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I Condensatori

Teoria: Condensatori, di che cosa si tratta

Simbolo circuitale di un Condensatore non polarizzato, ad esempio Poliestere Metallizzato.	Simbolo circuitale di un Condensatore Polarizzato (es. Elettrolitico o al Tantalio)	Simbolo circuitale di un Condensatore Variabile

Sono componenti passivi capaci di immagazzinare cariche elettrostatiche.
Questa loro caratteristica è quantificata dalla loro capacità che è il parametro caratteristico di ogni condensatore.
Sono costituiti da due elettrodi collegati ad altrettante armature, piastre conduttrici, separate fra loro da un isolante detto dielettrico e vengono raggruppati per famiglie proprio in base al tipo di dielettrico utilizzato (teflon, polypropylene, polistirene, policarbonato, poliestere, mica, ceramici).
Per incrementare la capacità dei condensatori si dovrà ridurre lo spessore del dielettrico che separa le armature, ma solo alcuni materiali lo consentono senza rischi di perforazione, in virtù della loro rigidità dielettrica (che è una costante relativa ad ogni materiale impiegato come dielettrico che quantifica la capacità del materiale di resistere a forti campi elettrici senza perforarsi ed è espressa in KiloVolt/Centimetro).
Quindi per rigidità dielettrica si intende il rapporto fra tensione di rottura del dielettrico e spessore dello stesso.
I condensatori insieme ai resistori sono i componenti più usati nell’elettronica ed hanno subito nel tempo una evoluzione pressoché costante che li ha portati ad essere componenti altamente specializzati, nel senso che ne esistono tipi studiati espressamente per tutti gli impieghi.

Condensatori fissi e variabili

La stragrande maggioranza dei condensatori utilizzati nei circuiti elettronici hanno una capacità fissa, altri condensatori utilizzati nei circuiti di accordo a radiofrequenza sono a capacità variabile.
La variazione di capacità viene ottenuta variando la geometria delle armature del condensatore con un mezzo meccanico.
Un classico esempio sono i condensatori variabili delle radio, ora rimpiazzati da altri componenti meno costosi e meno fragili meccanicamente come i diodi varicap.
In genere il dielettrico dei condensatori variabili è costituito da aria o mica.

Sopra una immagine di vari condensatori di recupero quasi tutti elettrolitici ad eccezione di quello bianco (poliestere) e di quello giallo che non è un condensatore ma un fusibile autoripristinante (ci sono diversi componenti che assomigliano ai condensatori). Questo per dare un'idea di massima della varietà e dei possibili errori di valutazione nel riconoscere questi componenti.

Comportamento del dielettrico di un condensatore: in assenza di campo elettrico la polarizzazione delle molecole è casuale, applicando un campo elettrico le stesse si orientano.

Tabella della rigidità dielettrica di alcuni materiali comuni.

Materiale Rigidità dielettrica Kv/cm Materiale Rigidità dielettrica Kv/cm Materiale Rigidità dielettrica Kv/cm Aria ad altezza mare (760mm Hg) 30 Resine epossidiche 120-160 Acqua distillata 50-100 Resine fenoliche 80-160 Bakelite 100-300 Siliconi Termoplastici 80-160 Carta 50-100 Gomme al Silicone 120-280 Carta impregnata di olio 350-400 Gomma 160-500 Mica 400-1800 Micanite 200-300 Titanato di Bario 50 Vetro 250-1000 Polistirene 200-280 Porcellana 120-300 Polietilene 500 Teflon 160 Carta Paraffinata 400-500 Olio minerale 75-160 Titanati di Ba-Sr 50 Polietilene 200-300 Nylon 200-350 Olio per trasformatori 120-170

Teoria: Definizioni di alcuni parametri dei condensatori

• Tolleranza = è la massima deviazione dal valore di capacità nominale.

• Coefficiente di temperatura = è la variazione della capacità in funzione della temperatura ed è espressa in parti-per-milione-per grado centigrado (ppm/°C).

• Tensione di lavoro = è la massima tensione continua o alternata che può essere applicata al condensatore in continuità senza che questo subisca danni.

• Tensione di punta = è la massima tensione che non deve mai in nessun caso essere superata.

• Corrente di fuga = è la corrente di perdita che passa attraverso il condensatore quando questo viene alimentato e che ne determina la scarica quando il generatore viene staccato. Questo valore si misura in CV dove C è la capacità del condensatore e V è la tensione applicata. Quando il condensatore viene immagazzinato per lunghi periodi (questo vale per gli elettrolitici) al momento in cui viene alimentato questa corrente è relativamente forte poi decresce nel giro di qualche minuto e si stabilizza. Questo fenomeno è dovuto alla “ricostruzione” del dielettrico che dopo lunghi periodi in cui il condensatore non viene alimentato si danneggia. Poi appena viene data tensione si ricostruisce.

• Angolo di perdita o tangente dell’angolo di perdita = è il rapporto fra la potenza dissipata nel condensatore e la potenza reattiva dello stesso quando viene alimentato in alternata ad una data frequenza.

Combinazioni di condensatori:
- Condensatori in parallelo: la capacità equivalente è la somma delle capacità dei singoli condensatori, si usa per ottenere grandi valori di capacità o per avere caratteristiche particolari impiegando condensatori di tipologie diverse, per esempio per migliorare la velocità del condensatore equivalente.
Con riferimento ai condensatori elettrolitici occorre tenere conto di quanto segue:

• In alcuni amplificatori per ottenere questo scopo si collegano in parallelo diverse decine di condensatori elettrolitici di relativamente piccola capacità.
• Purtroppo la durata di un parallelo di condensatori nel tempo è quella statistica di un condensatore divisa per il numero dei condensatori che compongono il parallelo, quindi logicamente se si impiegano molti condensatori è più facile che il tutto vada fuori uso in breve tempo.
• Tuttavia occorre tenere conto che avendo molti condensatori in parallelo la corrente che scorre in ognuno di questi è quella totale divisa per il numero dei condensatori ed essendo la corrente una delle cause di morte prematura per surriscaldamento delle armature questa soluzione allunga la vita dei singoli condensatori.

Cequ=C1+C2+.......Cn

- Condensatori in serie: Si usa principalmente per aumentare la tensione massima applicabile alla capacità equivalente.
Per esempio mettendo in serie due condensatori di uguale capacità da 100Volt di tensione massima il risultante avrà come tensione massima 200Volt. Come si intuisce dalla formula la capacità totale è più piccola del più piccolo condensatore impiegato. Nel caso dell’esempio precedente la capacità sarà la metà di quella di un singolo condensatore.

Considerazioni sui componenti reali: il condensatore, come tutti i componenti, nella realtà si comporta in modo leggermente diverso dal componente ideale. Di lato è riportato lo schema equivalente di un condensatore reale. Rs rappresenta la resistenza delle armature e dei terminali che ha un valore il più basso possibile ma comunque non 0. Ls rappresenta l’induttanza delle armature che per quanto bassa è presente e fa sentire la sua influenza alle alte frequenze. Rl è la resistenza che giustifica la seppur debole corrente che transita attraverso il dielettrico che causa la scarica del condensatore e da origine alla “Capacitor leakage current” (come viene indicata nei manuali in inglese; in italiano “Corrente di Fuga”).

Teoria: Energia immagazzinata da un condensatore

E' funzione della sua capacità e della tensione a cui viene caricato.
Si misura in Joule ed è J=1/2(CVV) dove C è la capacità in Farad e V è la tensione in Volt.
Un condensatore tipico da livellamento in un amplificatore BF a mosfet da 10.000uF carico a 40V ha un'energia di J=1/2x0,01x40x40=8 Joule.
Un condensatore di livellamento in un amplificatore a valvole carico a 350V ed avente una capacità di 100uF ha una energia pari a J=0,5x0,0001x350x350=6,125 Joule.

Codici riportati sui condensatori

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 con metallo evaporato sottovuoto ed il condensatore è molto stabile, la sua assenza indica un foglio metallico d'interconnessione ed il componente è destinato alle alte correnti.

MKL (o MKU), acetato di cellulosa
MKT polietilene teraftalato (mylar)
MKC policarbonato
MKP polipropilene
MKY polipropilene autocicatrizzante e sono tutti metallizzati.

La Siemens ha ampliato le sue sigle, indicando anche il tipo di costruzione, non solo il materiale:
MP: carta metallizzata
MKV: film plastico metallizzato, basse perdite
MKK: film plastico metallizzato, compatto
MPK: carta e film plastico metallizzati
FK: Foglio metallico e film plastico (con o senza carta).

Tabella comparativa di massima per la scelta dei condensatori più adatti

Tipo Elettrolitico Alluminio Tantalio Umido Tantalio Solido Policarbonato Film Metallizzato Policarbonato Film Polistirolo Metallizzato Poliestere Film Metallizzato Poliestere Film Mica Ceramica Capacità massima in µF 1000000 1500 1500 100 0,01 10 10 0,01 0,01 1 Tensione di lavoro (Vcc) 500 125 100 1000 400 1000 1500 400 800 10000 Temperatura di lavoro -40 +85 /105 /150 -40+125 -40+125 -55+125 -55+125 -55+125 -55+125 -55+125 +125 +125 Volume a parità di C x V molto piccolo molto piccolo molto piccolo piccolo piccolo grande piccolo piccolo piccolo piccolo Stabilità bassa eccellente eccellente media media eccellente media media eccellente media Durata buona eccellente eccellente molto buona molto buona molto buona molto buona molto buona eccellente eccellente Coefficiente Temperatura ppm/°C       -50 +100 -150 400   +75   Impiego Circuiti accopp. e filtraggio e livellamento ripple Circuiti accopp. Circuiti accopp. e filtraggio Circuiti accopp. e filtraggio Condens. di potenza per c.a. Circuiti Risonanti Circuiti accopp. e filtraggio Circuiti accopp. e filtraggio Circuiti Risonanti Circuiti Risonanti Circuiti accopp. e filtraggio

Come si determina la capacità di un condensatore

L'unico modo valido che ci permette di sapere il vero valore della capacità è misurarla (quindi anche al netto della tolleranza).
In commercio esistono dei tester che hanno anche la funzione di misura della capacità.
Lo strumento specifico di misura della capacità è il capacimetro.

I condensatori nello Specifico: la trattazione tipo per tipo

	- Condensatori Elettrolitici in Alluminio
	- Condensatori Elettrolitici in Tantalio
	- Condensatori con Dielettrico Plastico
	- Condensatori Ceramici
	- Condensatori a Carta e Carta Metallizzata
	- Condensatore a Mica
	- Condensatori ad aria

Precauzioni nell'impiego dei condensatori

I condensatori non a caso hanno una tensione massima e, se elettrolitici una polarità.
Cosa succede in caso di errore?
Se superiamo la tensione massima si innesca una scarica attraverso il dielettrico, visto che il condensatore è carico passa, una volta perforato il dielettrico una corrente molto alta, le armature e il dielettrico evaporano e generano all'interno del condensatore del gas ad alta pressione.
Se il gas non trova facile sfogo il condensatore letteralmente esplode.
Nei condensatori elettrolitici di medie-grandi dimensioni sulla parte superiore sono presenti delle incisioni sull'alluminio del contenitore per facilitarne la rottura ed evitare l'espulsione di schegge, su alcuni vi è una valvola di massima pressione (una specie di tappo di plastica) che si apre.
Quando il condensatore esplode di norma fuoriesce del fumo con un odore molto acre e quasi sempre in quelli elettrolitici le armature interne.
In ogni caso è meglio sempre prestare attenzione e in fase di collaudo indossare gli occhiali protettivi.
Comunque ad ogni amante dell'elettronica nella sua vita è successo di far esplodere qualche condensatore.
A parte lo spavento il più delle volte non ci sono grossi danni.