Condensatore (elettrotecnica)

Condensatore (elettrotecnica)
Condensatore
Alcuni condensatori moderni
Tipo Passivo
Inventato da Ewald Jürgen Georg von Kleist(ottobre 1745)
Simbolo elettrico
Questo box: vedi • disc. • mod.
Il condensatore è un componente elettrico che immagazzina l'energia in un campo
elettrostatico.
Illustrazione di un condensatore a piastre parallele con un mezzo dielettrico
Nella teoria dei circuiti il condensatore è un componente ideale che può mantenere
la carica e l'energia accumulata all'infinito. Nei circuiti inregime sinusoidale permanente
la corrente che attraversa un condensatore ideale risulta in anticipo di un quarto
di periodo rispetto alla tensione che è applicata ai suoi morsetti.
Cenni storici
Intorno al 1780 Volta, nell'ambito dei suoi studi sull'elettricità, nota che lo scudo carico di
un elettroforo perpetuo, appoggiato sulla superficie di alcuni materiali scarsamente
conduttori, anziché dissipare la propria elettricità la conserva meglio che isolato in aria. Si
convinse che l’afflusso di carica sulla superficie prossima a quella dello scudo richiama
carica sulla superficie affacciata di quest’ultimo. Due dischi metallici, delle stesse
dimensioni, così che uno può essere sovrapposto all’altro in modo da combaciare
perfettamente, compongono quello che Volta stesso chiama "condensatore di elettricità".
Leggi fisiche
Un condensatore (indicato abitualmente con C) è generalmente costituito da una coppia
di conduttori (armature o piastre) separati da un isolante (dielettrico). La carica è
immagazzinata sulla superficie delle piastre, sul bordo a contatto con il dielettrico. Quindi
all'esterno si avrà un campo elettrico pari a zero a causa dei due campi, uno positivo e
uno negativo, che hanno per l'appunto stesso modulo ma segno (verso) opposto, mentre
all'interno del dispositivo due volte il campo elettrico perché entrambi i campi, sia quello
positivo che quello negativo, hanno stesso modulo e stesso verso. L'energia elettrostatica
che il condensatore accumula si localizza nel materiale dielettrico che è interposto fra le
armature.
La capacità (in un condensatore lineare)[modifica | modifica wikitesto]
Struttura di un condensatore
Se si applica una tensione elettrica alle armature, le cariche elettriche si separano e si
genera un campo elettrico all'interno del dielettrico. L'armatura collegata al potenziale più
alto si carica positivamente, negativamente l'altra. Le cariche positive e negative sono
uguali ed il loro valore assoluto costituisce la carica Q del condensatore. La carica è
proporzionale alla tensione applicata e la costante di proporzionalità è una caratteristica di
quel particolare condensatore che si chiama capacità elettrica e si misura infarad:
Ossia la capacità è uguale al rapporto tra la carica elettrica fornita Q e la tensione elettrica
applicata ΔV. La capacità di un condensatore piano (armature piane e parallele) è
proporzionale al rapporto tra la superficie S di una delle armature e la loro distanza d. La
costante di proporzionalità è una caratteristica dell'isolante interposto e si
chiama permittività elettrica assoluta e si misura in farad/m.
La capacità di un condensatore piano a facce parallele è quindi:
I
Forze sulle armature e sul dielettrico
Le due piastre del condensatore sono caricate con cariche di segno opposto, è quindi
ragionevole aspettarsi una forza di attrazione fra le piastre. Tale forza F istante per istante
è direttamente proporzionale all'energia U che si trova nel condensatore ed inversamente
proporzionale alla distanza d fra le piastre.
Questo risultato vale sia nel caso in cui il condensatore sia collegato ad un circuito esterno
che mantenga costante la tensione fra le piastre, sia nel caso in cui il condensatore è
isolato ed è costante la carica sulle piastre.
La capacità di un condensatore aumenta se fra le piastre viene inserito un dielettrico con
una buona costante dielettrica. In tal caso, se il condensatore è isolato e la carica rimane
costante, l'energia immagazzinata nel condensatore scende e questa energia fornisce il
lavoro necessario per "risucchiare" il dielettrico dentro il condensatore. Una lastra di
dielettrico che si inserisce esattamente nello spazio tra le piastre viene risucchiata con una
forza F non costante che dipende dalla lunghezza x della porzione di lastra già entrata fra
le piastre.
Funzionamento in serie e in parallelo
Condensatori in parallelo
Condensatori in serie
Quando si montano n condensatori in parallelo su ognuno di essi si misurerà la medesima
caduta di potenziale. La capacità equivalente
sarà, quindi, data dalla formula:
Quando si montano n condensatori in serie, attraverso ognuno di essi passerà la stessa
carica istantanea (in regime dinamico, la stessa corrente), mentre la caduta di potenziale
sarà differente da condensatore a condensatore; in particolare, essendo
,a
parità di Q la tensione maggiore sarà localizzata ai morsetti della capacità minore. La
capacità equivalente totale
sarà pertanto definita dalla seguente relazione:
Comportamento in regime costante
Circuito di carica di un condensatore
In regime di tensione costante (o corrente costante, indicato con la sigla DC), il
condensatore si carica nel transitorio e a regime raggiunge una situazione di equilibrio
dove la carica sui piatti corrisponde esattamente alla caduta di potenziale V applicata
moltiplicata per la capacità C secondo la relazione Q=CV; in tal caso, a regime, il
condensatore si comporta come un 'circuito aperto' ovvero interrompe ogni flusso di
corrente all'interno del circuito (se però la tensione applicata supera il valore di rigidità
dielettrica del dielettrico, la 'rottura' di quest'ultimo provoca il rilascio impulsivo di corrente
elettrica e il condensatore si scarica quasi istantaneamente comportandosi come un
semplice resistore). Al cessare dell'eccitazione sul circuito l'energia elettrica accumulata
nel condensatore torna a scaricarsi sotto forma di corrente elettrica rilasciata nel circuito.
Dato un circuito RC, composto da un resistore ed un condensatore in serie ad un
generatore che fornisce una differenza di potenziale V0. Tale circuito è detto circuito di
carica.[1]
La reattanza è così chiamata poiché il condensatore non dissipa potenza, ma
semplicemente accumula energia per poi rilasciarla nel transitorio finale. Nei circuiti
elettrici, come in meccanica, il condensatore costituisce un carico e reattivo, dal momento
che immagazzina l'energia e la rilascia alla fine, "reagendo" così alle variazioni di tensione
nel circuito. È anche significativo che l'impedenza sia inversamente proporzionale alla
capacità, a differenza dei resistori e degli induttori per cui le impedenze sono linearmente
proporzionali a resistenza e induttanza rispettivamente.
In un circuito sintonizzato, come un radio ricevitore, la frequenza selezionata è una
funzione della serie tra l'induttanza L e la capacità C:
Questa è la frequenza alla quale si trova la risonanza in un circuito RLC.
Qualità del componente
Come descritto sopra, la reattanza del condensatore fa sì che la corrente sia sfasata in
anticipo di 90° rispetto alla tensione. Tuttavia, vari fattori di perdita fanno sì che questo
angolo sia leggermente inferiore al caso ideale di 90°. Viene definito di conseguenza
l'angolo δ dato dalla differenza tra i 90° ideali e il reale angolo di sfasamento φ. Nelle
specifiche tecniche di alcuni condensatori possono esservi due parametri: cos φ e/o tan δ.
Entrambi tendono a 0 per φ che tende al valore ideale di 90°, quindi quanto più sono
piccoli, tanto migliore è la qualità del condensatore; tan δ è anche detto fattore di
dissipazione DF e rappresenta il rapporto tra i moduli delle correnti resistiva e reattiva ad
una certa frequenza (tipicamente 1kHz).
Applicazioni
Il condensatore ha molte applicazioni, quasi tutte nei campi dell'elettronica e
dell'elettrotecnica.
Applicazioni in elettrotecnica
Applicazioni del condensatore
I condensatori di rifasamento hanno lo scopo di ridurre la reattanza di un bipolo
elettrico ed abbassare quindi lo sfasamento fra corrente e tensione alternate (vedi potenza
reattiva). A tal fine vengono collegati in parallelo allo stesso, formando un circuito
LC accordato sulla frequenza della tensione di alimentazione. Essi possono essere
impiegati per bilanciare la reattanza induttiva dei grandi motori elettrici (rifasamento
industriale) o per compensare la potenza reattiva circolante sulle reti di trasmissione e di
distruzione (rifasamento di rete). Per tali impieghi vengono installati banchi trifase di
condensatori, dove ogni fase è formata da più unità capacitive.[2] Vengono, inoltre usati
come condensatori di avviamento per permettere la partenza dei motori asincroni
monofase, che presenterebbero, senza di essi, una coppia di spunto uguale a zero. In tal
caso il condensatore, sfasando la corrente di 90 gradi rispetto alla tensione, alimenta un
avvolgimento ausiliario: si forma un campo magnetico rotante con coppia motrice diversa
da zero, permettendo quindi l'avviamento del motore. Una volta partito, teoricamente, si
può anche togliere.
Applicazioni in elettronica
Nei circuiti elettronici il condensatore è sfruttato moltissimo per la sua peculiarità di lasciar
passare le correnti variabili nel tempo, ma di bloccare quelle costanti: tramite un
condensatore si può fare in modo di unire o separare a volontà i segnali elettrici e
le tensioni di polarizzazione dei circuiti, usando i condensatori come bypass o come
disaccoppiamento. Un caso particolare di condensatore di bypass è il condensatore di
livellamento, usato nei piccoli alimentatori.
Tipi di condensatori[modifica | modifica wikitesto]
Riproduzione di condensatore d'epoca
Nei condensatori reali, oltre alle caratteristiche ideali si deve tenere conto di fattori quali la
tensione massima di funzionamento, determinata dalla rigidità dielettrica del materiale
isolante, della resistenza ed induttanza parassite, della risposta in frequenza e delle
condizioni ambientali di funzionamento (deriva). La perdita dielettrica inoltre è la quantità
di energia persa sotto forma di calore nel dielettrico non ideale. La corrente di perdita è
invece la corrente che fluisce attraverso il dielettrico, che in un condensatore ideale è
invece nulla.
Sono disponibili in commercio molti tipi di condensatori, con capacità che spaziano da
pochi picofarad a diversi farad e tensioni di funzionamento da pochi Voltfino a molti kVolt.
In generale, maggiore è la tensione e la capacità, maggiori sono le dimensioni, il peso ed il
costo del componente.
Il valore nominale della capacità è soggetto ad una tolleranza, ovvero un margine di
scostamento possibile dal valore dichiarato. La tolleranza spazia dall'1% fino al 50% dei
condensatori elettrolitici.
I condensatori sono classificati in base al materiale con cui è costituito il dielettrico, con
due categorie: a dielettrico solido e a ossido metallico (detti condensatori elettrolitici).
A seconda delle caratteristiche di capacità e tensione desiderate, e dell'uso che ne deve
essere fatto, esistono diverse categorie di condensatori: in mylar, altantalio, condensatori
elettrolitici, ceramici, variabili in aria, diodi varicap, ecc.
In alcuni condensatori d'epoca, la capacità è indicata in centimetri anziche' in Farad.
Questo è dovuto all'utilizzo del Sistema CGS, che prevede appunto la capacità elettrica in
cm. In questo caso, la capacità di 1 cm equivale a 1,113 picoFarad.
A dielettrico solido[modifica | modifica wikitesto]
• Ad aria: sono altamente resistenti agli archi poiché l'aria ionizzata viene presto
rimpiazzata, non consentono però capacità elevate. I condensatori variabili più grandi
sono di questo tipo, ideale nei circuiti risonanti delle antenne.
Un condensatore ceramico (di tiporadiale: reofori dallo stesso lato)
• Ceramico: a seconda del materiale ceramico usato si ha un diversa relazione
temperatura-capacità e perdite dielettriche. Bassa induttanza parassita per via delle ridotte
dimensioni.
• C0G o NP0: capacità comprese tra 4.7 pF e 0.047 µF, 5%. Basse perdite, alta tolleranza e
stabilità in temperatura. Usati in filtri e compensazioni di quarzi. Più grossi e costosi di altri.
• X7R: capacità 3300 pF-0.33 µF, 10%. Adatto per applicazioni non critiche come
accoppiamento AC. Soggetto ad effetto microfono.
• Z5U: Capacità 0.01 µF - 2.2 µF, 20%. Adatti per by-pass e accoppiamento AC. Basso
prezzo e ingombro. Soggetto all'effetto microfono.
• a chip ceramico: Accuratezza dell'1% e capacità fino a 1 μF, realizzati tipicamente
in titanato di piombo-zirconio, una ceramica piezoelettrica.
• Vetro: condensatori altamente stabili ed affidabili.
• Carta - molto comuni in vecchi apparati radio, sono costituiti da fogli di alluminio avvolti
con carta e sigillato con cera. Capacità fino ad alcuni μF e tensione massima di centinaia
di volt. Versioni con carta impregnata di olio possono avere tensioni fino a 5000 volt e
sono usati per l'avviamento di motori elettrici, rifasamento e applicazioni elettrotecniche.
• Poliestere, Mylar: usati per gestione di segnale, circuiti integratori e in sostituzione ai
condensatori a carta e olio per i motori monofase. Sono economici ma hanno poca
stabilità in temperatura.
• Polistirene: capacità nella gamma dei picofarad, sono particolarmente stabili e destinati al
trattamento di segnali.
• Polipropilene: condensatori per segnali, a bassa perdita e resistenza alle sovratensioni.
• Politetrafluoroetilene: condensatori ad alte prestazioni, superiori agli altri condensatori
plastici alle alte temperature, ma costosi.
• Mica argentata: ideali per applicazioni radio in HF e VHF (gamma inferiore), stabili e
veloci, ma costosi.
• a circuito stampato: due aree conduttive sovrapposte su differenti strati di un circuito
stampato costituiscono un condensatore molto stabile.
È prassi comune nell'industria riempire zone di circuito stampato non utilizzate con aree di
uno strato collegate a massa e di un altro strato con l'alimentazione, realizzando un
condensatore distribuito e nel contempo allargare le piste di alimentazione.
Elettrolitici[modifica | modifica wikitesto]
Condensatori elettrolitici ad alluminio. Quello superiore di tipo assiale da 1000 μF massima tensione di lavoro
35 Vdc, quello in basso di tipo radiale da 10 μF e massima tensione di lavoro 160 Vdc
Nei condensatori elettrolitici non è presente un materiale dielettrico, ma l'isolamento è
dovuto alla formazione e mantenimento di un sottilissimo strato di ossido metallico sulla
superficie di una armatura a contatto con una soluzione chimica umida. Vista la esiguità
fisica del dielettrico, non possono sopportare tensioni molto alte.
A differenza dei condensatori comuni, la sottigliezza dello strato di ossido consente di
ottenere molta più capacità in poco spazio, ma per contro occorre adottare particolari
accorgimenti per conservare l'ossido stesso.
I condensatori elettrolitici più comuni si basano sulla passivazione dell'alluminio, cioè sulla
pellicola isolante di ossido, estremamente sottile, che fa da dielettrico fra il metallo e una
soluzione elettrolitica acquosa: per questo essi hanno una polarità ben precisa che deve
essere rispettata, pena il cedimento dell'isolamento e la possibilità di esplosione del
condensatore.
Causa di guasto di tali dispositivi è spesso anche il disseccamento della soluzione
chimica.
Per consentire l'utilizzo dei condensatori elettrolitici in corrente alternata si usa connettere
due condensatori identici in antiserie, ovvero connessi in serie con la stessa polarità in
comune (positivo con positivo o negativo con negativo), lasciando disponibili per la
connessione al circuito due terminali della stessa polarità.
La capacità di un condensatore elettrolitico non è definita con precisione come avviene nei
condensatori a isolante solido. Specialmente nei modelli in alluminio è frequente avere la
specificavalore minimo garantito, senza un limite massimo alla capacità. Questo non
rappresenta un limite per la maggior parte delle applicazioni, come il filtraggio
dell'alimentazione dopo ilraddrizzamento o l'accoppiamento di segnale.
Esistono diversi tipi di condensatori elettrolitici:
• ad alluminio: il dielettrico è costituito da uno strato di ossido di alluminio. Sono disponibili
con capacità da meno di 1 μF a 1.000.000 μF con tensioni di lavoro da pochi volt a
centinaia di volt. Sono compatti ma con elevate perdite. Contengono una soluzione
corrosiva e possono esplodere se alimentati con polarità invertita. Nel lungo periodo di
tempo, tendono a seccarsi andando fuori uso e costituiscono una delle più frequenti cause
di guasto in diversi tipi di apparati elettronici. Ad esempio, tanti iMac G5 prodotti tra il 2005
e il 2006 utilizzavano condensatori di questo tipo, che si guastavano a causa del calore
generato dal processore.
• al tantalio: rispetto ai condensatori ad alluminio hanno una capacità più stabile e
accurata, minori corrente di perdita e bassa impedenza alle basse frequenze. A differenza
dei primi però, i condensatori al tantalio non tollerano i picchi di sovratensione e possono
danneggiarsi, a volte esplodendo violentemente, cosa che avviene anche qualora
vengano alimentati con polarità invertita o superiore al limite dichiarato. La capacità arriva
a circa 100 μF con basse tensioni di lavoro. Le armature del condensatore al tantalio sono
differenti: Il catodo è costituito da grani di tantalio sinterizzati ed il dielettrico è formato da
ossido di titanio. L'anodo è invece realizzato da uno strato semi-conduttivo, depositato
chimicamente, di biossido dimanganese. In una versione migliorata l'ossido di manganese
è rimpiazzato da uno strato di polimero conduttivo (polipirrolo) che elimina la tendenza alla
combustione in caso di guasto.
Condensatori elettrolitici ad alluminio in tecnologia a montaggio superficiale (SMT) (entrambi da 47 μF e massima
tensione applicabile di 25 Vdc)
• Supercondensatori o elettrolitici a doppio strato: sono condensatori con capacità
estremamente elevate, che possono arrivare a decine di farad, ma a bassa tensione.
L'alta capacità è dovuta alla grande superficie dovuta a "batuffoli" di carbone
attivo immerso in un elettrolita, e con la tensione di ogni "batuffolo" tenuta al di sotto di un
volt. La corrente scorre attraverso il carbone granulare. Questi condensatori sono in
genere usati al posto delle batterie tampone per le memorie di apparecchi elettronici.
• Ultracondensatori o ad aerogel: simili ai supercondensatori ma basati su un aerogel di
carbonio che costituisce un elettrodo di immensa superficie, hanno valori di capacità fino a
centinaia di farad.
Compensatore[modifica | modifica wikitesto]
Un compensatore è un condensatore la cui capacità può essere variata intenzionalmente
e ripetutamente entro un intervallo caratteristico. L'applicazione tipica si ha nei circuiti
di sintonia delle radio, per variare la frequenza di risonanza di un circuito RLC.
Esistono due categorie di condensatori variabili:
• quelli in cui la variazione è dovuta a cambiamento meccanico di distanza o superficie
sovrapposta delle armature. Alcuni (chiamati anchecondensatori di sintonia) sono usati nei
circuiti radio e manovrati direttamente dall'operatore attraverso una manopola o un rinvio
meccanico, altri più piccoli (detti anche trimmer o anchecompensatori) sono montati
direttamente sul circuito stampato e servono per la calibrazione fine del circuito in fabbrica,
dopodiché non vengono ulteriormente alterati.
Condensatori variabili e trimmer
• quelli in cui la variazione di capacità è data dalla variazione di spessore della zona di
svuotamento di un diodo a semiconduttore, prodotta dal variare della tensione di
polarizzazione inversa. Tutti i diodi presentano questo effetto, ma alcuni, chiamati varicap,
sono ottimizzati per questo scopo, con giunzioni ampie e un profilo di drogaggio volto a
massimizzarne la capacità.
La variazione di capacità è sfruttata anche in alcune applicazioni per convertire un dato
fisico in un segnale elettrico:
• nel microfono a condensatore una membrana che costituisce una delle armature è posta
in vibrazione dai suoni, e la variazione di distanza dall'armatura fissa provoca una
corrispondente variazione di capacità e quindi di tensione ai capi del condensatore.
• in applicazioni industriali alcuni sensori di pressione si basano su una variazione di
capacità.
• un oggetto conduttore posto di fronte ad una placca metallica costituisce un condensatore.
Questo principio è sfruttato nei sensori di prossimità capacitivi, in alcuni sensori di livello di
liquidi in cisterne e alcune spolette di proiettili per determinare l'avvicinamento al bersaglio.
Solitamente può essere regolato da 0 pF al dato di targa; quelli più diffusi in mercato
raggiungono capacità molto basse, solitamente tra i 10 pF e gli 80 pF, molto più raramente
si trovano quelli con capacità intorno ai 200 pF.
Codici identificativi
Rottura del dielettrico: quando sulle armature del condensatore si dispone una carica tale da indurre un campo
elettrico superiore alla rigidità del proprio dielettrico (cioè dell'isolante), si può verificare il transito di una violenta
corrente che può dar luogo a fenomeni di combustione delle pareti del condensatore.
Condensatori a film:
• KC = Film/foglio di Policarbonato
• KP = Film/foglio di Polipropilene
• KS = Film/foglio di Polistirene
• KT = Film/foglio di Poliestere
Se il codice del tipo di componente è preceduto da una 'M' , si tratta di un film/foglio
metallizzato ed il condensatore è molto stabile; la sua assenza (oppure una 'F' se il
componente è della WIMA Tedesca) indica un foglio metallico d'interconnessione e che il
componente è destinato alle alte correnti.
Condensatori per alta tensione
I condensatori per gli impieghi in alta tensione (oltre 1 kV) sono costituiti da "unità
capacitive", che vengono collegate in serie ed in parallelo in modo da ottenere la reattanza
capacitiva richiesta.
Le unità capacitive sono formate da "elementi capacitivi", a loro volta collegati in parallelo
e in serie tra loro. L'elemento capacitivo è un pacco di sottili strati alternati di materiale
conduttore (solitamente alluminio) e di isolante (solitamente polipropilene), immersi in un
liquido isolante (olio minerale). Ogni pacco è dotato di un fusibile, sottile filo conduttore
che interrompe il passaggio di corrente in caso di scarica tra diversi strati conduttori del
pacco. L'unità capacitiva è dotata internamente di una resistenza di scarica posta tra i suoi
terminali.[2]