Capacitatea unui condensator; clasificarea condensatoarelor

Condensatorul este o componentă pasivă care, alături de rezistor, este utilizată frecvent în circuitele electronice [5], [6], [29].

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 se numeşte capacitatea condensatorului

În regim armonic, condensatorul este componenta pentru care, dacă i se aplică o tensiune variabilă în timp uc, între tensiunea aplicată şi curentul i care străbate condensatorul există relaţia:

C fiind capacitatea condensatorului. Condensatorul de capacitate C introduce în circuit o reactanţă capacitivă măsurată în Ω, XC = 1/ ωC , iar defazajul între tensiune şi curent este de 90°, tensiurea fiind defazată în urma curentului (figura 2.1). Unitatea de măsură pentru capacitate este faradul, simbol F; se folosesc frecvent submultiplii săi:

1 μF = 10-6 F; 1 nF = 10-9 F; 1 pF = 10-12 F

Fig. 2.1. Relaţia tensiune-curent pentru un condensator de capacitate C.

Constructiv, condensatorul este alcătuit din două suprafeţe metalice numite armături între care şe află un mediu dielectric de permitivitate ε (constanta dielectrică de material). Pentru un condensator plan, capacitatea C este data de relaţia:

unde: ε0 = permitivitatea dielectrică absolută a vidului
ε = permitivitatea absolută a dielectricului condensatorului
εr = ε/ε0 = permitivitatea relativă a dielectricului
S = suprafaţa armăturilor plane
d = distanţa dintre armături
Pentru un condensator cilindric, valoarea capacităţii se determină cu ajutorul relaţiei:

unde ε0 ,εr , ε au semnificaţiile de mai sus,
l = lungimea cilindrului
a = raza cilindrului interior
b = raza cilindrului exterior
Principial, cele două tipuri de condensatoare sînt ilustrate în fig. 2.2.

Fig. 2.2. Construcţia principială a condensatorului: a) condensator plan; b) condensator
cilindric.

Din relaţiile date se observă importanţa permitivităţii dielectricului în obţinerea unor condensatori de capacitatea dorită; un condensator cu capacitatea C0 = ε0S/d, deci cu armăturile plane plasate în vid, va avea o capacitate εr mai mare decît C0 dacă între armături se va plasa un dielectric caracterizat prin permitivitatea absolută ε (sau prin cea relativă, εr = ε/ε0)

În cîmpuri electrice puternice, materialul dielectricîşi pierde proprietăţile izolante datorită unor fenomene interne specifice creşte curentul de conducţie în dielectric); fenomenul se numeşte străpungerea dielectricului. Valoarea intensităţii cîmpului electric la care se produce acest fenomen se numeşte rigiditate dielectrică şi se măsoară în kV/mm.

Proprietăţile unor dielectrici uzuali sînt date în tabelul 2.1.

Condensatoarele se pot clasifica după mai multe criterii: după natura dielectricului, din punct de vedere constructiv, al domeniului de frecvenţă, după domeniul de utilizare.
Din punct de vedere constructiv există:
a) condensatoare fixe, care-şi menţin constantă valoarea capacităţii nominale în tot timpul funcţionării;
b) condensatoare reglabile şi
c) condensatoare variabile (figura 2.3).

Condensatoarele reglabile (denumite şi „semivariabile”, „ajustabile” sau „trimere”) se caracterizează prin faptul că valoarea capacităţii lor poate fi reglată (de regulă ocazional, la punerea în funcţie sau la verificări periodice), în limite reduse.

Condensatoarele variabile sînt condensatoare a căror capacitate poate şi trebuie să fie modificată frecvent între anumite limite relativ largi impuse de funcţionarea circuitelor electronice (de exemplu condensatoare de acord pentru radioreceptoare).

În funcţie de natura dielectricului, condensatoarele pot fi (fig. 2.3):
— cu dielectric gazos (aer, vid, gaze electronegative),
— cu dielectric lichid (ulei),
— cu dielectric solid organic şi anorganic,
— cu dielectric peliculă de oxizi metalici.

Fig. 2.3. Clasificarea condensatoarelor.

În categoria condensatoarelor cu dielectric gazos intră condensatoarele reglabile şi variabile cu aer; cînd condensatoarele variabile sînt destinate funcţionării în regim de tensiuni ridicate (de ordinul kilovolţilor), se folosesc ca dielectrici gaze electronegative sau incinte vidate.

Condensatoarele cu dielectric lichid (ulei mineral sau ulei de transformator) sînt mai rar fabricate şi folosite la ora actuală.

Condensatoarele cu dielectric solid anorganic au ca material dielectric sticla, mica şi materialele ceramice. Pentru condensatoare cu dielectric solid organic se folosesc hîrtia. pelicule sintetice nepolare (polistirenul, teflonul politetrafluoretilena. polipropilena) şi pelicule sintetice polare (polietilentereftalat, policarbonat, răşină poliamidică).

O categorie aparte o constituie condensatoarele electrolitice care au dielectricul format dintr-o peliculă de oxid (AI2O3, Ta205, TiOa); cei mai utilizaţi sînt oxizii de aluminiu şi tantal. Cîteva dintre tipurile de condensatoare sînt ilustrate în fig. 2.4.

Fig. 2.4. Diferite tipuri de condensatoare