Condensatori: Condensatori elettrolitici, condensatori ceramici ed altri

condensatori elettrolitici

I condensatori (condensatori elettrolitici, tantalio, etc.) sono i componenti elettronici più usati. Tenendo conto della tecnologia usata per costruirli e del loro uso possono avere forme differenti: grossi contenitori cilindrici (condensatori elettrolitici) o gocce minuscole (condensatori al tantalio).

Condensatori: Condensatori elettrolitici, condensatori ceramici ed altri

I condensatori (condensatori elettrolitici, tantalio, etc.) sono i componenti elettronici più usati.
Quando andate in un negozio di elettronica e guardate alcuni pannelli al plasma forse non sapete che state guardando dei condensatori (elettrolitici, tantalio, etc.). Si, un pannello al plasma può essere considerato un condensatore.

Ma cosa è un condensatore e come lavora?

Un condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare energia elettrica. Praticamente avremo un condensatore ogni volta che due materiali conduttori (chiamate “piastre”) saranno vicini e separati da un materiale non conduttore. In un PDP (Plasma Display Panel) le piastre sono i due vetri (fronte e retro) e il materiale non conduttore è il dielettrico che si trova tra loro. Se applichiamo una tensione al condensatore quest’ultimo si caricherà allo stesso potenziale del generatore. In un condensatore la “carica” è il processo di immagazzinamento dell’energia e coinvolge cariche elettriche della stessa grandezza, ma di polarità opposta. All’inizio, in un condensatore scarico, le piastre sono elettricamente neutre per cui avranno lo stesso numero di elettroni e protoni.

Condensatore scarico
Condensatore scarico

Condensatori elettrolitici

I condensatori elettrolitici sono formati da due lamine metalliche, avvolte sotto forma cilindrica, separate da un sottile strato di ossido (che si ottiene tramite un processo elettrolitico). I condensatori elettrolitici hanno capacità enormi (fino a 1.000.000 di µFarad per i condensatori elettrolitici ad alluminio) grazie allo spessore veramente sottile di questo strato (circa 0,001 µm) e alla sua permittività statica relativa, relativamente alta, ma non possono sopportare differenze di potenziale elevate (solo poche decine di volt). Per come sono fatti costruttivamente i condensatori elettrolitici sono polarizzati cioè devono avere sempre la stessa polarità : una piastra deve essere sempre positiva e l’altra sempre negativa. Cambiare la polarità è pericoloso: il condensatore potrebbe esplodere. Come abbiamo già detto i condensatori elettrolitici hanno grande capacità, quindi possono immagazzinare grandi quantità di energia. Per questo motivo i condensatori elettrolitici vengono usati, principalmente, negli alimentatori, per il livellamento della tensione e per la riduzione del ripple (ondulazioni residue).

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Condensatori elettrolitici

Se connettiamo il condensatore ad un generatore di tensione continua, succede che il polo positivo del generatore attira gli elettroni dalla piastra connessa mentre l’altra piastra cattura gli elettroni dal polo negativo del generatore (vedi sotto). Man mano che il condensatore aumenta la sua carica, il potenziale della piastra connessa al polo positivo aumenta e si avvicina al potenziale del generatore. Così la differenza di potenziale, alle estremità della resistenza, diminuisce così come diminuisce l’intensità della corrente. Pertanto inizialmente il condensatore si carica velocemente, quindi sempre più lentamente. Una volta che il condensatore è carico (alla stessa tensione del generatore) avremo un potenziale positivo sulla piastra A e un potenziale negativo sulla piastra B. La tensione (carica) rimane anche se sconnettiamo il condensatore dal generatore (nessuna perdita, naturalmente nel caso di un condensatore ideale).

Carica di un condensatore
Carica di un condensatore

Sotto ci sono i grafici dell’andamento della tensione e della corrente con le loro formule. Dopo verrà spiegato il significato del prodotto RC.

condensatore elettrolitico
Andamento della tensione durante la carica di un condensatore – V(t) = V0 [1- e–(t/RC)]


Current progress for a charging capacitor
Andamento della corrente durante la carica di un condensatore – I(t) = I0 e–(t/RC)

Se colleghiamo le piastre ad una resistenza avremo la scarica del condensatore, cioè avremo una ridistribuzione delle cariche elettriche e la tensione diminuirà fino a zero (l’energia immagazzinata nel condensatore si dissiperà nella resistenza). Durante la scarica il verso della corrente (cioè il verso del movimento degli elettroni) è opposto a quello della carica.

Scarica di un condensatore
Scarica di un condensatore

Durante la scarica di un condensatore per la carica vale la seguente equazione:
Q = Q0 e–t/RC
dove Q è la carica del condensatore (Coulomb), Q0 è la carica all’inizio, “e” è il numero esponenziale (2.718…), t è il tempo (Secondi), C è la capacità (Farad), R la resistenza (Ohm).

Equation voltage and current

Per la tensione e la corrente le equazioni diventano:

V= V0 e –t/RC; I = I0 e–t/RC

Sotto c’è il grafico dell’andamento della corrente e la sua equazione.

Current progress for a discharging capacitor

Andamento della corrente durante la scarica di un condensatore – I = I0 e –t/RC

Diamo una breve spiegazione del prodotto RC. La carica e la scarica di un condensatore avviene in un tempo che dipende dalla resistenza (in serie al condensatore) e dalla capacità del condensatore. Test di laboratorio hanno messo in evidenza che il tempo necessario per caricare il condensatore al 63 % della tensione applicata è uguale al prodotto tra la resistenza e la capacità. Il prodotto si chiama costante di tempo (t), così

t = R * C,

dove t è espresso in secondi, R in Ohm e C in Farad. Inoltre è stato dimostrato che il condensatore è carico dopo un tempo T = 5 t perché dopo il primo t si carica al 63 % della tensione applicata e dopo ogni altro t si carica di un ulteriore 63 %, ma della differenza restante. La capacità è l’attitudine ad immagazzinare energia elettrica: essa è direttamente proporzionale alla superficie di una piastra (A) ed inversamente proporzionale alla loro distanza (d) e dipende, in maniera direttamente proporzionale, dalla permittività statica relativa dell’isolante utilizzato εr. La formula è

C = εr * ε0 * A/d

dove ε0 è la permittività del vuoto, l’unità di misura è il Farad. L’isolante che si trova tra le piastre si chiama dielettrico e può essere liquido, solido o gassoso. Il tipo di dielettrico utilizzato consente una prima classificazione dei condensatori. I condensatori più usati, nel settore elettronico, sono quelli che hanno come dielettrico l’aria o hanno un dielettrico solido. I dielettrici solidi più usati sono: la mica, la ceramica, il film plastico, la carta. La capacità di un condensatore è mostrata chiaramente sull’involucro (per quelli di grandi dimensioni) o codificata utilizzando colori o codici alfanumerici. Diamo ora una occhiata ad alcuni tipi di condensatori, alle loro caratteristiche e aree di applicazione.

Condensatori ceramici

I condensatori ceramici sono formati da un sandwich di lamine conduttrici che si alternano con del materiale ceramico. In questi condensatori il dielettrico è una massa ceramica la cui permittività statica relativa può andare da 10 a 10.000 solo cambiandone la composizione. I condensatori ceramici, con un basso valore della permittività statica relativa, hanno una capacità stabile e perdite molto piccole, per cui vengono preferiti nei circuiti oscillanti e ad alta precisione. Quelli con alto valore della permittività statica relativa consentono di avere grandi capacità occupando poco spazio. Generalmente i condensatori ceramici hanno piccole dimensioni e vengono utilizzati soprattutto nel campo dell’alta frequenza. La forma più comune di un condensatore ceramico è quella a disco, cioè un piccolo disco ceramico metallizzato su entrambe le facce e con i terminali saldatevi sopra. In genere hanno capacità molto piccole, da alcuni pF ad alcuni nF, e possono sopportare grandi differenze di potenziale.

condensatori ceramici

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Condensatori in carta

Nei condensatori in carta il dielettrico è formato da una carta speciale imbevuta di un fluido o di una sostanza viscosa. In questi condensatori, per aumentare l’isolamento, spesso si accoppiano due o più strati. L’avvolgimento finito viene nuovamente imbevuto sotto vuoto con un olio isolante o viene annegato nella resina. In generale vengono usati come condensatori di filtro.

Condensatori in carta

Condensatori a film plastico

Le pellicole in film plastico si possono riprodurre con uno spessore minore di quello a carta impregnata e sono più uniformi. Pertanto ci sono condensatori che utilizzano queste pellicole come dielettrico (hanno solo pochi µm di spessore) e possono sopportare tensioni elevate. I condensatori a film plastico sono usati principalmente nei circuiti a transistor. Nei condensatori a poliestere si usa una lamina metallica come strato elettro-conduttore o il metallo si può depositare direttamente sul film tramite vaporizzazione sotto vuoto, con uno spessore di 0,02 – 0,05 µm. La capacità di questi condensatori può raggiungere alcuni µF. Vengono usati soprattutto nei circuiti a bassa frequenza.

 Condensatori a film plastico

Condensatori al tantalio

I condensatori al tantalio, come quelli elettrolitici, sono polarizzati, ma come dielettrico hanno il pentossido di tantalio. Confrontati con quelli elettrolitici sono più stabili sia termicamente che alle alte frequenze, ma non possono sopportare picchi di sovratensione e possono danneggiarsi, talvolta possono esplodere con violenza. D’altra parte sono molto più cari e hanno capacità più basse.

Condensatori al tantalio

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Condensatori al niobio

I condensatori al tantalio hanno due inconvenienti: il costo, dovuto alla rarità del materiale, e la sua sensibilità a ben determinate sollecitazioni termiche. In seguito all’aumento della domanda di condensatori al tantalio una nuova tecnologia è stata sviluppata e i condensatori al niobio sono stati immessi sul mercato. Con scorte di materiale 100 volte superiori a quelle del tantalio, il niobio offre delle garanzie in termini di costo e di approvvigionamento. Pertanto i condensatori al niobio sono molto simili a quelli al tantalio, ma hanno costi più bassi, sono più resistenti alle variazioni e sta aumentando la convinzione che possano avere prestazioni migliori in altri campi quali i range di tensione, l’ESR e la miniaturizzazione.

In un prossimo articolo parleremo di altre caratteristiche dei condensatori quali la deriva termica, l’inscatolamento ecc.

9 Comments

  1. Dade 2 febbraio 2011
  2. pante 2 marzo 2011
  3. Ionela 1 ottobre 2010
  4. Emanuele 3 novembre 2010
  5. Ionela 7 luglio 2009
  6. spitfires 16 novembre 2010
  7. bustale 28 gennaio 2011
  8. NIck_BG 7 febbraio 2011

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