Condensatoare

Condensatorul reprezinta un ansamblu format din doua suprafete metalice numite armaturi intre care se gaseste un material dielectric caracterizat prin permitivitate dielectrica. Ca material dielectric se utilizeaza aerul, vidul sau alt material izolator. Principala caracteristica este capacitatea electrica C. Cu ajutorul condensatoarelor se pot realiza diferite circuite ca: filtre, oscilatoare, diferentiatoare, integratoare, e.t.c. Inainte de discutarea catorva dintre aceste circuite, sa vedem ce este de fapt un condensator.

Mai intai, sa vedem cum arata un condensator si ce face el. In Fig.2.12 este prezentata constructia unui condensator plan si simbolul sau in schemele electrice.

Fig.2.12. Condensator plan

Daca la bornele unui condensator se aplica o tensiune continua V sarcina electrica acumulata in armaturile sale este:

Q=C*V (2.34)

Cu cat capacitatea condensatorului este mai mare, cu atat sarcinile electrice acumulate sunt mai numeroase. Astfel, condensatorul joaca rolul unui rezervor de sarcini electrice. Pentru a intelege mai bine fenomenele ce au loc intr-un condensator, putem compara condensatorul cu un rezervor hidraulic (Fig.2.13).

Fig.2.13. Asemanarea unui condensator cu un rezervor hidraulic

Cantitatea de lichid stocata in rezervor corespunde sarcinii electrice inmagazinate in condensator Q, nivelul lichidului corespunde tensiunii electrice aplicate V, iar marimea rezervorului corespunde capacitati electrice a condensatorului C (Fig.2.13.a). Atunci cand se introduce lichid in rezervor (sau cand se injecteaza curent) nivelul lichidului (tensiunea la bornele condensatorului) creste (Fig.2.13.b).

Cu cat capacitatea C este mai mare, cu atat mai multa sarcina Q poate fi stocata. Astfel un condensator actioneaza ca un rezervor de sarcini. Daca la bornele unui condensator se aplica o tensiune care variaza in timp, prin circuitul exterior format va circula un curent dat de relatia:

i(t)=Cdv(t)/dt (2.35)

Se observa ca valoarea curentului depinde de viteza de variatie in timp a tensiunii, curentul fiind zero daca tensiunea este constanta. Ca urmare condensatorul constituie un element de blocare a curentului continuu.

Incarcand un condensator cu un curent constant I, tensiunea la bornele sale creste liniar cu timpul. Astfel, din relatia (2.35) rezulta:

(2.36)

Fig.2.14. Echivalentul hidraulic al procesului de incarcare al unui condensator (a); variatia in timp a tensiunii la bornele condensatorului pentru doi curenti de incarcare (b)

Sa vedem modul de incarcare al unui condensator printr-o rezistenta, de la o sursa de tensiune continua (Fig.2.15.a).

Fig.2.15. Incarcarea unui condensator printr-o rezistenta, de la o sursa de tensiune continua (a); tensiunea la bornele

condensatorului (b)

Initial, cand condensatorul este descarcat, tensiunea la bornele sale este zero. Ca urmare curentul de incarcare va fi dat de legea lui Ohm:

I=(Vcc-0)/R (2.37)

Odata cu incarcarea condensatorului, tensiunea V la bornele sale creste si curentul de incarcare va scadea:

I=(Vcc-V)/R (2.38)

Astfel, cu cat creste mai mult tensiunea la bornele condensatorului, cu atat incarcarea condensatorului este mai lenta (Fig.2.15.b).

Exista multe tipuri de condensatoare, functie de materialul dielectric si de forma electrozilor (Fig.2.16).

In functie de necesitati condensatoarele pot fi grupate in serie sau in paralel (Fig.2.17). Legarea in serie este echivalenta cu marirea distantei dintre armaturi. Capacitatea echivalenta a gruparii este mai mica decat oricare dintre capacitatile partiale.

(2.39)

Fig.2.16. Tipuri de condensatoare

Legarea in paralel este echivalenta cu marirea suprafetei armaturilor astfel incat capacitatea echivalenta este suma capacitatilor partiale:

(2.40)

In general legarea in paralel este utilizata pentru obtinerea unei capacitati de valoare superioara, in timp ce legarea in serie este utilizata pentru extinderea domeniului de tensiune.

Un condensator este caracterizat prin capacitatea sa C si prin tensiunea nominala V_n.

Fig.2.19. Grupare serie (a) si grupare paralel (b)

Daca la bornele unui condensator se aplica o tensiune alternativ sinusoidala cu frecventa f atunci pe cele doua armaturi se vor acumula sarcini electrice care isi schimba semnul in pas cu frecventa f. Cu alte cuvinte electronii trec de pe o armatura pe alta prin circuitul exterior si nu prin dielectric. Deplasarea de electroni prin acest circuit reprezinta un curent alternativ cu aceiasi frecventa f ca cea a tensiunii aplicate, de aceiasi forma cu aceasta si avand amplitudinea direct proportionala cu amplitudinea tensiunii, cu frecventa (pulsatia) si cu capacitatea condensatorului.

Aplicand la bornele unui condensator ideal (pur reactiv), o tensiune alternativ sinusoidala de forma , prin circuitul rezultant va lua nastere un curent, defazat inaintea tensiunii cu p/2, de forma:

(2.41)

Fig.2.20. Graficul tensiuni aplicate la bornele unui condensator ideal si respectiv al curentului prin circuitul format (a); Diagrama fazoriala a tensiunii si curentului (b).

Legatura intre tensiunea aplicata la bornele condensatorului si curentul prin circuitul format este data de relatia:

(2.42)

(2.43)

X_C se numeste reactanta capacitiva.