturile unui condesator plan, sau dintre doua sfere metalice mari, legate la o masina electrostatica. O data cu cresterea tensiunii intre eclatoare, creste intensitatea curentului foarte slab, produs de miscarea sarcinilor electrice, care pot exista in aer; in absenta lor curentul este nul. La o valoare anumita a tensiunii, numita tensiunea de strapungere, are loc o scurgere masiva de sarcini electrice, deci o crestere rapida a intensitatii curentului electric. Aceasta crestere rapida este produsa de sarcinile din aer, care apar fie prin ionizari produse de radiatia ultravioleta a Soarelui, fie prin smulgerea de pe eclatoare sub actiunea cimpurilor electrice puternice. Sarcinile astfel produse, mai precis electronii, pot cistiga energie prin accelerarea in cimpuri, iar ei, la rindul lor, pot ioniza alte molecule, creindu-se astfel in lungul traiectoriei lor o avalansa. Sin in dielectrici solizi pot sa apara astfel de scurgeri masive de sarcini de la anumite valori ale intensitatii cimpurilor electrice, dar strapungerea lor este insotita de o distrugere a retelei cristaline. Mecanismele de strapungere a dielectricilor solizi nu mai sunt la fel de simple ca cele din gaze.

Ultima caracteristica a condesatorilor (dimensiunile) are implicatii nu numai asupra capacitatii, ci si a pretului de cost si functionalitatiii aparatelor electronice. In ultimii 10 ani a fost pusa la punct o tehnica de fabricatie a unor condesatori din ce in ce mai mici numiti condesatori miniaturizati sau microminiaturizati. In rindul acestor condesatori sunt inclusi si condesatorii de tip MOM (metal-oxid -metal).

Un sistem de acest gen este obtinut intr-o incinta vidata unde este evaporat un metal intr-o "barcuta" metalica greu fuzibila (wolfram, tantal) prin incalzire cu un curent electric. Metalul este depus pe un suport dielectric, de exemplu placute de sticla, dupa ce atomii ce trec printr-o masca metalica prevazuta cu orificii adecvate. Stratul metalic este oxidat apoi la suprafata, oxidul respectiv jucind rolul de dielectric. In ultima etapa va fi evaporat un alt strat metalic, obtinindu-se astfel un condesator in miniatura.

Unul dintre sistemele cele mai utilizate este -Al-Al₂O₃ -Au. Un asemenea condesator care ar avea o suprafata de 1 cm² si grosimea stratului de oxid de 1000 Ĺ, are o capacitate de 0.4 μF pentru ε_r=5. Incovenientul acestor tipuri de condesatori este ca ei pot functiona doar pina la tensiuni de 10 V. Acest lucru este suficient daca tinem cont ca majoritatea microcircuitelor se alimenteaza cu tensiuni mult mai mici.

Exista insa materiale cum ar fi bioxidul de titan sau titanatul de plumb care rezista pina la tensiuni de pina la 30V. Acest lucru este suficient pentru instrumentele tranzistorizate.