Lecția 2.2 — Condensatoare

Când PSU-ul unui PlayStation 5 convertește 230V AC în 12V DC, rezultatul nu este un curent perfect stabil — sunt pulsații reziduale (ripple). Condensatoarele sunt cele care netezesc aceste oscilații, stocând energie în momentele de vârf și eliberând-o în goluri. Fără condensatoarele de filtrare de pe placa de bază, SoC-ul ar primi o tensiune instabilă care ar corupe datele la fiecare ciclu de ceas.

Această lecție acoperă a doua cea mai frecventă componentă de pe un PCB de consolă: capacitatea electrică (proprietatea de a stoca sarcină electrică), stocarea de energie în câmpul electric, filtrarea semnalelor nedorite și smoothing-ul — procesul de nivelare a tensiunii pulsatorii în curent continuu stabil.

Scopul nu este memorarea formulei C = Q/V, ci înțelegerea de ce condensatoarele electrolitice masive din PSU filtrează ripple-ul, de ce condensatoarele ceramice microscopice lângă pinii SoC-ului stabilizează tensiunea și ce se întâmplă când un condensator cedează pe un rail de alimentare.

2.2.1 — DEFINIȚIE

• Un condensator este un dispozitiv care stochează energie electrică prin acumularea sarcinilor electrice pe două suprafețe apropiate, izolate una de alta
• Componentă electronică pasivă cu două terminale
• Termenul vechi: „condenser" (condensator), inventat de Alessandro Volta în 1780
• Cele mai multe condensatoare conțin cel puțin doi conductori electrici (plăci metalice) separați de un dielectric

2.2.2 — CAPACITATE (C)

• Definită ca raportul sarcinii Q la tensiunea V: C = Q / V
• Unitate: farad (F) – 1 farad = 1 coulomb pe volt
• 1 farad este o valoare foarte mare; în practică se folosesc:
• microfarad (μF = 10⁻⁶ F)
• nanofarad (nF = 10⁻⁹ F)
• picofarad (pF = 10⁻¹² F)
• Capacitatea unui condensator cu plăci paralele: C = ε × A / d
• ε = permitivitatea dielectricului
• A = aria plăcilor
• d = distanța între plăci
• Capacitate mai mare = permitivitate mare, arie mare, distanță mică

2.2.3 — STOCARE DE ENERGIE

• Energia stocată: W = ½ × C × V² = ½ × Q² / C = ½ × V × Q
• Energia este stocată în câmpul electric dintre plăci
• Densitatea energiei: W = ½ × ε × E² × (volumul câmpului electric)
• Un condensator poate fi folosit ca o baterie temporară
• Condensatoarele pot elibera energia foarte rapid (comparativ cu bateriile)
• Energia specifică: condensatoare convenționale < 360 J/kg vs. baterie alcalină ~590 kJ/kg
• Supercondensatoare: pot accepta/livra sarcină mult mai rapid decât bateriile

2.2.4 — TIPURI DE CONDENSATOARE (materiale dielectrice)

• Ceramic: mici, ieftine, utile la frecvențe înalte
• Clasa 1 (C0G/NP0): variație predictibilă cu temperatura
• Clasa 2: pot opera la tensiuni mai mari
• Dezavantaje: capacitatea variază cu tensiunea și temperatura, îmbătrânire

2.2.5 — b) Electrolitic (aluminiu sau tantal)

• Placă de aluminiu/tantal cu strat de oxid ca dielectric
• Al doilea electrod = electrolit lichid
• Capacitanțe foarte mari
• Dezavantaje: toleranțe slabe, instabilitate, pierderi de capacitanță la căldură, curent de scurgere
• Se degradează dacă nu sunt utilizate ~1 an
• Polarizate (au + și -)
• Tantal: mai bune caracteristici de frecvență și temperatură decât aluminiu
• Absorbție dielectrică mai mare

2.2.6 — d) Film (plastic/polimer)

• Stabilitate și îmbătrânire mai bune decât hârtia
• Folosite în circuite de suprimare, pornire motoare, corecție factor de putere
• Sticlă și mică: extrem de fiabile, stabile, tolerante la temperaturi și tensiuni înalte
• Prea scumpe pentru aplicații standard
• Supercondensatoare: folosesc electrozi de carbon poros
• Capacitanțe până la 5 kF
• Pot înlocui bateriile reîncărcabile în unele aplicații

2.2.7 — FILTRARE (Power Conditioning)

• Condensatoarele-rezervor sunt folosite în surse de alimentare pentru a netezi ieșirea unui redresor
• Conectate în paralel cu circuitele de putere pentru a elimina fluctuațiile de curent
• Oferă o sursă DC „curată" pentru circuitele de semnal/control
• Filtrare zgomot de rețea (hum) din echipamentele audio
• Condensatoare bypass: ocolesc componentele de impedanță mare, șuntând curentul AC

2.2.8 — SMOOTHING (NETEZIRE)

• În circuitele DC rectificate, condensatoarele netezesc variațiile de tensiune
• Analogia hidraulică: un condensator funcționează ca un acumulator hidraulic, amortizând variațiile de la pompa (redresorul)
• Condensatoarele-rezervor mențin tensiunea între ciclurile de redresare
• Curentul de ondulare (ripple current) = componenta AC dintr-o sursă comutată
• Generează căldură din pierderi dielectrice + ESR (rezistența echivalentă serie)
• Condensatoarele electroliticc tantalice: limitate de ripple, ESR cel mai mare
• Condensatoarele electroliticc aluminiu: durata de viață scade la ripple mare
• Condensatoarele ceramice: în general fără limitare de ripple, ESR scăzut
• Condensatoarele film: ESR foarte scăzut

2.2.9 — CONDENSATOARE ÎN SERIE ȘI PARALEL

• Paralel: Ceq = C1 + C2 + ... + Cn (capacitățile se adună)
• Serie: 1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn (se adună inversele)
• În serie: se folosesc pentru a obține tensiune de lucru mai mare
• Condensatoarele în serie se comportă invers față de rezistoarele în serie

2.2.10 — CIRCUIT RC

• Constanta de timp: τ = R × C
• Încărcare: V(t) = V₀(1 - e^(-t/τ))
• Descărcare: V(t) = V₀ × e^(-t/τ))
• Curentul scade exponențial pe măsură ce condensatorul se încarcă

2.2.11 — COMPORTAMENT ÎN AC

• Reactanța capacitivă: Xc = 1/(ω×C) = 1/(2πfC)
• La frecvențe înalte: Xc → 0 (scurtcircuit AC)
• La frecvențe joase: Xc → ∞ (circuit deschis)
• Curentul conduce tensiunea cu 90°
• Condensatoarele blochează DC dar permit trecerea AC

2.2.12 — APLICAȚII

• Stocare de energie (backup memorie, flash, supercondensatoare)
• Condiționare putere (smoothing, bypass, filtrare)
• Cuplare semnal (AC coupling – separă AC de DC)
• Decuplare (protejare de zgomot/tranzitoari)
• Filtre trece-sus și trece-jos
• Suprimare zgomot / snubber
• Pornire motoare (condensator de pornire)
• Circuite rezonante (tunare radio)
• Senzori (umiditate, presiune, accelerometre, touchscreen)
• Oscilatori

Conceptele din această lecție — Condensatoare — reprezintă fundamentul fizic al tehnologiei digitale utilizate în consolele moderne.

În contextul consolelor de jocuri, condensatoare joacă un rol esențial în funcționarea hardware-ului.

CONDENSATOARE ÎN SERIE ȘI PARALEL

• Condensatoarele în serie se comportă invers față de rezistoarele în serie

• DEFINIȚIE: Un condensator este un dispozitiv care stochează energie electrică prin acumularea sarcinilor electrice pe două suprafețe apropiate, izolate una de alta
• CAPACITATE (C): Definită ca raportul sarcinii Q la tensiunea V: C = Q / V
• STOCARE DE ENERGIE: Energia stocată: W = ½ × C × V² = ½ × Q² / C = ½ × V × Q
• TIPURI DE CONDENSATOARE (materiale dielectrice): Ceramic: mici, ieftine, utile la frecvențe înalte
• b) Electrolitic (aluminiu sau tantal): Placă de aluminiu/tantal cu strat de oxid ca dielectric
• d) Film (plastic/polimer): Stabilitate și îmbătrânire mai bune decât hârtia
• FILTRARE (Power Conditioning): Condensatoarele-rezervor sunt folosite în surse de alimentare pentru a netezi ieșirea unui redresor
• SMOOTHING (NETEZIRE): În circuitele DC rectificate, condensatoarele netezesc variațiile de tensiune
• CONDENSATOARE ÎN SERIE ȘI PARALEL: Paralel: Ceq = C1 + C2 + ... + Cn (capacitățile se adună)
• CIRCUIT RC: Constanta de timp: τ = R × C
• COMPORTAMENT ÎN AC: Reactanța capacitivă: Xc = 1/(ω×C) = 1/(2πfC)
• APLICAȚII: Stocare de energie (backup memorie, flash, supercondensatoare)

Întrebarea 1

Care afirmație este corectă despre: Termenul vechi?

• a) Definită ca raportul sarcinii Q la tensiunea V: C = Q / V
• b) farad (F) – 1 farad = 1 coulomb pe volt
• c) „condenser" (condensator), inventat de Alessandro Volta în 1780
• d) microfarad (μF = 10⁻⁶ F)

Întrebarea 2

Care afirmație este corectă despre: CAPACITATE (C)?

• a) farad (F) – 1 farad = 1 coulomb pe volt
• b) microfarad (μF = 10⁻⁶ F)
• c) Definită ca raportul sarcinii Q la tensiunea V: C = Q / V
• d) „condenser" (condensator), inventat de Alessandro Volta în 1780

Întrebarea 3

Care afirmație este corectă despre: Energia stocată?

• a) W = ½ × C × V² = ½ × Q² / C = ½ × V × Q
• b) „condenser" (condensator), inventat de Alessandro Volta în 1780
• c) farad (F) – 1 farad = 1 coulomb pe volt
• d) Definită ca raportul sarcinii Q la tensiunea V: C = Q / V

Întrebarea 4

Care afirmație este corectă despre: Ceramic?

• a) mici, ieftine, utile la frecvențe înalte
• b) „condenser" (condensator), inventat de Alessandro Volta în 1780
• c) Definită ca raportul sarcinii Q la tensiunea V: C = Q / V
• d) farad (F) – 1 farad = 1 coulomb pe volt

Întrebarea 5

Care afirmație este corectă despre: b) Electrolitic (aluminiu sau tantal)?

• a) Al doilea electrod = electrolit lichid
• b) farad (F) – 1 farad = 1 coulomb pe volt
• c) Definită ca raportul sarcinii Q la tensiunea V: C = Q / V
• d) „condenser" (condensator), inventat de Alessandro Volta în 1780

🧠 Exercițiu: Condensatoare

Scenariu: Analizezi un sistem hardware care utilizează conceptul de capacitate. Pe baza cunoștințelor din această lecție, răspunde la următoarele întrebări:

• 1. Defineste pe scurt: capacitate.
• 2. Ce rol are stocare de energie în contextul hardware-ului?
• 3. Explică relația dintre capacitate și filtrare.