ondensatore elettrico Il condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare energia elettrica. 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. L'energia elettrostatica che il condensatore accumula si localizza nel materiale dielettrico che è interposto fra le armature. Il simbolo del condensatore è il seguente: Simbolo del condensatore I condensatori sono componenti che hanno la capacità di "caricarsi" e che si caricano allo stesso potenziale della tensione di alimentazione. Il principio per cui ciò avviene è il seguente: Inizialmente, a condensatore scarico, le armature sono elettricamente neutre. uando il condensatore viene collegato ad un generatore di tensione continua, avviene che il polo positivo del generatore attira elettroni dall'armatura a cui è collegato, mentre l'altra armatura attira elettroni dal polo negativo del generatore. La carica del condensatore, e quindi la d.d.p. tra le armature, aumenta man mano che si verifica questo movimento di elettroni. Il numero di elettroni che circolano nel circuito è inizialmente massimo per poi decrescere man mano che il condensatore si carica e diventare nullo quando la d.d.p. ai capi del condensatore è uguale a quella di alimentazione. Una volta carico il condensatore mantiene la carica elettrica accumulata, in teoria per un tempo infinito, in pratica si scarica lentamente. La capacità in un condensatore Se si applica una differenza di potenziale alle armature, le cariche + - elettriche si separano e si genera un campo elettrico all'interno del dielettrico. L'armatura collegata al polo positivo si carica positivamente, mentre quella collegata al polo negativo si carica negativamente. Le cariche positive e negative sono uguali ed il loro valore assoluto costituisce la carica del condensatore. La carica è proporzionale alla tensione applicata. V e la costante di proporzionalità è una caratteristica del condensatore e si chiama Prof. S. Patti
capacità elettrica e si misura in farad, il cui simbolo è F, ma le unità pratiche sono il picofarad (pf0 - F), il nanofarad, (nf0-9 F) e il microfarad (µf0-6 F). La capacità è uguale al rapporto tra la carica elettrica fornita e la differenza di potenziale V. V ondensatore piano a facce parallele. Il ondensatore piano a facce parallele è costituito da due superfici conduttrici piane di area A poste a distanza d. La distanza d che separa le armature rappresenta lo spessore dell isolante posto fra di esse S Struttura di un condensatore piano a facce parallele La sua capacità è direttamente proporzionale alla area S delle superfici conduttrici, inversamente proporzionale alla distanza d a cui sono poste e direttamente proporzionale alla ostante dielettrica assoluta ε dell isolante interposto secondo la formula: S ε d ε ε 0 r S d La costante di proporzionalità ε è una caratteristica dell'isolante interposto e si chiama costante F dielettrica assoluta e si misura in farad/metro m. Ora, poiché la costante dielettrica del vuoto vale ε 0 8,85487876 0 F, il rapporto tra la m costante dielettrica assoluta di un dielettrico (isolante) e quella del vuoto è un numero puro chiamato costante dielettrica relativa. ε ε r ε 0 Si è stabilito per convenzione che il suo valore per l'aria sia uguale a e quindi il valore di ε in aria è uguale a quello nel vuoto. Se un condensatore piano le cui armature sono separate dall'aria ha una certa capacità, interponendo al posto dell'aria un dielettrico come il polistirolo, la capacità del condensatore aumenta di circa,5 volte: si dice allora che la costante dielettrica relativa ε r del polistirolo ha valore,5. Prof. S. Patti
Valori di costanti dielettriche relative ε r di alcuni materiali ARIA,0059 POLISTIROLO,5 ARTA PARAFFINATA,5 6 MIA 6,8 PENTOSSIDO DI TANTALIO 6 ERAMIA 35 50.000 Tipi di condensatori 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 migliaia volt. 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. 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). ONDENSATORI ELETTROLITII Sono i più comuni e gli unici che possono dare elevate capacità adatte per l impiego nel rifasamento di impianti elettrici. In quelli utilizzati in elettronica il valore della capacità e della tensione di lavoro sono in genere stampigliati chiaramente sull'involucro; la precisione dei valori è approssimativa, essendo ammessa una tolleranza di circa ± 0%. Nei condensatori elettrolitici il dielettrico è un sottilissimo strato di ossido, fatto formare direttamente sul metallo (l'alluminio) 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 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. ollegando il condensatore al contrario, esso si distrugge rapidamente e rischia di esplodere. Anche l'applicazione di una tensione superiore a quella di lavoro può causare l'esplosione del condensatore. ome 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 Prof. S. Patti 3
almeno uno degli elettrodi. uando è nuovo il condensatore elettrolitico radiale, generalmente ha il terminale positivo più lungo del terminale negativo. Gli elettrolitici sono condensatori di grande capacità, in grado di accumulare notevoli quantità di energia. ONDENSATORI 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. ome i precedenti, devono essere montati in circuito osservando la polarità indicata in prossimità dei terminali. ALTRI TIPI DI ONDENSATORI 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. Esistono tanti tipi di condensatori, realizzati con tecnologie e dielettrici diversi. In figura ne sono illustrati alcuni: a- radiale in poliestere (mylar) b- ceramico a disco c- assiale in polipropilene d- in poliestere metallizzato - I condensatori in poliestere vengono prodotti fino a capacità di qualche µf e per tensioni di lavoro fino a 000 V. - I condensatori con dielettrico in policarbonato si trovano con valori di capacità fino a 0 µf e per tensioni di circa 400 V; presentano una capacità molto costante. - I condensatori in polipropilene consentono valori di capacità più precisi, con tolleranze di circa l' %; sono adatti ad un campo di frequenze fino a 00 khz. I condensatori ceramici sono utilizzati in genere per le alte frequenze. Possono essere del tipo ad elevata costante dielettrica, così da consentire di ottenere alte capacità con ingombro limitato, oppure del tipo a bassa costante dielettrica, caratterizzati dalla capacità stabile. In merito all'aspetto, possono presentarsi nella classica forma a disco, o nella vecchia forma di un tubetto con i terminali alle due estremità. Prof. S. Patti 4
Un condensatore ceramico (di tipo radiale: reofori dallo stesso lato) (È chiamato reoforo il filo conduttore terminale dei componenti elettrici ed elettronici previsti per essere saldati sul circuito stampato) - I ondensatori ad aria, sono altamente resistenti agli archi poiché l'aria ionizzata viene presto rimpiazzata, non consentono però capacità elevate. ONDENSATORI VARIABILI Il condensatore variabile, a seconda dell'impiego pratico cui è destinato, può essere composto da una o più sezioni. Ma in ogni caso, ciascuna sezione è formata da un gruppo di lamine metalliche fisse e da un gruppo di lamine metalliche mobili, che sono quelle che consentono di far variare il valore capacitivo del componente. Il primo gruppo è chiamato "statore", il secondo "rotore". Fig. - Vista in esploso di un condensatore variabile a due sezioni con dielettrico aria. In alto, a sinistra, si nota il rotore, che rimane elettricamente collegato a massa. In posizione centrale è riprodotto lo statore e, in basso, la carcassa di sostegno. Lo statore rimane isolato elettricamente dal rotore, il quale è collegato con la carcassa metallica del condensatore. Facendo ruotare il perno di comando, collegato con il rotore, le armature mobili vanno ad inserirsi più o meno profondamente in quelle fisse variando cosi la superficie affacciata e di conseguenza facendo variare la apacità. Il massimo valore di capacità si ha quando il rotore è ruotato in modo che tutte le lamine rimangano affacciate tra loro, il valore capacitivo minimo è raggiunto con tutte le lamine mobili estratte. uesto condensatore veniva usato per la sintonia del ricevitore radio. Le variazioni manuali di capacità del condensatore variabile creano delle Prof. S. Patti 5
corrispondenti variazioni nelle caratteristiche radioelettriche del circuito di sintonia, che fanno variare il valore della frequenza di accordo. E ciò avviene quando si ruota la manopola di sintonia di un ricevitore radio allo scopo di ricevere questa o quella emittente radiofonica. Si può quindi dire che il condensatore variabile rappresenta la chiave in grado di aprire molte porte e di far entrare nel ricevitore radio il segnale preferito, quello della stazione trasmittente che si vuol ricevere. Antica radio ricevente Sistema di sintonia bobina - condensatore variabile Posizione minima superficie affacciata, minima capacità Posizione superficie affacciata intermedia, capacità Intermedia Rotore statore Posizione massima superficie affacciata, massima capacità Prof. S. Patti 6
ondensatori in serie ome nel caso delle resistenze, i condensatori si possono collegare in serie o in parallelo. uando sono collegati in serie, la carica è la stessa, mentre la d.d.p. ai capi della coppia di condensatori è uguale alla somma delle singole d.d.p.: T V V + V + T + T > Riflessione: Perché la carica è la stessa? T + > T T > + T + + Supponiamo di prendere due condensatori piani a facce parallele di capacità diversa, e e li rappresentiamo come in figura. Sia >. I due condensatori, considerati separatamente, immagazzinano ognuno una quantità di carica diversa e indipendente l uno dall altro. Se noi li colleghiamo in serie, cioè li poniamo sullo stesso ramo il discorso cambia. I condensatori non possono più accumulare carica indipendentemente l uno dall altro perchè la carica accumulata dall armatura due deve essere esattamente uguale e opposta a quella dell armatura tre e di conseguenza quella dell armatura uno sarà uguale e opposta a quella dell armatura quattro. iò può avvenire solo se i due condensatori accumulano la stessa quantità si 3 4 carica quindi: nel collegamento in serie. Infatti come si vede dal disegno le cariche dall armatura sono perfettamente equilibrate dalle cariche dell armatura 3 e quindi queste armature si annullano e sostanzialmente il condensatore equivalente è come se fosse costituito da due armature che hanno per superficie quella minore e per distanza la somma delle due distanze. S T ε ( d ). Di conseguenza il condensatore più piccolo condiziona quello più grande e la + d capacità del sistema sarà più piccola di quella del condensatore minore. Prof. S. Patti 7
4 ondensatore equivalente S ε T ( d + d ) d d ondensatori in parallelo uando due condensatori vengono disposti in parallelo, la d.d.p. tra le armature è la stessa, ma ognuno accumula carica indipendentemente dall altro. uindi la carica totale è uguale alla somma delle cariche: Due condensatori posti in parallelo equivalgono quindi ad un condensatore di capacità pari alla somma delle singole capacità. ( + ) V V T + V + V T ( ) V V + T > T + Prof. S. Patti 8