Nozioni di base dettagliate sui condensatori

1.Definizione

Un condensatore è un componente elettrico utilizzato per immagazzinare e rilasciare energia in un campo elettrico. Quando viene applicata una tensione ai suoi terminali, si stabilisce un campo elettrico tra i conduttori (piastre), consentendo al condensatore di immagazzinare energia.

 

L'unità di capacità è il farad (F). Nelle applicazioni pratiche, sono più comunemente utilizzate unità più piccole come microfarad (μF), nanofarad (nF) e picofarad (pF).

 

2.Principio di funzionamento

Un condensatore è costituito da due piastre conduttrici separate da un materiale isolante chiamato dielettrico. Quando viene applicata una tensione continua alle piastre, gli elettroni si accumulano su una piastra, conferendole una carica negativa, mentre un numero uguale di elettroni viene rimosso dalla piastra opposta, rendendola carica positivamente.

 

Questa separazione di carica crea un campo elettrico all'interno del dielettrico. Il condensatore immagazzina energia in questo campo elettrico e mantiene la carica finché viene applicata la tensione e non viene fornito alcun percorso di scarica. Quando viene introdotto un percorso conduttivo, l'energia immagazzinata viene rilasciata mentre la corrente scorre attraverso il circuito esterno.

 

3.Capacità

La capacità C di un condensatore dipende dai seguenti fattori:

 

Zona piastraA:Un'area della piastra più ampia si traduce in una capacità maggiore.

 

Spaziatura tra piastred:Una distanza minore tra le piastre aumenta la capacità.

 

Permittivitàε:Il tipo di materiale dielettrico influisce sulla capacità; i materiali con una permettività più elevata producono una capacità più elevata.

 

La relazione è data da:

 

 

Dove:

• Ε è la permettività del materiale dielettrico

 

• A è l'area effettiva delle piastre

 

• d è la distanza tra le piastre

 

4.Unità di capacità

 

L'unità di capacità è il farad (F). Poiché il farad è un'unità molto grande, la maggior parte dei condensatori pratici sono classificati in unità più piccole come picofarad (pF), nanofarad (nF) e microfarad (μF).

La capacità indica la quantità di carica elettrica che un condensatore può immagazzinare per unità di tensione. È definito dalla relazione:

Dove:

 

• Q è la carica immagazzinata,

 

• C è la capacità e

 

• V è la tensione applicata.

 

Pertanto, una capacità maggiore significa che è possibile immagazzinare più carica alla stessa tensione.

 

È importante notare che la capacità non rappresenta di per sé una capacità di carica assoluta; piuttosto, descrive la relazione tra carica e tensione. Per una data capacità, una quantità fissa di carica corrisponde a una variazione proporzionale di tensione.

 

La tensione nominale di un condensatore si riferisce alla tensione massima che può sopportare in sicurezza senza danni. La quantità di carica immagazzinata aumenta sia con la capacità che con la tensione applicata.

 

In generale, i condensatori più grandi (con valori di capacità più elevati) tendono ad avere dimensioni fisiche maggiori e costi più elevati.

 

5.Classificazione dei condensatori

Condensatori polarizzati

I condensatori polarizzati hanno terminali positivo e negativo chiaramente definiti. Devono essere collegati con la polarità corretta; in caso contrario, il collegamento inverso può causare surriscaldamento, perdite o addirittura rotture ed esplosioni.

 

Condensatori elettrolitici liquidi

I condensatori elettrolitici liquidi sono un tipo di condensatore polarizzato. Offrono una capacità relativamente elevata e possono gestire livelli di tensione più elevati, ma in genere sono di dimensioni maggiori, hanno prestazioni ad alta-frequenza limitate e una durata di servizio moderata.

 

Questi condensatori sono ampiamente utilizzati nei circuiti di alimentazione per il filtraggio e il livellamento della tensione.

 

Un esempio comune è il condensatore elettrolitico in alluminio. Viene spesso installato vicino agli alimentatori per fornire accumulo di energia e stabilizzare la tensione.

 

Condensatori elettrolitici-allo stato solido

 

I condensatori al tantalio sono un tipo di condensatore elettrolitico che utilizza il tantalio metallico come anodo e un elettrolita solido. Appartengono alla categoria dei condensatori elettrolitici-allo stato solido.

 

Offrono elevata capacità per unità di volume (dimensioni ridotte), buona stabilità, bassa corrente di dispersione e prestazioni affidabili in un ampio intervallo di temperature.

Tuttavia, in genere hanno valori di tensione inferiori rispetto ad altri tipi di condensatori e sono sensibili alla sovratensione e alla polarità inversa.

 

I condensatori al tantalio sono polarizzati e devono essere collegati con la polarità corretta. Sono comunemente utilizzati in dispositivi elettronici compatti a bassa-tensione per il filtraggio dell'alimentazione, il disaccoppiamento e le applicazioni audio.

 

Ad esempio, i condensatori al tantalio sono ampiamente utilizzati nei telefoni cellulari e si trovano comunemente anche nei computer.

 

Condensatori non-polarizzati

 

Condensatori ceramici

I condensatori ceramici (noti anche come condensatori a disco ceramico) sono componenti non-polarizzati, ovvero non hanno terminali positivi o negativi e possono essere collegati in entrambe le direzioni.

 

Sono caratterizzati da valori di capacità ridotti, valori di tensione elevati, dimensioni compatte ed eccellenti prestazioni ad alta-frequenza. Grazie a queste proprietà, i condensatori ceramici sono ampiamente utilizzati in applicazioni quali disaccoppiamento, filtraggio e accoppiamento di segnali nei circuiti elettronici.

 

6. DimensioniTolleranza

 

I condensatori generalmente hanno tolleranze relativamente ampie rispetto ad altri componenti elettronici.

 

Per i condensatori ceramici, i gradi di tolleranza comuni includono:

 

±5% (J)– tolleranza più stretta

 

±10% (K)– comunemente usato

 

±20% (M)– ampiamente utilizzato

 

+80% / −20% (Z)– Tolleranza molto ampia

 

In pratica:

 

condensatori di livello pF-spesso utilizzano una tolleranza del ±5%.

 

Condensatori di livello nF-in genere utilizzare una tolleranza del ±10%.

 

Condensatori di livello μF-comunemente utilizzare una tolleranza del ±20%.

 

Condensatori elettroliticisono generalmente valutati a ±20% o più

 

I condensatori ad alta-precisione sono usati meno comunemente perché molte applicazioni dei condensatori-come il filtraggio dell'alimentatore e il livellamento della tensione-non richiedono valori di capacità altamente accurati. Piccole deviazioni di solito hanno un impatto minimo sulle prestazioni del circuito.

 

Tuttavia, in applicazioni quali adattamento RF e reti di filtri, potrebbero essere necessarie tolleranze più strette (ad esempio, ±5%) per garantire caratteristiche di frequenza stabili. Anche in questi casi, spesso non è necessaria una precisione estremamente elevata, poiché le tolleranze standard sono sufficienti per mantenere il corretto funzionamento.

 

7. Dimensioni del condensatore

 

Per i condensatori ceramici e al tantalio, il dimensionamento del contenitore segue lo stesso standard utilizzato per i resistori. I componenti più piccoli a montaggio superficiale- utilizzano codici imperiali come 0201, 0402, 0603 e 0805, mentre i pacchetti più grandi possono anche essere espressi in codici metrici come 2520, 3525 e così via.

 

Per i condensatori elettrolitici cilindrici, le dimensioni sono generalmente specificate come diametro × altezza (ad esempio, 6 mm × 11 mm).

 

Nella progettazione dell'hardware, in genere si consiglia di riservare un ingombro leggermente maggiore ai condensatori, ove possibile. Ad esempio, se viene assegnato un ingombro di 6 × 11 mm, la specifica massima tipica potrebbe essere di circa 100 μF, 25 V. Sebbene sia facile sostituire un condensatore più piccolo per ridurre i costi, l'aggiornamento a una capacità significativamente più elevata della stessa dimensione solitamente non è fattibile. Ad esempio, un condensatore da 470 μF, 25 V in genere non può essere prodotto in un contenitore da 6 × 11 mm.

 

La stessa considerazione vale per i condensatori ceramici. Ad esempio, con un contenitore 0805, la specifica massima comunemente disponibile è di circa 22 μF, 6,3 V. Condensatori con capacità più elevata o tensione nominale più elevata sono difficili da ottenere in contenitori di queste dimensioni.