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Un'introduzione a diverse tipologie di condensatori
Un condensatore è un componente elettronico che immagazzina carica elettrica ed energia in un campo elettrico. Insieme ai resistori, i condensatori sono tra i componenti più comuni presenti nei circuiti elettrici ed elettronici. Sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature di telecomunicazione come i ricevitori radio per la sintonia delle frequenze, nonché nei circuiti di temporizzazione, negli oscillatori e nei filtri. In questo articolo, tratteremo le caratteristiche di base dei condensatori, le loro funzioni principali e i diversi tipi e applicazioni di questi componenti essenziali.
Condensatori e Capacità
Un condensatore è formato da due conduttori qualsiasi, la forma tipica essendo due piastre parallele, cioè due conduttori o elettrodi separati da un materiale dielettrico di spessore uniforme. I conduttori possono essere un qualsiasi materiale che conduca facilmente elettricità. Il materiale dielettrico deve essere un cattivo conduttore, cioè un isolante. Un condensatore ha la capacità di immagazzinare una quantità di elettricità statica.
I campi elettrici statici derivano da cariche elettriche, con le linee del campo elettrico che iniziano e finiscono sulle cariche elettriche. Pertanto, la presenza di cariche elettriche positive e negative uguali sulle due piastre della Figura 2 di seguito:
Assumiamo una carica di +Q coulomb sulla piastra A e –Q coulomb sulla piastra B. La proprietà di questa coppia di piastre che determina quanta carica corrisponde a una data tensione tra le piastre è definita capacità, indicata con C:
C = Q / V
L'unità di misura della capacità è il coulomb per volt o farad (F), che è definita come la capacità in cui compare una tensione di un volt tra le placche quando queste sono caricate con un coulomb. In pratica, la maggior parte dei condensatori ha valori molto inferiori a un farad e sono comunemente espressi in microfarad (µF, 10⁻⁶ F), nanofarad (nF, 10⁻⁹ F) o picofarad (pF, 10⁻¹² F).
Per il caso sopra in Figura 1, la capacità C è data da:
C = εA / d
dove:
- A è l'area di una piastra
- d è la distanza tra le piastre
- ε è la permittività del materiale dielettrico interposto.
Per un condensatore ideale, la capacità dipende solo dalle caratteristiche fisiche del dispositivo. Quando si acquista un condensatore, è necessario specificare la sua tensione nominale oltre al suo valore di capacità. Questa valutazione indica la tensione massima che è possibile applicare al condensatore prima che si verifichi un breakdown elettrico attraverso il materiale dielettrico.
Le Funzioni dei Condensatori nei Circuiti Elettronici
Accumulo di energia
Come accennato in precedenza, i condensatori vengono utilizzati per l'accumulo di energia. In questo caso, la carica da una corrente applicata viene immagazzinata all'interno del condensatore, e in seguito viene rilasciata di nuovo nel circuito sotto forma di corrente che può essere utilizzata.
Posizionando un resistore in serie con il condensatore, è possibile controllare la velocità di carica e scarica. Questo concetto è spesso impiegato in circuiti di scarica ad alta corrente, come i flash fotografici, nonché in piccoli alimentatori di riserva per circuiti integrati a bassa potenza. Inoltre, viene utilizzato per livellare l'ondulazione dell'alimentazione, controllare la temporizzazione nei circuiti integrati e modificare la forma delle forme d'onda.
Blocco DC e Accoppiamento AC
Quando un condensatore viene inserito in serie in un percorso di segnale, blocca la corrente continua mentre consente il passaggio dei componenti del segnale in corrente alternata. Quando un condensatore viene utilizzato in questo modo, viene definito condensatore di blocco DC o di accoppiamento AC.
Per spiegare come questo funziona: in DC, l'impedenza di un condensatore è idealmente infinita, non passa corrente e nessun livello DC all'interno di un segnale misto è permesso. Ma, se viene applicato un segnale AC, l'impedenza del condensatore diventa un valore finito che dipende dalla frequenza del segnale, il che implica che maggiore è la frequenza, minore è l'impedenza. Quindi, di fatto, un condensatore in serie può essere utilizzato per accoppiare due circuiti insieme senza introdurre spostamenti DC indesiderati nello stadio successivo; inoltre, può controllare quanta parte di un segnale di una determinata frequenza passa, cioè controlla l'attenuazione.
Disaccoppiamento e Bypass
Consideriamo un caso in cui il condensatore è posto in parallelo a un percorso di segnale (cioè verso massa). Ciò ha un effetto opposto a quello del condensatore di accoppiamento discusso in precedenza. Qui, agisce come un condensatore di disaccoppiamento, permettendo alla corrente continua di proseguire lungo il percorso, mentre devia le componenti del segnale ad alta frequenza verso massa, con il condensatore che agisce come un percorso a bassa impedenza verso massa.
Un effetto simile si verifica quando un condensatore viene posizionato su un particolare elemento del circuito per deviare frequenze indesiderate attorno ad esso – questo è indicato come bypass.
Il disaccoppiamento e il bypass sono importanti quando è necessario rimuovere le oscillazioni indesiderate ad alta frequenza e altri segnali indesiderati causati da rumore casuale o richieste di corrente improvvise generate da elementi circuitali concomitanti.
Queste sono solo alcune delle funzioni di base dei condensatori. Esistono altre funzioni, ma non ci addentreremo in esse, ad esempio, l'uso dei condensatori nelle reti di filtri passive e attive, nei circuiti risonanti LC, ecc.
Tipo 1: Condensatore elettrolitico al tantalio
Descrizione
Il condensatore elettrolitico al tantalio è diventato uno dei tipi di condensatori preferiti dove alta affidabilità e lunga durata sono fattori chiave.
I condensatori al tantalio contengono elettroliti liquidi o solidi. L'elettrolita liquido nei condensatori a slug bagnato e a foglio, generalmente acido solforico, forma la placca catodica (negativa). Nei condensatori solidi, un materiale secco, il diossido di manganese, forma la placca catodica.
Il filo di piombo anodico del tantalio è costituito da due pezzi: un piombo di tantalio incorporato o saldato al pellet, che a sua volta è saldato a un piombo di nichel.
Vantaggi
- Dimensioni ridotte per una data capacità
- Buona stabilità della capacità in funzione della temperatura
- Corrente di dispersione relativamente bassa
- Buona affidabilità se utilizzato entro le condizioni nominali
- Valori utili di capacità nei design compatti
Svantaggi
- Solitamente polarizzato
- Più costosi dei condensatori elettrolitici in alluminio
- Sensibile a sovratensioni, inversione di polarità e sovratensione
Applicazioni
I condensatori al tantalio non sono adatti per applicazioni di accumulo o accoppiamento ad alta frequenza (HF) a causa della scarsa resistenza di isolamento e dell'induttanza interna. Sopra alcuni MHz, un condensatore al tantalio si comporta più come un induttore che come un condensatore.
Le applicazioni dei condensatori al tantalio includono il bloccaggio, il bypass, il disaccoppiamento, la filtrazione e la temporizzazione.
Tipicamente utilizzato come filtro di livellamento negli alimentatori o come filtro per bypassare i segnali a bassa frequenza.
Tipo 2: Condensatore Elettrolitico in Alluminio
Descrizione
I condensatori elettrolitici in alluminio hanno uno spazio tra le loro lamine riempito con una pasta chimica. Quando viene applicata una tensione, una reazione chimica forma uno strato di materiale isolante sulla lamina.
Poiché i condensatori elettrolitici di alluminio forniscono valori di capacità elevati in piccoli contenitori a un prezzo accessibile, sono molto popolari e probabilmente li troverai in quasi tutti i tipi di circuiti elettronici.
I valori tipici di capacità vanno da circa 0,1 µF a 500000 µF.
Vantaggi
- Elevati valori di capacità a un costo relativamente basso
- Ampiamente disponibile in molte dimensioni e tensioni nominali
- Utile per il filtraggio dell'alimentazione e l'accumulo di energia di massa
- Buon rapporto capacità-costo
- Gestisce alte correnti e tensioni
Svantaggi
- Solitamente polarizzato
- Corrente di dispersione più elevata rispetto ai condensatori ceramici o a film
- Tolleranza più ampia e minore stabilità rispetto ad altri tipi di condensatori
- Maggiore resistenza interna e induttanza
- Durata utile più breve rispetto ad alcuni tipi di condensatori non elettrolitici, specialmente ad alte temperature
Applicazioni
Non sono adatti per applicazioni di accoppiamento ad alta frequenza a causa della scarsa resistenza di isolamento e dell'induttanza interna.
Questi condensatori sono utilizzati nei filtri antirumore degli alimentatori, nell'accoppiamento audio e/o come filtro per bypassare i segnali a bassa frequenza.
Un fattore importante da tenere presente quando si ha a che fare con questo tipo di condensatori è che esploderanno se la tensione di lavoro nominale viene superata o se la polarità viene invertita. Pertanto, non si dovrebbe applicare una tensione AC a un condensatore elettrolitico. Ciononostante, se a una tensione DC viene sovrapposta una tensione AC, assicurarsi che il valore di picco non superi la tensione nominale.
Un'altra considerazione chiave è che i condensatori elettrolitici di alluminio non dovrebbero essere utilizzati se il potenziale DC è ben al di sotto della tensione di lavoro del condensatore.
Tipo 3: Condensatore di Vetro
Descrizione
I condensatori dielettrici in vetro offrono le massime prestazioni e affidabilità disponibili nel settore dei condensatori.
La costruzione dei condensatori di vetro è piuttosto semplice. Consistono in soli tre elementi:
- Vetro dielettrico e cassa
- Elettrodi di alluminio
- Morsetti per cavi
I condensatori sono realizzati in modo multistrato con i conduttori saldati agli elettrodi, in modo che non ci siano connessioni a pressione che possano allentarsi o connessioni a saldare che possano sciogliersi.
Il dielettrico è formato come un nastro continuo di vetro avente proprietà fisiche ed elettriche e dimensioni controllate con precisione.
I condensatori dielettrici in vetro comprendono strati alternati di nastro di vetro e materiale elettrodo. Dopo l'assemblaggio, le unità vengono sigillate insieme ad alta temperatura e pressione per formare un robusto blocco monolitico. Poiché i terminali sono fusi nel corpo di vetro, la sigillatura non può essere rotta senza distruggere il condensatore.
Poiché questi condensatori hanno una struttura monolitica, non sono necessariamente sigillati ermeticamente poiché il coefficiente di espansione termica dei terminali non corrisponde a quello del corpo.
I condensatori di vetro possono essere racchiusi in involucri di vetro o smalto vitreo opportunamente protetti contro le condizioni ambientali.
I condensatori in vetro sono realizzati con materiali inorganici e sono altamente resistenti alle alte temperature operative, alla rottura dielettrica e alle radiazioni nucleari. I condensatori in vetro non diventano un pericolo tossico se esposti alle radiazioni.
Vantaggi
- Alta affidabilità e stabilità a lungo termine
- Basso assorbimento dielettrico
- Elevata resistenza di isolamento
- Alto Q e bassa perdita ad alte frequenze
- Buone prestazioni a temperature elevate
- Forte resistenza a umidità, urti, vibrazioni e radiazioni
Svantaggi
- Costo più elevato rispetto ai tipi di condensatori più comuni
- Valori di capacità inferiori rispetto a molti altri tipi di condensatori
- Dimensioni maggiori e costo maggiore per una data capacità
- Meno comuni e a volte più difficili da reperire rispetto ai tipi di condensatori standard
Applicazioni
I condensatori in vetro hanno visto tipicamente una vasta applicazione in ambito militare, con nuovi progetti sempre più grandi che avvengono nei settori aerospaziale e ad alte prestazioni.
I condensatori in vetro sono utilizzati soprattutto dove l'affidabilità è critica e la sostituzione di un componente guasto non è possibile o pratica.
I condensatori in vetro hanno ampie applicazioni che includono:
- Circuiti ad alta temperatura
- Modulatori
- Filtri di uscita per amplificatori RF
- Oscillatori a frequenza variabile
- Accoppiamento amplificatore
- Campione-mantenere
- Smorzatori di tensione
- Polarizzazione del transistor
- Integratori a rampa
Tipo 4: Condensatore ceramico
Descrizione
Fondamentalmente, questi condensatori sono realizzati con materiali quali il titanato di bario come dielettrico. Internamente, questi condensatori non sono costruiti come una bobina, quindi hanno bassa induttanza.
Per soddisfare la domanda del mercato di condensatori ceramici ad alta densità, sono stati sviluppati condensatori ceramici multistrato (MLCC), che incorporano più strati stampati di piastre elettrodo realizzate con sottili fogli ceramici.
I condensatori ceramici possono essere classificati in 3 tipi in base alle loro caratteristiche dielettriche.
Classe 1 (Ultra-Stabile)
Questo è il condensatore più stabile, realizzato con una miscela di titanati. Ha un coefficiente di temperatura (TCs) molto prevedibile e generalmente non presenta caratteristiche di invecchiamento.
Il condensatore ceramico ultra-stabile più popolare è l'NP0 (negative-positive 0 ppm/°C) o C0G (secondo la designazione EIA).
Classe 2 (Semistabile)
Questi non sono stabili quanto i condensatori ultra-stabili; tuttavia, hanno una maggiore capacità elettrostatica.
Tutti i condensatori semistabili variano il loro valore di capacità sotto l'effetto della temperatura, della tensione operativa (ac e dc) e della frequenza.
I condensatori semistabili sono ideali per applicazioni dove sono essenziali valori di capacità elevati, mentre la stabilità della Q in funzione della temperatura non è una preoccupazione primaria.
Classe 3 (HiK)
Questo tipo ha un'elevata costante dielettrica o capacità elettrostatica, ma ha scarsa stabilità, scarso assorbimento dielettrico, un elevato coefficiente di tensione ed è sensibile alle vibrazioni.
C'è una deriva di temperatura molto scarsa, un alto coefficiente di tensione di dissipazione, un alto coefficiente di frequenza di capacità e un tasso di invecchiamento significativo.
Esibiscono bassa induttanza, un'ampia gamma di valori, dimensioni ridotte e hanno una densità superiore alle ceramiche a bagno.
Sono generalmente più adatti per l'accoppiamento (blocco DC) e lo sfasamento dell'alimentazione.
Generalmente raccomandato per applicazioni lineari dove prestazioni e stabilità non sono di grande importanza.
Applicazioni
I condensatori ceramici sono progettati principalmente per l'uso dove è richiesta una piccola dimensione fisica con una capacità elettrica relativamente grande e un'elevata resistenza di isolamento.
Le applicazioni tipiche dei condensatori ceramici per impieghi generali includono:
- Accoppiamento resistivo-capacitivo per frequenze audio e radio
- Cattodo RF e frequenza intermedia
- Compensazione del tono
- Controllo automatico del volume filtrato
- Controllo del volume bypass RF
- Accoppiamento dell'antenna
- Bypass RF della piastra audio
Considerazioni finali
I condensatori svolgono funzioni importanti nei circuiti elettronici che vanno da funzioni semplici come l'accumulo di energia a funzioni principali come il blocco di DC o il blocco di AC.
Esistono diversi tipi di condensatori, utilizzati per varie applicazioni. Scegliere quello giusto potrebbe non essere un compito facile. Comprendere i vari tipi di condensatori, le loro caratteristiche e capacità, ti fornisce le conoscenze necessarie per aiutarti a prendere una decisione migliore nella scelta di un condensatore per una determinata applicazione.
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