I.T.I.S. Leonardo Da Vinci - Carpi - Indirizzo Elettronica e Telecomunicazioni Appunti di TDP - Pasquale Altieri A.S CONDENSATORI

Transcript

1 CONDENSATORI Sommario argomenti trattati CONDENSATORI...1 Introduzione...1 Struttura di un condensatore...1 L'energia...2 Parametri caratteristici...3 Tipologie costruttive dei condensatori...4 Condensatori ceramici...5 Condensatori a film plastico...6 Condensatori elettrolitici...6 Condensatori al tantalio...8 Codici d identificazione...8 Codice alfanumerico:...8 Codice numerico a tre cifre:...8 Codice con puntino iniziale (solo per capacità dell'ordine del nf)...9 L'equivoco dell' "1"...9 Rif. Libro di testo: Vol 1 pag. 173 Vol.1 pag Introduzione Il condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare energia, sottoforma di energia potenziale, in un campo elettrico, accumulando al suo interno una certa quantità di carica elettrica. Fig. 1 Esempi di alcuni condensatori moderni Nella teoria dei circuiti il condensatore è un componente ideale che può mantenere la carica e l'energia accumulata all'infinito, se isolato (ovvero non connesso ad a ltri circuiti), oppure scaricare la propria carica ed energia in un circuito a cui è collegato. La carica è immagazzinata sulla superficie delle piastre, sul bordo a contatto con il dielettrico. Poiché ogni piastra immagazzina una carica uguale ma di segno opposto una rispetto all'altra, la carica totale nel dispositivo è sempre zero. L'energia elettrostatica che il condensatore accumula si localizza nel materiale dielettrico che è interposto fra le armature. Struttura di un condensatore Se si applica una tensione tra le armature, le cariche elettriche si separano e si forma 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. 1

2 La carica è proporzionale alla tensione applicata e la costante di proporzionalità è una caratteristica di quel particolare condensatore che si chiama capacità e si misura in Farad [Coulomb/Volt]: C = V Q La capacità di un condensatore piano (armature piane e parallele) è proporzionale al rapporto tra la superficie A di una delle armature e la loro distanza d. La costante di proporzionalità ε è una caratteristica dell'isolante interposto e si chiama costante dielettrica assoluta e si misura in farad/m. Ora, poiché la costante dielettrica del vuoto vale ε 0 = 8, F, il rapporto tra la costante m dielettrica assoluta di un isolante e quella del vuoto è un numero puro chiamato costante dielettrica relativa ε r. La capacità di un condensatore piano a facce parallele è quindi: S Eq. 1 C = ε d Dalla formula si evince che maggiore è il valore della costante dielettrica, maggiore è il valore di capacità a parità di superficie e di distanza. Si evince poi che il valore della capacità è direttamente proporzionale alla superficie e inversamente proporzionale alla distanza. Occorre ricordare che fra le armature del condensatore si forma un campo elettrico E costante proporzionale alla carica accumulata e il modulo di tale campo, in prima approssimazione, vale: V Eq. 2 E = d dove V è la tensione applicata alle armature del condensatore e d è la loro distanza. L'energia L'energia immagazzinata in un condensatore è pari al lavoro fatto per caricarlo. Questa energia è pari all area della figura sottostante, perciò: 2

3 Q V W c = ½ Q V = ½ C V 2 = ½ C Q 2 [J] Parametri caratteristici Capacità nominale: è il valore espresso in Farad. I valori standard dei più diffusi condensatori che si trovano in commercio sono quelli della "serie E6" perchè parte da 6 valori base (da 1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8). Esistono anche valori diversi, meno diffusi, fino a 220mF. Tolleranza [%]: indica di quanto il valore vero si discosta dal valore nominale; è espressa in % del valore nominale e può essere simmetrica (p.es.± 20%) oppure asimmetrica (p.es. 20% +50%). Tensione di lavoro: di un condensatore oltre al valore della capacità (intesa come l'attitudine ad immagazzinare energia elettrica) è importante conoscere anche la tensione di lavoro ( V L ). La tensione di lavoro dipende dal tipo e dallo spessore del dielettrico e rappresenta il valore di tensione massima a cui può essere sottoposto il condensatore per funzionare correttamente. Se si supera la tensione di lavoro il dielettrico può forarsi determinando perdite o cortocircuito tra le armature. Resistenza d isolamento: rappresenta la resistenza fra un armatura e l altra introdotta dal dielettrico. E un indice della qualità del condensatore (più è elevata e meglio è). Normalmente è dell ordine dei MΩ. Temperatura d impiego [ C]: di solito varia dai 20 C ai +75 C. La rigidità dielettrica è definita come il valore limite di campo elettrico, espresso in kv/mm (kilovolt su millimetro), oltre il quale si produce una conduzione di elettricità (scarica elettrica) attraverso il materiale dielettrico. Se il campo elettrico supera tale valore, gli atomi o le molecole del materiale subiscono un processo di ionizzazione a valanga, che provoca un arco elettrico attraverso il materiale. A causa del calore e della pressione provocati dalla ionizzazione improvvisa il materiale subisce, se solido, alterazioni permanenti: può perforarsi, fessurarsi o anche prendere fuoco. 3

4 La rigidità dielettrica determina il limite massimo di tensione sopportabile da un condensatore o da un cavo elettrico, oppure la distanza minima di separazione in aria che deve avere un conduttore in alta tensione per garantire l'isolamento. Coefficiente di temperatura [ppm/ C]: indica la variazione percentuale della capacità rispetto al valore nominale a 25 C, per ogni grado di variazione della temperatura. Normalmente è indicato con la sigla T.C. (Temperature Coefficient) ed equivale ad α La formula è: ΔC = T.C. C 0 ΔT =(α 10-6 ) C 0 ΔT dove α è un coefficiente che varia fra 0 e 750, C è la capacità espressa in pf. T.C. è un parametro molto importante per valutare il comportamento di un condensatore al variare della temperatura. Esso può essere positivo (P) o negativo (N). Per esempio: P100 = [pf/ C] 100 = 0,01 [%/ C] Indica una variazione della capacità pari ad un aumento dello 0,01% per ogni aumento di un grado centigrado di temperatura; N750 = [pf/ C] 100 = 0,075 [%/ C] PN0 = nessuna variazione di capacità con la temperatura. Angolo di perdita δ, fattore di perdita D=tg δ: il condensatore reale, rispetto a quello ideale, è sede di perdite per lo più di tipo ohmico, per cui la relazione tensione/corrente non è in perfetta quadratura e l angolo compreso fra tensione e corrente è inferiore a 90. Il condensatore approssimerà tanto meglio la capacità quanto più piccolo sarà il suo angolo di perdita δ. Il fattore di perdita tg δ, misurato ad 1 Hz vale circa 0,01 0,001 per cui, in genere, fattore di perdita e angolo di perdita coincidono (δ tg δ). Ic Ic 90 δ Vc Vc Coefficiente di merito o di bontà Q: è definito dal rapporto Q = 1/ tg δ perciò varia da 100 a 1000 Ciascuno di questi ultimi tre parametri consente, attraverso un valore numerico dimensionale, di classificare in quale misura un dato condensatore reale approssima quello ideale. Tipologie costruttive dei condensatori Uno degli obiettivi della tecnologia dei componenti elettronici è quello di realizzare componenti di piccole dimensioni, ampio intervallo di valori e di ottima qualità. I parametri tecnologici su cui si interviene nella costruzione sono quelli della relazione Eq. 1, ossia superficie armature, distanza fra le armature e tipo di isolante. I condensatori vengono classificati in base al tipo di dielettrico adoperato in: 4

5 Ceramici A film plastico Elettrolitici N.B. ci sono anche quelli con dielettrico l aria o la carta ma sono oramai poco utilizzati. Condensatori ceramici Il valore di capacità può variare da pochi pf a qualche centinaio di nf. Il dielettrico dei condensatori ceramici è costituito generalmente da una massa ceramica la cui costante dielettrica può essere variata tra 10 e volte quella del vuoto mediante opportune composizioni. I condensatori ceramici a bassa costante dielettrica si distinguono per la stabilità del valore capacitivo e per le perdite molto basse, e quindi sono i preferiti per l'utilizzo nei circuiti oscillanti e ad alta precisione. I condensatori ad elevata costante dielettrica permettono di ottenere capacità elevate con scarso ingombro. I condensatori ceramici hanno in generale piccole dimensioni, e vengono utilizzati di preferenza nella tecnica delle alte frequenze. Fig. 2 - Condensatore ceramico a disco A seconda delle necessità sono disponibili in molte forme costruttive. La forma di condensatore ceramico più diffusamente utilizzata è quella a disco, formata cioè da un dischetto di ceramica metallizzato sulle due facce, sulle quali vengono saldati i terminali. Un'altra forma costruttiva molto diffusa in passato è quella a tubetto. Attualmente sono molto diffusi i condensatori multistrato, soprattutto come bypass per circuiti digitali. Fig. 3 - Struttura di un condensatore ceramico multistrato Dato che le prestazioni dei condensatori ceramici a strato dipendono dalla tensione. questi componenti sono adatti per tensioni di lavoro fino a circa 20 V. 5

6 Condensatori a film plastico Il valore di capacità può variare da 1 nf a 1000 nf. Si ottengono avvolgendo insieme due sottili lamine metalliche separate da un film plastico altrettanto sottile. Il condensatore risulterà di piccole dimensioni ma di elevata capacità. Poiché le lamine metalliche e quelle in plastica possono essere prodotte in qualsiasi lunghezza, con questo sistema si ottengono capacità che arrivano anche al µf e con tensioni di lavoro fino a 1000 V. Fig. 4 - Struttura di un condensatore a film plastico Gli avvolgimenti si collegano sue due lati e quindi le lamine metalliche devono sporgere dal dielettrico per essere compresse e saldate ai terminali. Poiché tutti gli avvolgimenti sono collegati tra di loro su di un lato, la resistenza è piccolissima mentre l'induttanza risulta praticamente nulla. Come dielettrico viene normalmente utilizzata una pellicola in plastica. L'avvolgimento viene poi annegato in una bagno di materiale plastico o sigillato in un tubetto di ceramica. l terminali di collegamento fuoriescono in direzione assiale o tangenziale. Tranne i condensatori elettrolitici e quelli al tantalio, tutti gli altri condensatori non sono polarizzati, per cui possono essere montati indifferentemente in circuito in un verso o nell'altro, e funzionare anche in assenza di una tensione continua di polarizzazione. Condensatori elettrolitici Coprono una gamma di valori che va da 1 μf a 100 mf. Nei condensatori elettrolitici il dielettrico è un sottilissimo strato di ossido, fatto formare direttamente sul metallo (alluminio o tantalio) che fa da armatura e costituisce l'anodo; il tutto è immerso in un elettrolita che, essendo un sale disciolto, risulta conduttore. Il caratteristico involucro 6

7 metallico di forma cilindrica che fa da contenitore, diventa, ai fini del collegamento elettrico, il terminale negativo ovvero il catodo. Proprio a causa della loro costituzione, i condensatori elettrolitici sono "polarizzati", il che vuol dire che devono necessariamente essere collegati ad una tensione continua, rispettando le polarità, positiva e negativa, indicate sull'involucro. Collegando il condensatore al contrario, esso si distrugge rapidamente e rischia di esplodere. Anche l'applicazione di una tensione superiore a quella di lavoro (< 100 V) può causare l'esplosione del condensatore. Come gli altri tipi di condensatori, gli elettrolitici possono essere di tipo radiale, con entrambi i terminali che escono dallo stesso lato, adatti ad un montaggio in verticale, oppure di tipo assiale, con un terminale per lato, adatti al montaggio orizzontale. Una banda laterale indica la polarità di almeno uno degli elettrodi. Gli elettrolitici sono condensatori di grande capacità, in grado di accumulare notevoli quantità di energia; per tale motivo trovano impiego principalmente negli alimentatori, per il livellamento della tensione e la riduzione del "ripple" (ovvero delle ondulazioni residue). Per consentire l'utilizzo dei condensatori elettrolitici in corrente alternata si usa connettere due condensatori identici in antiserie, ovvero connessi in serie ma con polarità opposta. Fig. 5 Struttura di un condensatore elettrolitico -a- 1) striscia di alluminio internamente ossidata, (2) faccia ossidata del foglio di alluminio, (3) carta impregnata di elettrolita, (4) seconda striscia di alluminio, terminale positivo (5), terminale negativo (6). -b- terminali positivo e negativo (1), tappo di gomma (2), contenitore di alluminio (3), condensatore vero e proprio ottenuto dall'avvolgimento delle due strisce di alluminio (4), rivestimento in plastica recante i dati elettrici e le polarità del componente (5). 7

8 Condensatori al tantalio Sono anch'essi dei condensatori polarizzati, ma in essi il dielettrico è costituito da pentossido di tantalio. Sono superiori ai precedenti come stabilità alla temperatura ed alle frequenze elevate; sono tuttavia più costosi e la loro capacità non raggiunge valori molto elevati. Come i precedenti, devono essere montati in circuito osservando la polarità indicata in prossimità dei terminali. Codici d identificazione Condensatori non polarizzati I condensatori non polarizzati non hanno una polarità da rispettare. Questo significa che i due terminali possono essere interscambiati in fase di montaggio. Codice alfanumerico: Si utilizza la lettera dell'unità di misura, al posto della virgola, quindi: > 4p7 significa 4,7pF > n47 significa 0,47nF = 470pF > 4n7 significa 4,7nF (indicato anche µ0047 cioè 0,0047µF) > 47n significa 47nF (indicato anche µ047 cioè 0,047µF) > 470n significa 470nF (indicato anche µ47 cioè 0,47µF) > 47p significa 47pF, ma si può indicare anche soltanto "47", in quanto si sottintende "pf" se non indicato. Codice numerico a tre cifre: Sul corpo sono stampate 3 cifre, di cui le prime due corrispondono alle prime due cifre del valore di capacità, e la terza al numero di zeri da aggiungere. Il valore è espresso in pf, quindi: > 472 significa 4.700pF = 4,7nF (infatti: Prima cifra = 4 - Seconda cifra = 7 - Numero di zeri da aggiungere = 2) > 471 significa 470pF > 470 significa 47pF (indicato anche come "47", sottintendendo lo zero) 8

9 > 4.7 significa 4,7pF (il puntino si utilizza solo per capacità inferiori ai 10pF) > 473 significa pF = 47nF > 474 significa pF = 470nF > 104 significa pF = 100nF > 105 significa pF = 1µF Codice con puntino iniziale (solo per capacità dell'ordine del nf) Se sul corpo del condensatore c'è un numero preceduto da un puntino, significa che il valore è espresso in µf, e il puntino corrisponde alla virgola preceduta dallo zero. Quindi: >.0047 significa 0,0047µF = 4,7nF >.047 significa 0,047µF = 47nF >.47 significa 0,47µF = 470nF L'equivoco dell' "1" Eccezionalmente per le capacità da 1pF e quelle da 1µF, può capitare di trovare sul loro corpo lo stesso numero: "1". E allora, se su un condensatore c'è scritto "1", come fare a stabilire se è da 1pF o da 1µF? Generalmente quello da 1pF è ceramico, mentre quello da 1µF è al poliestere, e di solito, quello da 1µF è fisicamente più grande. Condensatori polarizzati I condensatori polarizzati hanno una polarità da rispettare. Questo significa che, dei due terminali, uno è positivo e l'altro è negativo, e non possono essere invertiti quando si monta il condensatore nel circuito. I valori di capacità e di tensione sono stampati chiaramente sul loro corpo, su cui è contrassegnata anche la polarità (solitamente si preferisce evidenziare il terminale negativo (-). Oltre alla sigla valore sul corpo si trovano altri simboli che indicano la tolleranza del condensatore e la tensione di esercizio. Questi due valori sono standard per tutti i tipi di sigle e si compongono in questo modo. Tolleranza: Viene indicata da una lettera subito dopo la sigla valore, le lettere di uso più frequente sono J - K - M, ed indicano rispettivamente 5% - 10% - 20%. Tensione di lavoro: Viene espressa direttamente in volt stampando subito il valore. 332 J 250: La sigla indica un condensatore di 3300 pf, 5% di tolleranza e 250V di tensione massima..015 K 600: La sigla indica un condensatore di 15 nf, tolleranza 10% e 600V come tensione massima di funzionamento. 6p8 J 63: La sigla indica un condensatore di 6,8 pf, tolleranza del 5% e 63V di lavoro. 9