I CONDENSATORI. L'energia elettrostatica che il condensatore accumula si localizza nel materiale dielettrico che è interposto fra le armature.

Transcript

1 I CONDENSATORI Il condensatore o capacitore è un componente elettrico che immagazzina l'energia in un campo elettrostatico, accumulando al suo interno una certa quantità di carica elettrica. 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 altri circuiti), oppure scaricare la propria carica ed energia in un circuito a cui è collegato. Nei circuiti in regime sinusoidale permanente esso determina una differenza di fase di 90 gradi fra la tensione applicata e la corrente che lo attraversa. In queste condizioni di funzionamento la corrente che attraversa un condensatore ideale risulta in anticipo di un quarto di periodo rispetto alla tensione che è applicata ai suoi morsetti. Un condensatore è generalmente costituito da una qualsiasi 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. 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. 1

2 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, l'altra invece si carica negativamente. Le cariche positive e negative sono uguali ed il loro valore assoluto costituisce la carica detta Q del condensatore. La carica è proporzionale alla tensione applicata detta V e la costante di proporzionalità è una caratteristica di quel particolare condensatore che si chiama capacità detta C e si misura in farad pertanto la formula per calcolare Q è la seguente: 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 è una caratteristica dell'isolante interposto e si chiama costante dielettrica assoluta e si misura in farad/m. La corrente Gli elettroni non riescono a passare direttamente da una piastra all'altra attraverso il dielettrico, proprio per le qualità di isolante del materiale utilizzato. Quando viene applicata una differenza di potenziale ad un condensatore utilizzando un circuito esterno, la corrente viene indotta da un piatto all'altro, mentre i due si caricano di una quantità Q uguale in modulo ma di segno opposto. Intanto, nel dielettrico, si assiste al fenomeno della polarizzazione: le molecole si dispongono a formare un dipolo elettrico che consente il passaggio della corrente nel condensatore. Questa corrente, però, è influenzata dalla quantità di carica presente nell'elemento elettronico, ovvero essa dipende dalle variazioni di potenziale misurato sul condensatore. La reattanza Nel caso di voltaggio costante (DC), si raggiunge presto una situazione di equilibrio, dove la carica sui piatti corrisponde precisamente alla caduta di potenziale. 2

3 Quindi non c'è, infine, alcun flusso di corrente all'interno del circuito, in particolare in corrente continua. D'altra parte la corrente alternata (AC) produce cambi di potenziale, ad ognuno dei quali i piatti si caricano e scaricano, generando una corrente variabile. La quantità di resistenza che un condensatore oppone alla corrente alternata è nota come reattanza capacitiva e dipende dalla frequenza della AC. La reattanza è inversamente proporzionale alla frequenza; si ha la conferma che il condensatore blocca la corrente continua, in quanto questa ha frequenza nulla; ad alte frequenze la reattanza è così piccola da poter essere tranquillamente trascurata nell'eseguire i calcoli. La reattanza è così chiamata poiché il condensatore non dissipa potenza, ma semplicemente accumula energia. Nei circuiti elettrici, come in meccanica, ci sono due tipi di carichi, resistivo e reattivo. Il carico resistivo (ad esempio un oggetto che si fa scorrere su una superficie ruvida) dissipa l'energia, mentre il carico reattivo (ad esempio una molla) immagazzina l'energia. L'impedenza Vediamo, ora, quanto vale l'impedenza di un condensatore. La reattanza capacitiva fa sì che, applicando al condensatore una tensione sinusoidale, la corrente che scorre in esso risulta sfasata in anticipo di 90. Un induttore invece ritarda la corrente sempre di 90 (nel caso di componenti ideali naturalmente). È anche significativo che l'impedenza è inversamente proporzionale alla capacità, a differenza dei resistori e degli induttori per cui le impedenze sono linearmente proporzionali a resistenza e induttanza rispettivamente. Questo è il motivo per cui le formule per calcolare i condensatori in serie o in parallelo sono inverse rispetto al caso delle resistenza. Le impedenze si sommano in serie, le capacità si sommano in parallelo. Le applicazioni Il condensatore ha molte applicazioni, quasi tutte nei campi dell'elettronica e dell'elettrotecnica. A seconda delle caratteristiche di capacità e tensione desiderate, e dell'uso che ne deve essere fatto, esistono diverse categorie di condensatori: in mylar, al tantalio, condensatori elettrolitici 3

4 ceramici, variabili in aria. I condensatori elettrolitici 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 la possibilità di esplosione del condensatore. Inoltre, vista la esiguità fisica del dielettrico, non possono sopportare tensioni molto alte. I condensatori di rifasamento usati per bilanciare l'induttanza degli avvolgimenti dei motori elettrici ed abbassare quindi lo sfasamento fra corrente e tensione che questi generano. Per questo vengono collegati in parallelo agli avvolgimenti in modo da formare un circuito LC accordato sulla frequenza della tensione di alimentazione. Poiche qualunque circuito presenta sempre una resistenza, nella realtà si ha sempre il caso di Circuito RLC. 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. Così 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. Nei circuiti elettronici il condensatore è sfruttato moltissimo per la sua peculiarità di lasciar passare le tensioni 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 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). 4

5 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 volt fino a molti Kv. 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 ad arrivare al 50% nei 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 dielettrico solido 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. Ceramico: a seconda del materiale ceramico usato si ha un diversa relazione temperatura-capacità e perdite dielettriche. 5

6 Con bassa induttanza parassita per via delle ridotte dimensioni. C0G o NP0: capacità comprese tra 4.7 pf e 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 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: capacità 1 nf - 1 µf, usati per gestione di segnale, circuiti integratori ecc. 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, 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. 6

7 Elettrolitici Elettrolitici non è presente un materiale dielettrico, ma l'isolamento è dovuto alla formazione e mantenimento di uno sottilissimo strato di ossido metallico sulla superficie di una armatura. 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. In particolare è necessario rispettare una precisa polarità nella tensione applicata, altrimenti l'isolamento cede e si ha la distruzione del componente. Inoltre nei condensatori elettrolitici è presente una soluzione chimica umida che se dovesse asciugare porterebbe al non funzionamento del dispositivo. 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. 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 specifica del valore minimo garantito, senza un limite massimo alla capacità. Per la maggior parte delle applicazioni (filtraggio dell'alimentazione dopo il raddrizzamento e accoppiamento di segnale) questo non rappresenta un limite. Esistono diversi tipi di condensatori elettrolitici: ad alluminio: il dielettrico è costituito da uno strato di ossido di alluminio. sono compatti ma con elevate perdite. 7

8 Sono disponibili con capacità da meno di 1 µf a µf con tensioni di lavoro da pochi volt a centinaia di volt. Contengono una soluzione corrosiva e possono esplodere se alimentati con polarità invertita. Su un lungo periodo di tempo tendono a seccarsi andando fuori uso, e costituiscono una delle più frequenti cause di guasto in diversi tipi di apparecchi elettronici. 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 di manganese. 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. 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: hanno valori di capacità fino a centinaia di farad, simili ai supercondensatori ma basati su un aerogel di carbonio che costituisce un elettrodo di immensa superficie. 8

9 Condensatori variabili Nei condensatori variabili la capacità può essere variata intenzionalmente e ripetutamente entro un intervallo caratteristico di ogni dispositivo. 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 anche condensatori 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 anche compensatori) sono montati direttamente sul circuito stampato e servono per calibrare finemente il circuito in fabbrica, dopodiché non vengono ulteriormente alterati. Quelli in cui la variazione di capacità è data dalla variazione di spessore della zona di deplezione di un diodo a semiconduttore, prodotta dal variare della tensione di polarizzazione inversa. Tutti i diodi presentano questo effetto, ma alcuni sono ottimizzati per questo scopo, con giunzioni ampie e un profilo di drogaggio volto a massimizzare la capacità, e sono chiamati varicap. 9

10 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 un'armatura 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. DECIFRARE IL CODICE DEI CONDENSATORI Dopo aver descritto cosa sono,come sono fatti,e a cosa servono i condensatori passo ora ad illustrare i vari codici che vengono usati per poter leggere i valori di capacità dei condensatori. In commercio ve ne sono una grande varietà di tipi, di misure e di valori, i dati caratteristici più importanti,compreso il valore della loro capacità sono stampigliati direttamente sui loro corpi. Ma non tutti sanno decifrare queste sigle perchè le case costruttrici utilizzano codici diversi. L'intento di questo articolo è quello di chiarire il più possibile questo aspetto. L'unità di misura della capacità dei condensatori è il FARAD che viene indicato con la lettera F. Ma siccome questa unità è molto grande non viene mai usata in elettronica. Così si utilizzano i sottomiltipli millifarad, microfarad, nanofarad e picofarad. che vengono scritti così: mf-µf- nf- pf mf (millifarad) = 1 millesimo di farad (1.000) µf (microfarad) = 1 milionesiomo di farad ( ) nf (nanofarad) = 1 millesimo di microfarad (1.000 milioni) pf (picofarad) = 1 millesimo di nanofarad ( di milioni) 10

11 Faccio qualche esempio: 1pF = µf infatti 1: = 0,000001; µf = 9000 pf infatti: 0,009 x = 9000; 50 nf = 0.05 µf infatti: 50:1000 = 0,05; pf = 0.1 µf infatti: : = 0,1; 10nF = pf infatti: 10 x 1000 = Questa è la tabella riassuntiva: Ovviamente oltre ad interpetare in modo corretto le capacità dei condensatori leggendo sull'involucro i loro valori, vi è anche uno strumento per tali misure chiamato "Capacimetro". Intanto, continuiamo ad analizzare i vari codici di lettura di questi componenti, che a secondo del paese di provenienza cambiano. Codice Americano: Valori compresi fra 1 e 8,2 pf al posto della virgola compare un punto. Valori compresi fra 10pF e 820pF viene scritto il valore ma non la sigla pf. 11

12 Valori compresi fra 1.000pF e pF non viene usata l'unità di misura pf ma quella in µf. Pertanto se trovate dei condensatori con questi valori: dovrete leggerli così: µf equivalente a 1.300pF 0.2 µf equivalente a pf 0.03 µf equivalente a pf 0.82 µf equivalente a pf Codice Europeo: Valori compresi fra 1 e 8.2 pf la virgola viene sostituita con la lettera p. Es. 6p8 = 6.8pF - 8p2 = 8.2pF. Valori compresi fra 10pF e 82pF viene scritto il valore ma non la sigla pf. Valori compresi fra 100pF e 820pF viene usata l'unità di misura nf ponendo davanti al valore scritto la sigla n. Es: n 0.1 = 100pF - n 0.60 = 600pF Valori compresi fra e pf la lettera n posta dopo il numero indica una virgola. Es: 1n2 = 1.200pF - 6n8 = 6.800pF. Valori compresi fra e pf la lettera n viene messa sempre dopo il mumero la misura è espressa in nf. Esempi: 10n = pF infatti 10x1000= n = pF infatti 100x1000= Codice Tedesco: Solo per valori compresi tra 1.000pF e pF davanti al numero viene posta la u o la m 12

13 e la misura viene espressa in µf. (microfarad) Pertanto se trovate dei condensatori con questi valori: u 0012 u 01 u 1 u 82 dovrete leggerli così: µf equivalente a pf 0.01 µf equivalente a pf 0.1 µf equivalente a pf 0,82 µf equivalente a pF Codice Asiatico Fra 1 pf e 82 pf non viene riportata la sigla pf. Fra 100 pf e pf l'ultimo zero viene sostituito con un mumero pari agli zero da aggiungere. Esempio: 101 = 100pF = 1000pF = pF = pF = pF (1 µf). Alcuni tipi di condensatori non recano alcuna scritta sul loro involucro,ma delle fasce colorate simili alle resistenze, anche il codice di lettura è simile ad esse,con la sola accortezza che le bande colorate vanno lette dal basso verso l'alto. Distinzione in base alla capacità Condensatori Ceramici a Disco = Tra 1 pf e pf (470nF) Condensatori in Poliestere = Tra 1nF e nf (2.2uF) Condensatori Elettrolitici = Tra 1 µf e qualche Farad Può capitare che per le capacità da 1pF (picofarad) e quelle da 1 µf (microfarad), di trovare sul loro corpo lo stesso numero cioè 1 senza alcun punto o lettera o virgola che li distingua. Come fare per stabilire se è da 1pF o da 1 µf? Seguite queste sempli regole: solitamente quello da 1pF è cramico (a disco). Quello invece da 1 µf solitamente e poliestere ed è fisicamente più grande. 13

14 Condensatori Polarizzati I condensatori polarizzati hanno una polarità da rispettare. Questo significa che dei due terminali uno è positivo e l'altro è negativo. Essi sono di tre tipi: Elettrolitici Al Tantalio Back Up Gli elettrolitici come già detto hanno una capacità compresa tra 0.1 µf (microfarad) e 10mF (millifarad) la capacità, la tensione e la polarità sono stampate chiaramente sul loro involucro. I condensatori al Tantalio hanno capacità comprese tra 0,1µF e 100µF con tensione di lavoro da 3V a 35V. Sono molto più costosi degli elettrolitici,e si utilizzano generalmente in applicazioni particolari. Alcuni modelli hanno i valori di capacità, tensione e polarità indicati sul loro involucro. Altri modelli utilizzano il codice a colori simile alle resistenze. il loro codice si legge dall'alto in basso vedi foto sotto. 14

15 Infine quelli di Back Up sono condensatori ad altissima capacità da 0,1Farad a 10Farad. Vengono utilizzati come batteria tampone per mantenere l'alimentazione di memorie in caso di black out. Dato il loro impiego,sono prodotti per basse tensioni di lavoro non più di 6V. 15

16 CONDENSATORI IN PARALLELO Collegando in parallelo due o più condensatori si ottiene il valore di capacità pari alla somma delle capacità utilizzate, la formula è la seguente: CX = C1+C2 Es: se colleghiamo in parallelo un condensatore da 100pF con uno da 150pF otterremo una capacità CX di 250pF. CONDENSATORI IN SERIE Collegando in serie due condensatori otterremo un nuovo valore di capacità,che si calcola con la seguente formula: CX=(C1XC2):(C1+C2) Es: se colleghiamo in serie un condensatore da 1000pF con uno da 470pF otterremo una capacità CX di 319pF. 16

17 Esempio: abbiamo un condensatore C1 da 820pF e vorremmo conoscere il valore di C2 per avere un totale di CX da 700pF, per fare questo calcolo dovremmo usare la seguente formula: C2=(C1XCX):(C1-CX) nota: collegando in serie due condensatori di identico valore la capacità si dimezza ma in compenso si raddoppia la tensione di lavoro. Per questo motivo il collegamento in serie si usa normalmente per ottenere una capacità in grado di lavorare con una tensione doppia rispetto a quella di un solo condensatore. Es: ci occorre un condensatore da pF volt lavoro, ma in commercio riusciamo a trovare soltanto dei condensatori con una tensione lavoro di 250 volt. Per risolvere il problema basterà collegare in serie due condensatori da pF volt lavoro per ottenere una capacità di pF volt. 17

18 ELETTROLITICI IN PARALLELO Se volete collegare in parallelo dei condensatori elettrolitici,dovrete collegare insieme i due terminali positivi e i due terminali negativi. ELETTROLITICI IN SERIE Se volete collegare in SERIE dei condensatori elettrolitici,dovrete collegare il terminale negativo del primo con il terminale positivo del secondo. 18