Applicazioni Applicazioni in elettrotecnica condensatori di rifasamento condensatori di avviamento Applicazioni in elettronica

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1 Codesatore Il codesatore o capacitore è u compoete elettrico che immagazzia l'eergia i u campo elettrostatico, accumulado al suo itero ua certa quatità di carica elettrica. Nella teoria dei circuiti il codesatore è u compoete ideale che può mateere la carica e l'eergia accumulata all'ifiito, se isolato (ovvero o coesso ad altri circuiti), oppure scaricare la propria carica ed eergia i u circuito a cui è collegato. Vari tipi di codesatori Leggi fisiche U codesatore è geeralmete costituito da ua qualsiasi coppia di coduttori (armature o piastre) separati da u isolate (dielettrico). La carica è immagazziata sulla superficie delle piastre, sul bordo a cotatto co il dielettrico. Poiché ogi piastra immagazzia ua carica uguale ma di sego opposto rispetto all'altra, la carica totale el dispositivo è sempre zero. L'eergia elettrostatica che il codesatore accumula si localizza el materiale dielettrico che è iterposto fra le armature.

2 La capacità di u codesatore piao a facce parallele è quidi: A C 0 r d L'eergia L'eergia immagazziata i u codesatore è: Wcarica CV La reattaza Nel caso di tesioe costate (DC), si raggiuge presto ua situazioe di equilibrio, dove la carica sui piatti corrispode precisamete alla caduta di poteziale applicata attraverso la relazioe Q=CV; o c'è, ifie, alcu flusso di correte all'itero del circuito, i particolare la correte cotiua. D'altra parte la correte alterata (AC) produce cambi di poteziale, ad oguo dei quali i piatti si caricao e scaricao, geerado ua correte variabile. La quatità di resisteza che u codesatore oppoe alla correte alterata è ota come reattaza capacitiva e dipede dalla frequeza della AC: X C fc dove X C è la reattaza capacitiva, misurata i ohm, f è la frequeza della AC misurata i hertz e C la capacità, i farad. Dalla formula si possoo fare alcue iteressati osservazioi: la reattaza è iversamete proporzioale alla frequeza; si ha la coferma che il codesatore blocca la correte cotiua, i quato questa ha frequeza ulla e perciò la reattaza del codesatore tede ad ifiito; ad alte frequeze la reattaza è così piccola da poter essere traquillamete trascurata ell'eseguire i calcoli. La reattaza è così chiamata poiché il codesatore o dissipa poteza, ma semplicemete accumula eergia. Nei circuiti elettrici, come i meccaica, ci soo due tipi di carichi, resistivo e reattivo. Il carico resistivo (ad esempio u oggetto che si fa scorrere su ua superficie ruvida) dissipa l'eergia, metre il carico reattivo (ad esempio ua molla) immagazzia l'eergia. I serie e i parallelo Quado si motao codesatori i parallelo su oguo di essi si misurerà la medesima caduta di poteziale. La capacità equivalete C eq sarà, quidi, data dalla formula: C eq Ci i... Quado si motao codesatori i serie, attraverso oguo di essi passerà la stessa carica istataea (i regime diamico, la stessa correte), metre la caduta di poteziale sarà differete da codesatore a codesatore; i particolare, essedo Q=CV, a parità di Q la tesioe maggiore sarà localizzata ai morsetti della capacità miore. La capacità equivalete totale C eq sarà pertato defiita dalla seguete relazioe:... C C C C C eq i i

3 Applicazioi A secoda delle caratteristiche di capacità e tesioe desiderate, e dell'uso che e deve essere fatto, esistoo diverse categorie di codesatori: i mylar, al tatalio, codesatori elettrolitici, ceramici, variabili i aria, diodi varicap, ecc. I codesatori elettrolitici si basao sulla passivazioe dell'allumiio, cioè sulla pellicola isolate di ossido, estremamete sottile, che fa da dielettrico fra il metallo e ua soluzioe elettrolitica acquosa: per questo essi hao ua polarità be precisa che deve essere rispettata pea la possibilità di esplosioe del codesatore. Ioltre, vista la esiguità fisica del dielettrico, o possoo sopportare tesioi molto alte. Applicazioi i elettrotecica I più importati soo sez'altro i codesatori di rifasameto utilizzati per bilaciare l'iduttaza degli avvolgimeti dei motori elettrici ed abbassare lo sfasameto fra correte e tesioe che questi geerao. Vegoo, ioltre usati come codesatori di avviameto per permettere la parteza dei motori asicroi moofase. Applicazioi i elettroica Nei circuiti elettroici il codesatore è sfruttato moltissimo per la sua peculiarità di lasciar passare le correti variabili el tempo ma di bloccare quelle costati: tramite u codesatore si può fare i modo di uire o separare a volotà i segali elettrici e le tesioi di polarizzazioe dei circuiti, usado i codesatori come bypass o come disaccoppiameto. U caso particolare di codesatore di bypass è il codesatore di livellameto, usato ei piccoli alimetatori. Tipi di codesatori Nei codesatori reali, oltre alle caratteristiche ideali si deve teere coto di fattori quali la tesioe massima di fuzioameto, determiata dalla rigidità dielettrica del materiale isolate, della resisteza ed iduttaza parassite, della risposta i frequeza e delle codizioi ambietali di fuzioameto (deriva). La perdita dielettrica ioltre è la quatità di eergia persa sotto forma di calore el dielettrico o ideale. La correte di perdita è ivece la correte che fluisce attraverso il dielettrico, che i u codesatore ideale è ivece ulla. Soo dispoibili i commercio molti tipi di codesatori, co capacità che spaziao da pochi picofarad a diversi farad e tesioi di fuzioameto da pochi volt fio ad alcui kvolt. I geerale, maggiore è la tesioe e la capacità, maggiori soo le dimesioi, il peso ed il costo del compoete. Il valore omiale della capacità è soggetto ad ua tolleraza, ovvero u margie di scostameto possibile dal valore dichiarato. La tolleraza spazia dall'% fio al 50% dei codesatori elettrolitici. I codesatori soo classificati i base al materiale co cui è costituito il dielettrico, co due categorie: a dielettrico solido e a ossido metallico (detti codesatori elettrolitici). 3

4 A dielettrico solido Ad aria: soo altamete resisteti agli archi poiché l'aria ioizzata viee presto rimpiazzata, o cosetoo però capacità elevate. I codesatori variabili più gradi soo di questo tipo, ideale ei circuiti risoati delle atee. Ceramico: a secoda del materiale ceramico usato si ha u diversa relazioe temperatura-capacità e perdite dielettriche. Bassa iduttaza parassita per via delle ridotte dimesioi. Solitamete soo poco precisi ma poco costosi. Carta - molto comui i vecchi apparati radio, soo costituiti da fogli di allumiio avvolti co carta e sigillato co cera. Capacità fio ad alcui μf e tesioe massima di cetiaia di volt. Versioi co carta impregata di olio possoo avere tesioi fio a 5000 volt e soo usati per l'avviameto di motori elettrici, rifasameto e applicazioi elettroteciche. Poliestere, Mylar: capacità F - μf, usati per gestioe di segale, circuiti itegratori ecc. Mica argetata: ideali per applicazioi radio i HF e VHF (gamma iferiore), stabili e veloci, ma costosi. a circuito stampato: due aree coduttive sovrapposte su differeti strati di u circuito stampato costituiscoo u codesatore molto stabile. Elettrolitici Nei codesatori elettrolitici o è presete u materiale dielettrico, ma l'isolameto è dovuto alla formazioe e mateimeto di uo sottilissimo strato di ossido metallico sulla superficie di ua armatura. A differeza dei codesatori comui, la sottigliezza dello strato di ossido cosete di otteere molta più capacità i poco spazio, ma per cotro occorre adottare particolari accorgimeti per coservare l'ossido stesso. I particolare è ecessario rispettare ua precisa polarità ella tesioe applicata, altrimeti l'isolameto cede e si ha la distruzioe del compoete. Ioltre ei codesatori elettrolitici è presete ua soluzioe chimica umida che se dovesse asciugare porterebbe al o fuzioameto del dispositivo. Per cosetire l'utilizzo dei codesatori elettrolitici i correte alterata si usa coettere due codesatori idetici i atiserie, ovvero coessi i serie ma co polarità opposta. La capacità di u codesatore elettrolitico o è defiita co precisioe come avviee ei codesatori a isolate solido. Specialmete ei modelli i allumiio è frequete avere la specifica valore miimo garatito, seza u limite massimo alla capacità. Per la maggior parte delle applicazioi (filtraggio dell'alimetazioe dopo il raddrizzameto e accoppiameto di segale) questo o rappreseta u limite. Esistoo diversi tipi di codesatori elettrolitici: ad allumiio: il dielettrico è costituito da uo strato di ossido di allumiio. soo compatti ma co elevate perdite. Soo dispoibili co capacità da meo di μf a μf co tesioi 4

5 di lavoro da pochi volt a cetiaia di volt. Cotegoo ua soluzioe corrosiva e si daeggiao se alimetati co polarità ivertita. Su u lugo periodo di tempo tedoo a seccarsi adado fuori uso, e costituiscoo ua delle più frequeti cause di guasto i diversi tipi di apparecchi elettroici. al tatalio: rispetto ai codesatori ad allumiio hao ua capacità più stabile e accurata, miori correte di perdita e bassa impedeza alle basse frequeze. A differeza dei primi però, i codesatori al tatalio o tollerao i picchi di sovratesioe e possoo daeggiarsi. La capacità arriva a circa 00 μf co basse tesioi di lavoro. Codesatori variabili Nei codesatori variabili la capacità può essere variata itezioalmete e ripetutamete etro u itervallo caratteristico di ogi dispositivo. L'applicazioe tipica si ha ei circuiti di sitoia delle radio per variare la frequeza di risoaza di u circuito RLC. Esistoo due categorie di codesatori variabili: quelli i cui la variazioe è dovuta a cambiameto meccaico di distaza o superficie sovrapposta delle armature. Alcui (chiamati ache codesatori di sitoia) soo usati ei circuiti radio e maovrati direttamete dall'operatore attraverso ua maopola o u rivio meccaico, altri più piccoli (detti ache trimmer o ache compesatori) soo motati direttamete sul circuito stampato e servoo per calibrare fiemete il circuito i fabbrica, dopodiché o vegoo ulteriormete alterati. quelli i cui la variazioe di capacità è data dalla variazioe della tesioe di polarizzazioe iversa di u diodo a semicoduttore. Tutti i diodi presetao questo effetto, ma alcui soo ottimizzati per questo scopo, co giuzioi ampie e u profilo di drogaggio volto a massimizzare la capacità, e soo chiamati varicap. La variazioe di capacità è sfruttata ache i alcue applicazioi per covertire u dato fisico i u segale elettrico: el microfoo a codesatore ua membraa che costituisce u'armatura è posta i vibrazioe dai suoi, e la variazioe di distaza dall'armatura fissa provoca ua corrispodete variazioe di capacità e quidi di tesioe ai capi del codesatore. i applicazioi idustriali alcui sesori di pressioe si basao su ua variazioe di capacità. u oggetto coduttore posto di frote ad ua placca metallica costituisce u codesatore. Questo pricipio è sfruttato ei sesori di prossimità capacitivi, i alcui sesori di livello di liquidi i cistere e alcue spolette di proiettili per determiare l'avviciameto al bersaglio. 5