Condensatore - Digilander

Condensatore
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.
Vari tipi di condensatori
Leggi fisiche
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
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
La capacità di un condensatore piano a facce parallele è quindi:
A
C 0 r
d
L'energia
L'energia immagazzinata in un condensatore è:
1
2
Wcarica  CV
2
La reattanza
Nel caso di tensione costante (DC), si raggiunge presto una situazione di equilibrio, dove la carica sui
piatti corrisponde precisamente alla caduta di potenziale applicata attraverso la relazione Q=CV; non
c'è, infine, alcun flusso di corrente all'interno del circuito, in particolare la 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:
1
X C 
2fC
dove XC è la reattanza capacitiva, misurata in ohm, f è la frequenza della AC misurata in hertz e C la
capacità, in farad.
Dalla formula si possono fare alcune interessanti osservazioni:
 la reattanza è inversamente proporzionale alla frequenza;
 si ha la conferma che il condensatore blocca la corrente continua, in quanto questa ha frequenza
nulla e perciò la reattanza del condensatore tende ad infinito;
 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.
In serie e in parallelo
Quando si montano n condensatori in parallelo su ognuno di essi si misurerà la medesima caduta di
potenziale. La capacità equivalente C eq sarà, quindi, data dalla formula:
n
Ceq Ci C1 C2 .... Cn
i
1
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 Q=CV, a parità di Q la tensione maggiore sarà localizzata ai
morsetti della capacità minore. La capacità equivalente totale Ceq sarà pertanto definita dalla seguente
relazione:
n
1
1
1
1
1
   ... 
C eq i1 Ci C1 C2
Cn
2
Applicazioni
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, ceramici,
variabili in aria, diodi varicap, ecc.
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.
 Applicazioni in elettrotecnica
I più importanti sono senz'altro i condensatori di rifasamento utilizzati per bilanciare l'induttanza
degli avvolgimenti dei motori elettrici ed abbassare lo sfasamento fra corrente e tensione che questi
generano. Vengono, inoltre usati come condensatori di avviamento per permettere la partenza dei
motori asincroni monofase.
 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
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 volt fino ad alcuni 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).
3
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. Bassa
induttanza parassita per via delle ridotte dimensioni. Solitamente
sono poco precisi ma poco costosi.

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.

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.
Elettrolitici
Nei condensatori 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 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. Sono disponibili con capacità da meno di 1 μF a 1.000.000 μF con tensioni
4
di lavoro da pochi volt a centinaia di volt. Contengono una soluzione
corrosiva e si danneggiano 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. La capacità
arriva a circa 100 μF con basse tensioni di lavoro.
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 della tensione di
polarizzazione inversa di un diodo a semiconduttore. 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.
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.

5