CONDENSATORI |
INTRODUZIONE
I condensatori sono componenti elettronici che hanno la
capacità di immagazzinare (caricare) energia elettrica.
Essi si caricano allo stesso valore della sorgente di alimentazione; una volta raggiunta
la carica essa viene mantenuta nel tempo anche se il condensatore non è più collegato al
generatore e fino a quando i terminali non vengono collegati ad una resistenza o posti in
corto-circuito.
Sia la carica che la scarica possono avvenire in un tempo prevedibile.
I condensatori sono essenzialmente costituiti da due armature metalliche isolate tra di loro.
La capacità è direttamente proporzionale alla superfice delle armature ed inversamente proporzionale alla loro distanza, e dipende in modo direttamente proporzionale, dal valore della costante dielettrica dell'isolante usato
L'isolante posto tra le armature viene chiamato "dielettrico" e può essere liquido, solido o gassoso.
Il tipo di dielettrico permette una prima classificazione dei
condensatori.
I condensatori più usati nel campo dell'elettronica sono quelli con dielettrico aria o
con dielettrico solido.
I tipi di dielettrici solidi più usati sono: mica,
ceramica, film plastico, carta.
Il valore di capacità di un condensatore (che può essere fisso o variabile), viene indicato sul corpo del condensatore in modo chiaro per quelli di più grosse dimensioni oppure codificato con codici vari (colori o alfanumerici).
L'unità di misura è il Farad (F) che è un valore molto grande e quindi si utilizzano quasi sempre i sottomultipli.
Di un condensatore oltre al valore della capacità (intesa come l'attitudine ad immagazinare energia elettrica) è importante conoscere anche la tensione di lavoro ( VL ) . La tensione di lavoro dipende dal tipo e dallo spessore del dielettrico e rappresenta il valore di tensione massima a cui può essere sottoposto il condensatore per funzionare correttamente. Se si supera la tensione di lavoro il dielettrico può forarsi determinando perdite o cortocircuito tra le armature.
Molto importante, poi, è il valore di tolleranza, generalmente espressa in percentuale sul valore nominale della capacità.
Tra i condensatori fissi un posto di grande importanza è
occupato dai condensatori elettrolitici ; essi
sono condensatori che, rispetto agli altri, hanno un elevatissimo valore di capacità per
unità di volume. In questi condensatori le armature sono di alluminio o di tantalio.
Su una delle armature, che poi dovrà essere sempre collegata al potenziale positivo,
viene provocata (per dissociazione elettrolitica) la formazione di uno strato di ossido
isolante dello stesso materiale e che quindi si comporterà come dielettrico.
Tra l'armatura positiva (anodo) e l'armatura negativa (catodo) viene interposto un
elettrolita molto denso con il compito di assicurare la permanenza dello strato di ossido
sull'armatura positiva.
I condensatori elettrolitici sono polarizzati e quindi possono essere usati solo in
corrente continua facendo attenzione a rispettare sempre la polarità che è indicata sul
condensatore stesso.
Se un condensatore elettrolitico viene collegato al circuito con le polarità invertite
può esplodere e rappresentarte quindi un pericolo. E' necessario, pertanto, fare
sempre molta attenzione nel collegare i condensatori elettrolitici.
La capacità dei condensatori, è stato già detto,
dipende dal tipo di dielettrico, dalla superficie delle armature e dalla distanza tra le
armature stesse.
La formula che permette di calcolare la capacità di un condensatore tenendo conto di
questi tre parametri è la seguente:
con la superficie espressa in m2 , la distanza espressa in metri e la costante dielettrica e che è rappresentata da un numero puro.
La costante dielettrica dipende dal tipo di materiale usato come dielettrico. A titolo di esempio si riportano i valori di "costanti dielettriche relative " di alcuni materiali, in riferimento al vuoto che viene assunto a valore 1
| ARIA | 1,0059 |
| POLISTIROLO | 2,5 |
| CARTA PARAFFINATA | 2,5 ÷ 6 |
| MICA | 6,8 |
| Pentossido di TANTALIO | 26 |
| CERAMICA | 35 ÷ 50.000 |
Dalla formula si evince che maggiore è il valore della costante dielettrica, maggiore è il valore di capacità a parità di superficie e di distanza. Si evince poi che il valore della capacità è direttamente proporzionale alla superficie e inversamente proporzionale alla distanza.
Anche i condensatori, come i resistori, possono essere collegati in serie o in parallelo al fine di ottenere valori specifici:
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ma a differenza dei resistori, la capacità equivalente totale di più condensatori in serie è uguale all'inverso della somma degli inversi delle singole capacità:
nel caso che i condensatori in serie siano solo 2 la formula diventa:
Se i condensatori in serie hanno tutti lo stesso valore di capacità, la capacità totale equivalente è:
e comunque la capacità equivalente sarà sempre inferiore alla più piccola delle capacità che compongono la serie.
I condensatori collegati in serie assumono tutti la stessa carica elettrica Q (espressa in Coulomb) indipendentemente dal valore della capacità, mentre la tensione che si determina ai capi di ogni singolo condensatore sarà inversamente proporzionale al valore di capacità del condensatore stesso, in quanto la tensione V è data dal rapporto trala Q e la capacità C:
[FrontPage Image Map Component]
La somma delle tensioni ai capi dei condensatori in serie, sarà uguale alla tensione totale applicata al circuito:
quindi anche i condensatori possono essere usati come partitori di tensione.
I condensatori in parallelo hanno tutti applicata, ai loro capi, la stessa tensione V, mentre la carica elettrica Q è diversa ed è direttamente proporzionale al valore delle capacità, cioé:
La carica totale Q è data dalla somma delle singole carche elettriche:
e facendo le sostituzioni avremo:
che possiamo anche scrivere in questo modo:
e quindi possiamo dire che la capacità totale è data dalla somma delle singole capacità:
e se i condensatori in parallelo hanno tutti la stessa capacità, la capacità totale equivalente sarà:
E' stato già detto che 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:
.
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 mentre l'altra armatura attira
elettroni dal polo negativo del generatore.
La carica del condensatore, intesa come 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.
Una volta che il condensatore si è caricato (allo stesso valore di tensione del generatore), si avrà che sulla armatura A ci sarà mancanza di elettroni e quindi una predominanza di cariche positive e quindi sarà a potenziale positivo, mentre sull'armatura B ci sarà predominanza di elettroni e quindi sarà a potenziale negativo. La tensione (la carica) viene mantenuta anche se si scollega il condensatore dall'alimentatore (nell'ipotesi di condensatore ideale, senza perdite).
Se le armature vengono collegate tra
di loro per mezzo di una resistenza, avviene la "scarica" del condensatore,
cioè avviene un riequilibrio delle cariche elettriche e la tensione scende fino a zero
(l'energia che era accumulata nel condensatore si dissipa nella resistenza R).
Durante il processo di scarica il verso della corrente (ovvero il verso del movimento
degli elettroni) è l'opposto rispetto al processo di carica, perchè gli elettroni in
eccesso sull'armatura B si sposteranno sull'armatura A fino ad avere equilibrio
energetico.
Come precedentemente detto, la carica e
la scarica del condensatore avviene in un tempo che può essere previsto e che dipende dal
valore (in Ohm) della resistenza in serie al condensatore e dal valore della capacità (in
Farad) del condensatore stesso.
Sperimentalmente è stato appurato che il tempo necessario affinché il condensatore
si carichi al 63% della tensione che gli viene applicata è
uguale al risultato del prodotto della resistenza per la capacità.
Il risultato di tale prodotto viene chiamato "
costante di tempo " e viene indicato con la lettera greca t (tau), e quindi:
t = R * C
dove R è espresso in Ohm e C in Farad ed il risultato in secondi.
Sempre sperimentalmente è stato verificato che il condensatore può essere
considerato carico dopo un tempo
T = 4 ÷ 5 t perchè
dopo il primo t si
carica del 63% della tensione applicata e dopo ogni altra costante di tempo
( t ) si carica sempre
di un ulteriore 63% , ma della differenza restante.
La carica rispetterà, all'incirca, la seguente tabella:
| Tempo | % di carica |
| 1° t | 63 % |
| 2° t | 86 % |
| 3° t | 95 % |
| 4° t | 97 % |
| 5° t | 99 % |
Dopo il quinto t il condensatore si può considerare carico.
Per la scarica avviena il processo
inverso e cioè che dopo il primo t il condensatore si scaricherà del 63 %
e quindi ai suoi capi si avrà una tensione pari al 37 % del valore della tensione a cui
si era caricato.
| Tempo | % di scarica | Vc in % rispetto al valore di carica |
| 1° t | 63 % | 37 % |
| 2° t | 86 % | 14 % |
| 3° t | 95 % | 5 % |
| 4° t | 97 % | 3 % |
| 5° t | 99 % | 1 % |
Dopo il quinto t il processo di scarica si può considerare esaurito ed il condensatore può, praticamente, considerarsi scarico.
I grafici che rappresentano l'andamento della carica e della scarica in un condensatore sono i seguenti:
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in essi si vede come la tensione ai capi del condensatore varia nel tempo.
Se vogliamo fare riferimento all'andamento della corrente che circola nel circuito (ricordiamoci che nel condensatore non circola corrente), dobbiamo premettere che il suo valore massimo è limitato dalla resistenza presente nel circuito e che quindi il valore massimo sarà:
I = Val / R
Ricordando quanto detto precedentemente, e cioè, che la corrente che circola nel circuito è inizialmente alta (massima, limitata solo dalla resistenza) e che essa diminuisce man mano che il condensatore si carica (perchè diminuisce la differenza di potenziale tra le armature ed i poli del generatore), avremo i seguenti grafici:
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in essi si vede che inizialmente la corrente è massima e che poi decresce man mano che il condensatore si carica (o si scarica); è importante notare che il verso della corrente durante la scarica è l'opposto di quello che si ha durante la carica.
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