Il Condensatore

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Il Condensatore

Il condensatore è un componente elettrico che immagazzina l'energia in un campo elettrostatico.
Illustrazione di un condensatore a piastre parallele con un mezzo dielettrico

Nella teoria dei circuiti il condensatore è un componente ideale che può mantenere la carica e l'energia accumulata all'infinito. Nei circuiti in regime sinusoidale permanente la corrente che attraversa un condensatore ideale risulta in anticipo di un quarto di periodo rispetto alla tensione che è applicata ai suoi morsetti.


Cenni storici

Intorno al 1780 Volta, nell'ambito dei suoi studi sull'elettricità, nota che lo scudo carico di un elettroforo perpetuo, appoggiato sulla superficie di alcuni materiali scarsamente conduttori, anziché dissipare la propria elettricità la conserva meglio che isolato in aria. Si convinse che l'afflusso di carica sulla superficie prossima a quella dello scudo richiama carica sulla superficie affacciata di quest'ultimo. Due dischi metallici, delle stesse dimensioni, così che uno può essere sovrapposto all'altro in modo da combaciare perfettamente, compongono quello che Volta stesso chiama "condensatore di elettricità".


Leggi fisiche

Un condensatore (indicato abitualmente con C) è generalmente costituito da una 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. Quindi all'esterno si avrà un campo elettrico pari a zero a causa dei due campi, uno positivo e uno negativo, che hanno per l'appunto stesso modulo ma segno (verso) opposto, mentre all'interno del dispositivo due volte il campo elettrico perché entrambi i campi, sia quello positivo che quello negativo, hanno stesso modulo e stesso verso. L'energia elettrostatica che il condensatore accumula si localizza nel materiale dielettrico che è interposto fra le armature.


Applicazioni

Il condensatore ha molte applicazioni, quasi tutte nei campi dell'elettronica e dell'elettrotecnica.

Applicazioni in elettrotecnica

I condensatori di rifasamento hanno lo scopo di ridurre la reattanza di un bipolo elettrico ed abbassare quindi lo sfasamento fra corrente e tensione alternate (vedi potenza reattiva). A tal fine vengono collegati in parallelo allo stesso, formando un circuito LC accordato sulla frequenza della tensione di alimentazione. Essi possono essere impiegati per bilanciare la reattanza induttiva dei grandi motori elettrici (rifasamento industriale) o per compensare la potenza reattiva circolante sulle reti di trasmissione e di distruzione (rifasamento di rete). Per tali impieghi vengono installati banchi trifase di condensatori, dove ogni fase è formata da più unità capacitive. 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 kVolt. 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 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.

In alcuni condensatori d'epoca, la capacità è indicata in centimetri anziche' in Farad. Questo è dovuto all'utilizzo del Sistema CGS, che prevede appunto la capacità elettrica in cm. In questo caso, la capacità di 1 cm equivale a 1,113 picoFarad.

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.

    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: usati per gestione di segnale, circuiti integratori e in sostituzione ai condensatori a carta e olio per i motori monofase. Sono economici ma hanno poca stabilità in temperatura.

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 alle alte temperature, 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 zone di circuito stampato non utilizzate con aree di uno strato 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 un sottilissimo strato di ossido metallico sulla superficie di una armatura a contatto con una soluzione chimica umida. Vista la esiguità fisica del dielettrico, non possono sopportare tensioni molto alte.

A differenza dei condensatori comuni, la sottigliezza dello strato di ossido consente di ottenere, a parità di dimensioni, capacità molto più elevate. Per contro occorre adottare particolari accorgimenti per conservare l'ossido stesso.

I condensatori elettrolitici più comuni si basano sulla passivazione dell'alluminio, cioè sulla comparsa di una 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 il cedimento dell'isolamento e la possibilità di esplosione del condensatore.

Causa di guasto di tali dispositivi è spesso anche il disseccamento della soluzione chimica.

Per consentire l'utilizzo dei condensatori elettrolitici in corrente alternata si usa connettere due condensatori identici in antiserie, ovvero connessi in serie con la stessa polarità in comune (positivo con positivo o negativo con negativo), lasciando disponibili per la connessione al circuito due terminali della stessa polarità.

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. Questo non rappresenta un limite per la maggior parte delle applicazioni, come il filtraggio dell'alimentazione dopo il raddrizzamento o l'accoppiamento di segnale.

Esistono diversi tipi di condensatori elettrolitici:


    ad alluminio: il dielettrico è costituito da uno strato di ossido di alluminio. 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. Sono compatti ma con elevate perdite. Contengono una soluzione corrosiva e possono esplodere se alimentati con polarità invertita. Nel lungo periodo di tempo, tendono a seccarsi andando fuori uso e costituiscono una delle più frequenti cause di guasto in diversi tipi di apparati elettronici. Ad esempio, tanti iMac G5 prodotti tra il 2005 e il 2006 utilizzavano condensatori di questo tipo, che si guastavano a causa del calore generato dal processore.

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.


    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: simili ai supercondensatori ma basati su un aerogel di carbonio che costituisce un elettrodo di immensa superficie, hanno valori di capacità fino a centinaia di farad.


Compensatore

Un compensatore è un condensatore la cui capacità può essere variata intenzionalmente e ripetutamente entro un intervallo caratteristico. 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 la calibrazione fine del circuito in fabbrica, dopodiché non vengono ulteriormente alterati.

    quelli in cui la variazione di capacità è data dalla variazione di spessore della zona di svuotamento di un diodo a semiconduttore, prodotta dal variare della tensione di polarizzazione inversa. Tutti i diodi presentano questo effetto, ma alcuni, chiamati varicap, sono ottimizzati per questo scopo, con giunzioni ampie e un profilo di drogaggio volto a massimizzarne la capacità.

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 una delle armature 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.

Solitamente può essere regolato da 0 pF al dato di targa; quelli più diffusi in mercato raggiungono capacità molto basse, solitamente tra i 10 pF e gli 80 pF, molto più raramente si trovano quelli con capacità intorno ai 200 pF.


Condensatori per alta tensione

I condensatori per gli impieghi in alta tensione (oltre 1 kV) sono costituiti da "unità capacitive", che vengono collegate in serie ed in parallelo in modo da ottenere la reattanza capacitiva richiesta.

Le unità capacitive sono formate da "elementi capacitivi", a loro volta collegati in parallelo e in serie tra loro. L'elemento capacitivo è un pacco di sottili strati alternati di materiale conduttore (solitamente alluminio) e di isolante (solitamente polipropilene), immersi in un liquido isolante (olio minerale). Ogni pacco è dotato di un fusibile, sottile filo conduttore che interrompe il passaggio di corrente in caso di scarica tra diversi strati conduttori del pacco. L'unità capacitiva è dotata internamente di una resistenza di scarica posta tra i suoi terminali.