Condensatore

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bussola Disambiguazione – Se stai cercando condensatore nell'ambito dell'ingegneria chimica, vedi condensazione.

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.

Vari tipi di condensatori

Indice

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 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.

La capacità (in un condensatore lineare)

Struttura di 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 potenziale più alto si carica positivamente, negativamente l'altra. 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 e la costante di proporzionalità è una caratteristica di quel particolare condensatore che si chiama capacità elettrica e si misura in farad:

C = \frac {Q}{V}

Ossia la capacità è uguale al rapporto tra la carica elettrica fornita Q e la differenza di potenziale V. 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 permittività elettrica assoluta e si misura in farad/m.

Ora, poiché la permittività elettrica del vuoto vale \varepsilon _0=8.8541878176\times 10^{-12}\ \mathrm{F\ m^{-1}}\,\!, il rapporto tra la permittività elettrica assoluta di un isolante e quella del vuoto è un numero puro chiamato permittività elettrica relativa.

La capacità di un condensatore piano a facce parallele è quindi:

C = \varepsilon_0 \varepsilon_r \frac {A}{d}

L'energia

L'energia immagazzinata in un condensatore è pari al lavoro fatto per caricarlo. Si consideri, ora, un condensatore con capacità C, con carica +q su una piastra e -q sull'altra. Per muovere un piccolo elemento di carica dq da una piastra all'altra sotto l'azione della differenza di potenziale V=q/C, il lavoro necessario è dW:

\operatorname d W = V \cdot dq = \frac {q}{C}\, \operatorname d q

Integrando questa equazione, infine, si può determinare l'energia potenziale immagazzinata dal condensatore. Gli estremi dell'integrazione saranno 0, ovvero un condensatore scarico, e Q, ovvero la carica immessa sui piatti del condensatore:

W_{carica} = \int_0^Q \frac {q}{C} \,\operatorname d q = \frac {1}{2} \frac {Q^2}{C} = \frac {1}{2} C \, V^2 = E_{immagazzinata}

In un circuito

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 dipende dalle variazioni di potenziale misurato sul condensatore. Matematicamente tale corrente è data dall'espressione:

I = \frac {\operatorname d Q}{\operatorname d t} = C \frac {\operatorname d V}{\operatorname d t}

dove I è la corrente, mentre dV/dt è la derivata temporale della tensione.

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:

X_C = -\frac {1} {2 \pi f C}

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.

L'impedenza

Vediamo, ora, quanto vale l'impedenza di un condensatore:

Z = - \frac {i} {2 \pi f C}

dove i è l'unità immaginaria.

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 delle serie e dei paralleli (date più sotto) sono inverse rispetto al caso delle resistenza: le impedenze si sommano in serie, le capacità si sommano in parallelo.

In un circuito sintonizzato, come un radio ricevitore, la frequenza selezionata è una funzione della serie tra l'induttanza L e la capacità C:

f = \frac {1} {2 \pi \sqrt{LC}}

Questa è la frequenza alla quale si trova la risonanza in un circuito RLC.

In serie e in parallelo

Per approfondire, vedi la voce circuiti 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:

Condensatori in parallelo (schema)
C_{eq} = \sum_{i=1}^n C_i = C_1 + C_2 + \cdots + C_n


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=C\times V\;, a parità di Q la tensione maggiore sarà localizzata ai morsetti della capacità minore. La capacità equivalente totale C_{eq}\; sarà pertanto definita dalla seguente relazione:

Condensatori in serie (schema)
\frac{1}{C_{eq}} = \sum_{i=1}^n \frac 1 C_i = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \cdots + \frac{1}{C_n}


Qualità del condensatore

Come descritto sopra, la reattanza del condensatore fa sì che la corrente sia sfasata in anticipo di 90° rispetto alla tensione. Tuttavia, vari fattori di perdita fanno sì che questo angolo sia leggermente inferiore al caso ideale di 90°. Viene definito di conseguenza l'angolo δ dato dalla differenza tra i 90° ideali e il reale angolo di sfasamento φ. Nelle specifiche tecniche di alcuni condensatori possono esservi due parametri: cos φ e/o tan δ. Entrambi tendono a 0 per φ che tende al valore ideale di 90°, quindi quanto più sono piccoli, tanto migliore è la qualità del condensatore tan δ è anche detto fattore di dissipazione DF e rappresenta il rapporto tra i moduli delle correnti resistiva e reattiva ad una certa frequenza (tipicamente 1kHz).

DF = \tan {\delta} = \frac{I_r}{I_{xc}}

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, 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

Applicazioni del condensatore

I più importanti sono senz'altro i condensatori di rifasamento utilizzati 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. Poiché 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: 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.

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 a molti 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. 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).

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.
Un condensatore ceramico (di tipo radiale: reofori dallo stesso lato)
  • 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.
    • C0G o NP0: capacità comprese tra 4.7 pF e 0.047 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 - 2.2 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.

È prassi comune nell'industria riempire aree di circuito non utilizzate di uno strato con aree collegate a massa e di un altro strato con l'alimentazione, realizzando un condensatore distribuito e nel contempo allargare le piste di alimentazione.

Elettrolitici

Condensatori elettrolitici ad alluminio. Quello superiore di tipo assiale da 1000 μF massima tensione di lavoro 35 Vdc, quello in basso di tipo radiale da 10 μF e massima tensione di lavoro 160 Vdc

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 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.
Condensatori elettrolitici ad alluminio in tecnologia a montaggio superficiale (SMT) (entrambi da 47 μF e massima tensione applicabile di 25 Vdc)
  • 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.

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.
Condensatori variabili e trimmer
  • 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.

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.

Codici identificativi

Condensatori a film:

  • KC = Film/foglio di Policarbonato
  • KP = Film/foglio di Polipropilene
  • KS = Film/foglio di Polistirene
  • KT = Film/foglio di Poliestere

Se una M precede il codice il conduttore è un film/foglio metallizzato ed il condensatore è molto stabile, la sua assenza indica un foglio metallico d'interconnessione ed il componente è destinato alle alte correnti.

Bibliografia

  • Tipler, Paul (1998). Physics for Scientists and Engineers: Vol. 2: Electricity and Magnetism, Light (4th ed.). W. H. Freeman. ISBN 1-57259-492-6
  • Serway, Raymond; Jewett, John (2003). Physics for Scientists and Engineers (6 ed.). Brooks Cole. ISBN 0-534-40842-7
  • Saslow, Wayne M.(2002). Electricity, Magnetism, and Light. Thomson Learning. ISBN 0-12-619455-6. See Chapter 8, and especially pp.255-259 for coefficients of potential.


Voci correlate

  • Fisica Portale Fisica: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di Fisica


Estratto da "http://it.wikipedia.org/wiki/Condensatore"

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