Condensatore elettrico
Il condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare energia elettrica.
Un condensatore (C) 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.
• Quando 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
+ Q =Q = Q
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 Q del condensatore. La carica è
proporzionale alla tensione applicata. Q = C ⋅ V e la costante di
proporzionalità C è una caratteristica del condensatore e si chiama
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capacità elettrica e si misura in farad, il cui simbolo è F, ma le unità pratiche sono il picofarad
(pF=10-12F), il nanofarad, (nF=10-9F) e il microfarad (µF=10-6F).
La capacità è uguale al rapporto tra la carica elettrica fornita Q e la differenza di potenziale V.
C=
Q
V
Condensatore piano a facce parallele.
Il Condensatore 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
La sua capacità C è direttamente
proporzionale alla area S delle superfici
conduttrici, inversamente proporzionale
alla distanza d a cui sono poste e
direttamente proporzionale alla Costante
dielettrica assoluta ε dell’isolante
interposto secondo la formula:
Struttura di un condensatore piano a facce parallele
C =ε
S
S
= ε 0 ⋅ε r ⋅
d
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
F
Ora, poiché la costante dielettrica del vuoto vale ε0 = 8,8541878176 × 10−12 , il rapporto tra la
m
costante dielettrica assoluta di un dielettrico (isolante) e quella del vuoto è un numero puro
chiamato costante dielettrica relativa.
εr =
ε
ε0
Si è stabilito per convenzione che il suo valore per l'aria sia uguale a 1 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 2,5 volte: si dice allora che la costante dielettrica relativa εr del polistirolo ha
valore 2,5.
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Valori di costanti dielettriche relative εr di alcuni materiali
ARIA
1,0059
POLISTIROLO
2,5
CARTA PARAFFINATA
2,5÷6
MICA
6,8
PENTOSSIDO DI TANTALIO
26
CERAMICA
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).
CONDENSATORI ELETTROLITICI
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 ± 20%.
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. Collegando 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.
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
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almeno uno degli elettrodi. Quando 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.
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.
ALTRI TIPI DI CONDENSATORI
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 1000 V.
I condensatori con dielettrico in policarbonato si trovano con valori di capacità fino a 10 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' 1%; sono adatti ad un campo di frequenze fino a 100 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.
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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 Condensatori ad aria, sono altamente resistenti agli archi poiché l'aria ionizzata viene
presto rimpiazzata, non consentono però capacità elevate.
CONDENSATORI 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 Capacità. 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. Questo condensatore veniva usato per la sintonia del
ricevitore radio. Le variazioni manuali di capacità del condensatore variabile creano delle
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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
Rotore
Posizione minima superficie
affacciata, minima capacità
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Posizione superficie
affacciata intermedia,
capacità Intermedia
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statore
Posizione massima superficie
affacciata, massima capacità
Condensatori in serie
• Come nel caso delle resistenze, i condensatori si possono collegare in
serie o in parallelo.
Quando 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.:
V = V1 + V2 =
Q Q
Q
+
=
C1 C2 CT
Q1 Q2 QT Q
+
=
=
C1 C2 CT CT
=>
1
1
1
+
=
C1 C2 CT
=>
CT =
1
1
=
1
1
C2 + C1
+
C1 C2
C1 ⋅ C2
=> CT =
C1 ⋅ C2
C1 + C2
Riflessione:
Perché la carica è la stessa?
Supponiamo di prendere due condensatori piani a facce
parallele di capacità diversa, C1 e C2 e li
rappresentiamo come in figura. Sia C1 > C2 .
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
C2
C1
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. Ciò può avvenire solo se i due
condensatori accumulano la stessa quantità si
carica quindi: Q1 = Q2 = Q nel collegamento in
serie. Infatti come si vede dal disegno le cariche
dall’armatura 2 sono perfettamente equilibrate
C2
C1
dalle cariche dell’armatura 3 e quindi queste
armature si annullano e sostanzialmente il
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condensatore equivalente è come se fosse
costituito da due armature che hanno per
1 2
superficie quella minore e per distanza la
somma delle due distanze.
S2
CT = ε
. Di conseguenza il condensatore più piccolo condiziona quello più grande e la
(d1 + d 2 )
capacità del sistema sarà più piccola di quella del condensatore minore.
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1
4
Condensatore equivalente CT = ε
S2
(d1 + d2)
d1 d2
Condensatori in parallelo
Quando due condensatori vengono disposti in parallelo, la d.d.p. tra le armature è la stessa, ma
ognuno accumula carica indipendentemente dall’altro.
Quindi 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.
QT = Q1 + Q2 = C1 ⋅ V + C2V = (C1 + C2 ) ⋅ V = CTV
(C1 + C2 ) ⋅ V = CTV
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=> CT = C1 + C2
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