marți, 5 martie 2019

Electronica - Capacitorul în curent alternativ


Vom face o scurtă introducere în comportamentul condensatorului în curent alternativ, urmând să detaliem acest subiect într-un articol viitor.

Când un condensator este conectat la o sursă de tensiune continuă, acesta se va încărca la valoarea sursei de alimentare comportându-se ca o baterie și se va menține încărcat atâta timp cât sursa de tensiune continuă este prezentă.

În timpul încărcării apare un curent i ce va străbate condensatorul, opunându-se oricărei schimbări a tensiunii la o rată egală cu rata de schimb a sarcinilor electrice de pe armăturile condensatorului.
Curentul i poate fi definit ca : \[ i = C \cdot \frac{dV}{dt} \]
Odată ce condensatorul este încărcat acesta blochează orice mișcare de electroni dintre armături, aceasta însemnând că prin condensator nu circulă curent. Dacă aplicăm o sursă de tensiune alternativă la bornele  unui condensator, acesta va alterna între încărcare și descărcare la o rată determinată de frecvența sursei, aceasta însemnând că în curent alternativ va circula un curent prin condensator. Explicație Considerăm diagrama de curent alternativ :

Pornind din 0 vom observa că tensiunea începe să crească într-o direcție pozitivă, rezultând un curent de încărcare instant în timp. Cu cât tensiunea ajunge la valoarea de vârf ( la 90 ) pentru o scurtă perioadă de timp ( instant chiar ) tensiunea nu crește nici nu scade, rezultând un curent 0 ( zero ) prin condensator. Tensiunea urmează să scadă spre 0 (la 180 ) iar condensatorul se va descărca într-o direcție negativă. Când ajungem în punctul  180 iar vom avea un curent instant maxim, și așa mai departe. Condensatoarele în curent alternativ se opun variației de tensiune absorbind sau eliberând curent în circuit. Curentul care circulă prin condensator este direct proporțional cu rata de variație a tensiunii la bornele acestuia. Reactanță = opoziția în calea variației tensiunii ( tensiunea alternativă în ceneral )
Reactanța în cazul condensatoarelor = reactanță capacitivă și este notată cu Xc
Formula de calcul :
\[ X_c = \frac{1}{2 \pi\cdot f \cdot C} \] sau \[ X_c = \frac{1}{\omega \cdot C } \] , unde \[ \omega \] = viteza unghiulară

Reactanța Capacitivă și Frecvența

Reactanța capacitivă descrește odată ce frecvența crește rezulta reactanța capacitivă este invers proporțională cu frecvența.
De asemenea când frecvența crește curentul prin condensator crește și el în valoare deoarece rata modificării tensiunii între armături crește.

duminică, 24 februarie 2019

Electronica - Tipuri de Capacitoare ( Condensatoare )


În ziua de astăzi, pe piață, există o foarte mare varietate de tipuri de condensatoare, fiecare cu caracteristicile și aplicațiile lui.

Comparațiile între ele au la bază dielectricul utilizat între armături.

Condensatoare variabile


Sunt construite din armături multiple având ca dielectric, aer și au un set de armături fixe și un set de armături mobile care se mișcă printre armăturile fixe. Simbolul condensatorului variabil :

Condensatoare cu film


Sunt cele mai întâlnite tipuri de condensatoare având ca dielectric:

  • poliester
  • polistiren
  • poli propilenă
  • poli carbonat
  • hârtie metalizată
  • teflon

Exemple de construcție a condensatorului cu film:
Aceste capacitoare sunt utilizate în general pentru putere înaltă și aplicații precise.



Condensatoare ceramice


Sunt construite din două părți a câte un disc de porțelan sau ceramică cu argint. Pentru capacități foarte mici se utilizează un singur disc de ceramică de aproximativ 3-6 mm. Aceste condensatoare au o constantă dielectrică foarte mare și de aceea o capacitate relativ mare se obține într-un ”ambalaj” mic, dar tensiunea nominală este mică.
Sunt utilizate în general ca decuplare sau by-pass.

Condensatoare Electrolitice

Sunt utilizate când avem nevoie de capacități mari și sunt construite dintr-un strat de film metalic pentru un electrod și o pastă de electrolit pentru celălalt electrod. Dielectricul este un strat subțire de oxid. Acest strat este foarte subțire astfel încât mărimea fizică a condensatorului pentru capacități mari sa fie mică. ( distanța dintre plăci mica =  capacitate mare ).

Majoritatea condensatoarelor electrolitice sunt polarizate iar polaritatea este marcată pe el. Sunt utilizate în surse de curent continuu pentru a reduce riplul tensiunii sau pentru cuplare și decuplare.

Condensatoarele electrolitice vin sub două forme :

  1. condensatoare electrolitice cu aluminiu
  2. condensatoare electrolitice cu tantal
Simbolul condensatorului electrolitic este :
Dezavantajul acestor condensatoare:

  • o tensiune excesivă creează o scurgere de curent prin dielectric ducând la scurtcircuitare.
  • polaritatea inversă duce la autodistrugerea stratului de oxid.
  • temperatură mare - usucă pasta de electrolit și scurtează durata de viață a condensatorului.

Electronica - Condensatorul ( Capacitorul )

Capacitorul este o componentă electronică ce are abilitatea sau capacitatea de a stoca energie electrică prin stocarea sarcinilor electrice la aplicarea unei tensiuni pe acesta.

Capacitatea este proprietatea electrică a capacitorului și măsoară volumul de energie ( sarcini electrice ) stocat de un capacitor (condensator) între armăturile sale atunci când se aplică o anumită tensiune la bornele sale. Capacitatea se notează cu C și se măsoară ân Farad ( F ).
Un capacitor este construit din două sau mai multe armături ( plăci ) metalice, conductoare, plasate una în apropierea celelilalte fără a fi conectate sau să se atingă, fiind separate electric de aer sau de diferite materiale bune izolatoare ca: hârtie cerată, mică, ceramică, plastic,etc. Acest strat izolator dintre armăturile ( plăcile) capacitorului se numește DIELECTRIC.

Armăturile ( plăcile) metalice conductoare dintr-un capacitor ( condensator ) pot avea forme diferite: circulare, rectangulare, cilindrică, sferică , depinzând de construcția acestuia.

Cum funcționează un capacitor ( Condensator )


Avem următoarea figură în care avem construcția unui capacitor.

Când la bornele capacitorului ( condensatorului ) aplicăm o tensiune electrică, acesta acumulează o cantitate de sarcini electrice ( Q ) proporțională cu tensiunea aplicată ( U ) și capacitatea capacitorului ( condensatorului ) ( C ) conform relației :

\[Q = C \cdot  U\],

iar între cele două armături ia naștere un câmp electric ce permite existența unei diferențe semnificative de electroni liberi între cele două armături.

Pe măsura formării câmpului electric datorită aplicării tensiunii, electronii liberi se vor aduna la terminalul negativ fiind luați de la terminalul pozitiv. Această diferență de sarcină se traduce prin apariția unui stoc de energie electrică în capacitor și reprezintă sarcina potențială a electronilor dintre cele două armături. Cu cât diferența numerică a electronilor dintre cele două armături este mai mare cu atât mai mare este fluxul câmpului electric și stocul de energie din capacitor ( condensator ).

Energia câmpului electric din capacitor ( condensator ) este :

\[W = \frac{C \cdot U^{2}}{2} \]

Energia stocată într-un capacitor depinde de tensinea dintre armături precum și de alți factori. abilitatea capacitoarelor de a stoca energie în funcție de tensiune se traduce printr-o tendință de menținere a tensiunii la un nivel constant. Cu alte cuvinte condensatoarele tind să se opună variației căderii de tensiune folosind curent de la sau generând curent spre sursa de variație a tensiunii, în opoziție cu variația.

Acestea fiind spuse , pentru a stoca mai multă energie într-un capacitor, trebuie mărită valoarea tensiunii la bornele sale. Acest lucru presupune o înmulțire a electronilor pe armătura negativă și o diminuare a lor pe cea pozitivă, lucru ce necesită existența unui curent în acea direcție.

Pentru a elibera energie dintr-un capacitor, trebuie scăzută valoarea tensiunii la bornele sale, acest lucru presupune o diminuare a electronilor pe armătura negativă prin deplasarea lor spre armătura pozitivă dând naștere, evident, unui curent în aceea direcție.

Încărcarea și descărcarea Capacitorului


Considerăm următorul circuit :
VS=tensiunea de alimentare a circuitului

VC = tensiunea la bornele capacitorului

Presupunem capacitorul descărcat iar întrerupătorul îl punem în poziția A. Tensiunea la bornele capacitorului este zero ( 0 ) în acest moment și curentul de încărcare ( i ) începe să circule , încărcând capacitorul până când tensiunea dintre armături \[V_{C} \] este egală cu tensiunea de alimentare a circuitului \[V_{S} .\] În momentul în care \[V_{C}  = V_{S}  = 12V\], curentul de încărcare ( i ) nu va mai circula și capacitorul este încărcat.

Dacă punem întrerupătorul în poziția B, capacitorul va începe să se descarce prin lampă, facând ca aceasta să lumineze până când capacitorul se va descărca. Luminozitatea lămpii și durata acesteia depinde de valoarea capacității a condensatorului și a rezistenței lămpii.

\[t = C \cdot  R\], unde t = constanta de timp.

Ecuația de funcționare a Capacitorului și relația tensiune-curent


Curentul prin capacitor apare atunci când cantitatea de sarcină Q suferă modificări în timp, fiind egală cu viteza de variație a acesteia în timp :

\[i=\frac{\mathrm{d} Q }{\mathrm{d} t} \]

Ecuația de funcționare a capacitorului furnizează informații despre curentul electric prin acesta în funcție de tensiunea electrică aplicată între terminalele sale.

Știm că :

\[\left. \begin{matrix} Q=C \cdot v \\ i=\frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} \end{matrix} \right \}  \Rightarrow i = C \cdot \frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} \], unde :

i = curentul instantaneu prin condensator,

C = capacitatea condensatorului ( F )

\[\frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t}  = variatia\ instantanee\ a\ tensiunii\ la \ bornele \ condensatorului ( \frac{V}{s}  ).\]

Observație:

Am spus mai sus că: curentul electric prin condensator este direct proporțional cu variația în timp a tensiunii electrice aplicată pe acesta \[\Rightarrow \] în regim de curent continuu când mărimile electrice au valori constante în timp , curentul prin condensator este nul.

Concluzie: Curentul continuu nu trece prin condensator ( Curentul continuu prin condensator este egal cu 0 Amperi ).

Parametrii electrici specifici Condensatoarelor


  1. Capacitatea nominală \[ (C_{n}  ) \] = valoarea capacitații condensatorului care trebuie realizată prin procesul tehnologic și care este înscrisă pe corpul acestuia.
  2. Coeficientul de toleranță ( % ) = abaterea în procente , plus sau minus, a capacității reale a condensatorului față de capacitatea nominală înscrisă pe acesta.
  3. Tensiunea nominala \[( U_{n}  )\] = tensiunea continuă sau alternativă maximă ce poate fi aplicată la bornele unui condensator fără ca acesta să se străpungă. De asemenea aceasta este înscrisă pe corpul condensatorului.
  4. Rezistența de izolație \[(  R_{iz}  )\] = reprezintă valoarea raportului dintre tensiunea aplicată la bornele unui condensator și curentul care îl străbate, la un minut după aplicarea tensiunii. \[ R_{iz}  > 100M \Omega \]
  5. Tangenta unghiului de pierderi \[tg\delta  )\] = raportul dintre puterea acticvă disipată de condensator și puterea reactivă, măsurate la aceiași frecvență la care a fost măsurată capacitatea nominală. Cu cât \[(tg \delta ) \] este mai mică cu atât condensatorul este mai bun.
  6. Rigiditatea dielectrică = tensiunea maximă continuuă pe care trebuie să o suporte condensatorul timp de 1 minut fără să apară străpungeri sau scurgeri.
Formula de calcul a capacității electrice a unui condensator.

\[C = \frac{\varepsilon \cdot A}{d} \], unde :C = capacitatea condensatorului

\[\varepsilon  = permitivitatea\ absoluta\ a\ dielectricului ( F/m ) \]

\[A = aria\ armăturilor\ ( m^{2}  )\]

\[d = distanța\ dintre\ armături\ ( m )\]

Circuitul echivalent al Condensatorului


Din moment ce armăturile unui condensator prezintă o anumită rezistență electrică și din moment ce nici un dielectric nu este un izolator perfect, este imposibilă crearea unui condensator ideal.

În realitate, un condensator are atât o rezistență serie cât și o rezistență paralelă suprapusă peste caracteristicile sale capacitive :

Electronica – Rezistoare în conexiuni mixte ( paralel și serie )



Am prezent până acum conexiunile serie, respectiv paralel a rezistoarelor, iar folosind legile lui Ohm și Kirchhoff am aflat valorile curenților ce trec prin astfel de circuite plus valorile căderilor de tensiune.
Am prezent până acum conexiunile serie, respectiv paralel a rezistoarelor, iar folosind legile lui Ohm și Kirchhoff am aflat valorile curenților ce trec prin astfel de circuite plus valorile căderilor de tensiune. În prezentul tutorial îmi propun să vă explic cum putem analiza un circuit mixt, adică unde avem rezistori în conexiune serie și paralel. Circuit mixt de rezistori = circuit de rezistori ce combină rețelele de rezistori conectați în serie și paralel. Una din metodele de analiză este următoarea:
  • Se analizează individual fiecare tip de conexiune, serie sau paralel, exact cum am procedat în tutorialele anterioare.
De exemplu, avem următorul circuit în care avem de calculat curentul total care circulă prin circuit și curenții ce circulă prin fiecare rezistor.
La o primă privire observăm că rezistorii R1 și R2 sunt conectați în serie. Vom calcula rezistența echivalentă a celor doi rezistori ( R1 și R2 ): \[R_{23}=R_{2}+R_{3}=8\Omega +4\Omega =12\Omega \] După acest calcul schema noastră se va modifica astfel :
Am înlocuit cele două rezistoare R2 și R3, conectate în serie, cu rezistența echivalentă RA. În continuare observăm că, rezistorii RA și R4 sunt legați în paralel. Vom calcula rezistența echivalentă a acestei legături ( RA ‖ R4 ) : \[\frac{1}{R_{234}}=\frac{1}{R_23}+\frac{1}{R_{4}}\Rightarrow R_{234}=\frac{R_{4}\cdot R_{23}}{R_{4}+R_{23}}=\frac{12\Omega \cdot 12\Omega }{12\Omega +12\Omega }=\frac{144\Omega }{24\Omega }=6\Omega \] sau Știm că dacă două sau mai multe rezistoare de aceiași valoare sunt conectate în paralel, rezistența echivalentă este: \[R_{e}=\frac{R}{n} \Rightarrow \ in \ cazul \ nostru : R_{234}=\frac{12}{2}=6\Omega \] Schema noastra se transforma in :
Am înlocuit cele două rezistoare RA și R4, conectate în paralel, cu rezistența echivalentă Rcomb . Se observă că, rezistorii R1 și Rcomb sunt conectați în serie. Vom calcula rezistența echivalentă serie : \[R_{e}=R_{1}+R_{comb}=6\Omega+6\Omega=12\Omega \] Acum vom calcula curentul total ce trece prin întreg circuitul folosind legea lui Ohm : \[U=R\cdot I \Rightarrow U=R_{e} \cdot I_{T} \Rightarrow T_{T}=\frac{U}{R_{e}}=\frac{12V}{12\Omega}=1A \] Am aflat curentul total ce trece prin  circuit, It ,acum trecum să aflăm curenții ce trec prin fiecare rezistor. Revenim la schema inițială:
\[I_{T}=I_{1}+I_{2} \] Observăm că RA și R4 au aceiași valoare, asta înseamnă că I1 va fi egal cu I2 \[\left.\begin{matrix}I_{T}=I_{1}+I_{2}\\I_{1}=I_{2}\\ \end{matrix}\right\} \] \[\Rightarrow \]\[I_{T}=2\cdot I_{1} \Rightarrow I_{1}=\frac{I_{T}}{2}=\frac{1A}{2}=0.05A \] Exemplul 2: Să luăm următoarea schemă și să aflăm rezistența echivalentă totală.
La o primă privire vedem că rezistorii R8 și R10 sunt legați în serie. Vom calcula rezistența echivalentă a acestei conexiuni: \[R_{8,10}=R_{8}+R_{10}=10\Omega+2\Omega=12\Omega \] Schema se va transforma in:
Observăm în noua schemă că, rezistorii R9 și R8,10 sunt legați în paralel. Vom calcula rezistența echivalentă \[\frac{1}{R_{A}}=\frac{1}{R_{9}}+\frac{1}{R_{8,10}} \Rightarrow \frac{1}{R_{A}}=\frac{R_{8,10}+R_{9}}{R_{9} \cdot R_{8,10}} \Rightarrow R_{A}=\frac{R_{9} \cdot R_{8,10}}{R_{9}+R_{8,10}} \Rightarrow R_{A}=4\Omega \] Schema se modifica astfel:
Observăm rezistorii R7 și RA conectați în serie. Calculăm rezistența echivalentă acestei conexiuni. \[\R_{B}=R_{A}+R_{7}=4\Omega+8\Omega=12\Omega \] Schema se modifica astfel:
Observăm rezistorii R6 și RB conectați în paralel. Calculăm rezistența echivalentă acestei conexiuni : \[\frac{1}{R_{C}}=\frac{1}{R_{6}}+\frac{1}{R_{B}} \Rightarrow R_{C}=\frac{R_{B} \cdot R_{6}}{R_{6}+R_{B}} \Rightarrow R_{C}=4\Omega \] Ca să ajungem mai repede la terminarea acestui exemplu vom executa aceiași pași dar o singură dată: RC și R5 legați în serie → \[R_{D}=R_{C}+R{5}=8\Omega \] RD și R4 legați în paralel → RE=4Ω RE și R3 legați în serie → RF=8Ω RF și R2 legați în paralel → RG=4Ω Într-un final schema va arăta astfel :
Observăm că R1 și RG sunt în serie : \[R_{EQ}=R_{1}+R_{G}=10\Omega \]
Rezistența echivalentă a întregului circuit este: \[ R_{EQ}=10\Omega \] Sper că m-am făcut înțeles și vă propun să vizitați și celelalte tutoriale sau articole.