Nozioni di base sui condensatori, funzionamento e diversi tipi di condensatori con le loro applicazioni nei circuiti

Condensatori – la parola sembra suggerire l’idea di capacità, che secondo il dizionario significa ‘la capacità di contenere qualcosa’. Questo è esattamente ciò che fa un condensatore: trattiene la carica elettrica. Ma cosa lo rende un componente comune in quasi tutti i circuiti elettronici? Scomponiamo le cose dietro i condensatori per capire cosa fa e come si potrebbe usare in questo articolo.

Che cos’è un condensatore?

Un condensatore nella sua forma più primitiva consiste in due piastre conduttive separate da un mezzo dielettrico. Il termine dielettrico è solo una parola di fantasia per un isolante che può essere polarizzato, cioè formare cariche negative e positive su facce opposte. Quando la tensione è applicata attraverso queste due piastre, la corrente scorre attraverso le piastre conduttrici. Un lato si carica positivamente (mancanza di elettroni) e l’altro lato si carica negativamente (eccesso di elettroni). Abbiamo tutti familiarità con il fatto che le cariche diverse si attraggono, quindi poiché le piastre sono caricate in modo opposto, le cariche sulle piastre si attraggono.

Ricorda che c’è un isolante tra le piastre, quindi le cariche non possono ‘scorrere’ per equalizzarsi a vicenda e sono (idealmente) bloccate in uno stato di attrazione reciproca e rimangono ferme. E questo è il modo in cui i condensatori svolgono la loro funzione più elementare – la ritenzione o l’immagazzinamento della carica.

Simbolo dei condensatori

Siccome i condensatori hanno due piastre metalliche parallele come discusso sopra, il loro simbolo rappresenta un po’ lo stesso. Almeno è facile da disegnare

In un caso pratico, i condensatori non sono più solo due piastre con uno spazio tra di loro, nel caso degli elettrolitici in alluminio le due piastre prendono la forma di un foglio di metallo arrotolato con un distanziatore tra di loro in un tubo.

La seconda serie di simboli sta per condensatori polarizzati, cioè quelli che hanno terminali positivi e negativi definiti dal design interno. L’inversione accidentale di questi terminali risulterà quasi certamente in un guasto spettacolare (specialmente per gli esemplari più grandi), con l’espulsione di pezzi di lamina e metri di carta dal luogo del guasto e il più delle volte con un odore molto cattivo.

Capacità e tensione nominale per un condensatore

I condensatori sono misurati in Farads; il nome deriva dal famoso elettrochimico britannico, Michael Faraday. L’unità di capacità, che sta per Coulomb per Volt. Il Coulomb (pronunciato ‘koo-lom’) è l’unità S.I. per la carica, e un Volt, come sappiamo, è l’unità di tensione o differenza di potenziale. Questo rende il Farad la quantità di carica immagazzinata per Volt di differenza di potenziale. Questo semplice modo di guardare matematicamente a un condensatore si presta a una vasta gamma di interpretazioni, manifestate da un sacco di cose mortalmente complesse di equazioni matematiche come integrali ed esponenti e vettori che noi ingegneri useremo mentre lavoriamo con i condensatori, che è qualcosa che va oltre lo scopo di questo articolo. Tuttavia, ci addentreremo in un po’ di matematica interessante che ci aiuterà a progettare circuiti con i condensatori più avanti nell’articolo

Ovviamente, il Farad (un Coulomb per Volt) è un’unità molto grande per la maggior parte degli scopi pratici (poiché il Coulomb stesso è una quantità piuttosto grande di carica, come forse già sapete), quindi la maggior parte dei condensatori (tranne quelli molto grandi) sono misurati in microfarad, o un milionesimo (0.000001) di un Farad. Supponiamo di avere un condensatore che si legge 25V 10uF (il prefisso ‘u’ sta per micro, è una corruzione del simbolo greco µ (‘mu’) che significa ‘micro’) sul coperchio esterno di plastica. Poiché il condensatore (abbreviato nel mondo elettronico per condensatori) è valutato per 10uF, può contenere una carica di dieci micro coulomb (cioè dieci milionesimi di un Coulomb, 0,000010 C) per volt di tensione attraverso i suoi terminali. Ciò significa che, alla tensione massima di 25V, il condensatore può contenere una carica di 25V x 10uF, che risulta essere 0,000250 Coulombs.

Ricorda che ho detto tensione ‘massima’. La tensione massima è probabilmente la valutazione più importante sul condensatore. Ti dice quanta tensione un condensatore può gestire attraverso i suoi terminali prima che vada KABOOM………!

Funzionamento di un condensatore

Fondamentalmente ciò che sta accadendo all’interno di un condensatore è che l’isolante tra le piastre sta subendo un processo chiamato ‘rottura dielettrica’, cioè l’isolante non può più isolare poiché la tensione attraverso l’isolante è troppo alta perché possa rimanere un isolante. La fisica sottostante è un po’ fuori tema, ma tutto quello che bisogna sapere per capire perché questo accade è che nessun isolante è perfetto, cioè fino a un certo punto. Anche il ponte più forte crolla se viene sovraccaricato. Quello che succede qui è simile. Per ridurre la rottura, si potrebbe aumentare la distanza tra le due piastre, ma questo viene con un compromesso – capacità ridotta, dal momento che le piastre sono più distanti e le cariche non si attraggono tanto quanto fanno quando sono più vicine – molto simile al modo in cui i magneti si comportano.

Una buona regola pratica sarebbe quella di utilizzare tappi classificati per una tensione del 50% superiore a quella che il vostro circuito potrebbe essere previsto a vedere. Questo lascia un ampio margine di sicurezza. Per esempio, se avete bisogno di un condensatore per disaccoppiare (non preoccupatevi, il disaccoppiamento è spiegato più avanti nell’articolo) una linea di alimentazione da 12V, potreste cavarvela usando un condensatore da 16V, ma usare un condensatore da 25V è raccomandato poiché vi dà un ampio margine di sicurezza. Ok, l’hai scoperto! Sì, 25V non è, ovviamente, il 25% più grande di 12V, ma 18V non è un valore standard del condensatore – non ne troverai nessuno con quel valore di tensione. Il più vicino è 25V.

Diversi tipi di condensatori

La ragione delle gamme di tensione di rottura è dovuta al materiale usato come dielettrico, che è anche la base su cui i condensatori sono classificati:

Condensatori elettrolitici all’alluminio

Questi sono probabilmente i tipi più riconoscibili di condensatori. Si presentano in caratteristici barattoli di metallo con una guaina di plastica, con valori di tensione e capacità chiaramente indicati e una banda bianca per indicare il catodo. Il nome deriva dal fatto che, come detto sopra, le ‘piastre’ sono fatte di un foglio di alluminio inciso chimicamente. Il processo di incisione rende l’alluminio poroso (come una spugna) e aumenta notevolmente la sua superficie, aumentando così la capacità. Il dielettrico è un sottile strato di ossido di alluminio. Questi condensatori sono riempiti di olio che agisce come un elettrolita, da cui il nome. I condensatori elettrolitici sono polarizzati a causa della loro costruzione interna. Hanno una grande capacità rispetto ad altri membri della famiglia dei condensatori, ma tensioni molto più basse. Ci si può aspettare di vedere elettrolitici tra 0,1uF a mostri come 100mF e con tensioni nominali di pochi volt a circa 500V. Le loro resistenze interne, comunque, tendono ad essere alte.

Nota a margine: la resistenza interna nei condensatori è dovuta ai materiali di cui il condensatore è fatto – per esempio la resistenza del foglio di alluminio o la resistenza dei cavi.

Condensatori ceramici

Sono condensatori con un dielettrico ceramico. Poiché il limite di rottura del dielettrico ceramico è abbastanza alto, ci si può aspettare di vedere condensatori ceramici con tensioni di rottura pazzesche come 10kV. Tuttavia, la capacità tende ad essere bassa, nell’intervallo di picofarad (0.000000000001F) a poche decine di microfarad. Sono generalmente molto più piccoli di altri tipi di condensatori, come mostrato nell’immagine. Hanno anche resistenze interne molto piccole.

Identificazione dei condensatori ceramici

Il valore di una capacità ceramica non sarà direttamente indicato sul condensatore ceramico. Ci sarà sempre un numero di tre cifre seguito da una variabile; impariamo come identificare il valore usando questi numeri. Consideriamo il seguente condensatore.

Come potete notare, queste tre cifre sono divise in due cifre e la terza è il moltiplicatore. In questo caso 68 è la cifra e 3 è il moltiplicatore. Quindi 68 dovrebbe essere moltiplicato per 10^3. In parole povere è 68 seguito da 3 zeri. Quindi il valore di questo condensatore sarà 68000 pF. Notate che l’unità dovrebbe essere sempre pF. Allo stesso modo un condensatore con il codice 220 significa che è 22 Pico farad, poiché 10^0 è 0.

La tensione nominale del condensatore può essere trovata usando la linea sotto questo codice. Se c’è una linea allora il valore di tensione è 50/100V se non c’è una linea allora è 500V.

I valori di condensatore più comunemente usati insieme alla loro conversione in Pico Farad, Nano Farad e microfarad è dato sotto.

Condensatori a pellicola

Come suggerisce il nome, il dielettrico in questi condensatori è una pellicola di plastica, spesso plastica familiare come mylar e poliestere. Hanno le stesse proprietà dei condensatori ceramici, alte tensioni di rottura (a causa del modo in cui i polimeri plastici si comportano) e basse capacità. L’unica differenza è che tendono ad essere leggermente più grandi anche se superficialmente assomigliano ai condensatori ceramici. La resistenza interna è paragonabile a quella dei condensatori ceramici.

Condensatori al tantalio e al niobio

Questi condensatori rientrano tecnicamente nella categoria dei condensatori elettrolitici. Qui, l’elettrolita è un materiale solido fatto di ossidi di tantalio o niobio. Hanno una resistenza interna molto bassa per una data capacità, tuttavia sono meno immuni alla sovratensione rispetto ad altri tipi (la ceramica è la migliore) e tendono ad andare kaput senza molto preavviso e con un sacco di brutto fumo nero.

Condensatori per scopi speciali

Questi includono condensatori in argento e mica, condensatori X e Y, ecc. I condensatori classificati X e Y, per esempio, sono costruiti per il filtraggio delle linee – costruzione più robusta e valori di tensione più alti, anche capacità basse, per ridurre la corrente che lo attraversa se viene applicata la tensione AC e per limitare l’energia immagazzinata nel condensatore se viene applicata la tensione DC.

Supercondensatori e ultracondensatori

Prendono i condensatori ad un livello completamente nuovo, con capacità ampiamente aumentate, a volte nel range di centinaia di Farad! Questo è possibile grazie ad una chimica intelligente. I supercondensatori e gli ultracondensatori colmano il divario tra i condensatori e le batterie chimiche. Sono disponibili in tensioni molto basse, tuttavia.

E questi sono più o meno tutti i tipi comuni di condensatori che si possono incontrare nel mondo dell’elettronica.

Come si comportano i condensatori nei circuiti

Un primo compito utile sarebbe quello di imparare a calcolare l’energia immagazzinata in un condensatore, che è data dalla formula,

E = 1/2CV2

dove E è l’energia immagazzinata in Joule, C è la capacità in Farad e V è la tensione in Volt. Si noti che questa equazione prende la forma di molte altre equazioni newtoniane per l’energia, un bell’uovo di Pasqua!

Supponendo di avere un condensatore per una tensione di 50V e con una capacità di 1000uF, l’energia immagazzinata a 50V sarebbe:

1/2 * 0.001000F * 50V * 50V

Che si traduce in un misero 1,25J di energia immagazzinata.

Questo rivela un grande svantaggio dei condensatori come dispositivi di stoccaggio di energia – l’energia immagazzinata per una data dimensione è molto bassa, una batteria della stessa dimensione avrebbe almeno mille volte più energia immagazzinata! Tuttavia, i condensatori hanno resistenze interne molto più basse delle batterie chimiche, il che permette loro di scaricare rapidamente tutta l’energia immagazzinata. Cortocircuitare una batteria causerebbe solo un riscaldamento a causa della potenza dissipata dalla resistenza interna, ma cortocircuitare un condensatore creerebbe solo qualche scintilla, poiché tutta la carica viene scaricata in una volta sola senza danni al condensatore.

In secondo luogo, c’è un’altra formula che mette in relazione tensione, corrente e capacità:

I/C = dV/dt

dove I è la corrente fornita al condensatore in ampere, C è la capacità in Farad e dV/dt è il tasso di variazione della tensione attraverso i terminali del condensatore. Pensa a questo in termini di unità – volt al secondo per una data corrente e capacità. Non preoccupatevi della piccola ‘d’, è solo un modo matematico di dire ‘al limite zero’.

Diciamo che avete un alimentatore che sputa fuori una tensione costante di 5V ad una corrente costante di 1mA, poi riorganizzando l’equazione possiamo trovare il tempo necessario per caricare un condensatore da 100uF a 5V:

dt = CdV/I

dt = (0.000100F * 5V)/0.001A

dt = 0,5 secondi

Quindi il condensatore si caricherebbe fino a 5V in 0,5 secondi. (Ricordate che un condensatore può caricarsi solo fino alla tensione massima che gli viene fornita, mai di più, non possono magicamente ‘creare’ tensione)

Questo comportamento prevedibile di un condensatore lo rende molto utile per generare ritardi temporali, per esempio, con un piccolo circuito aggiuntivo. Puoi riorganizzare l’equazione per ottenere il tempo.

Ora per le cose buone – circuiti reali di condensatori!

Comportamento dei condensatori nei circuiti

Cominciamo in modo semplice – i diversi modi in cui i condensatori possono essere collegati insieme. È più o meno come collegare due resistenze – puoi collegarli in serie o in parallelo.

Condensatori in parallelo

La figura sotto mostra tre condensatori collegati in parallelo, con tutti i rispettivi terminali positivi e negativi collegati insieme (assumendo che i condensatori siano polarizzati). La capacità totale di questa disposizione è semplicemente la somma di tutte le capacità di tutti i condensatori nel circuito. Questo ha senso, dal momento che collegare le piastre del condensatore in parallelo aumenta la superficie, aumentando la capacità.

La tensione massima che questo tipo di disposizione può gestire è la tensione del condensatore più piccolo, poiché la tensione è comune a tutti i condensatori.

Un esempio dovrebbe chiarire questo. Supponiamo di avere due condensatori, uno con i valori 25V 470uF e l’altro 35V 1000uF. La capacità totale sarebbe 470uf + 1000uF = 1470uF. Tuttavia, la tensione massima che potreste mettere attraverso questo banco (un gruppo di condensatori collegati insieme può essere chiamato un “banco” di condensatori) sarebbe solo 25V. Se metti qualcosa di più alto attraverso questo banco, volerebbero scintille, dato che superi la tensione massima del condensatore da 25V.

Condensatori in serie

Collegare i condensatori in parallelo è particolarmente utile quando vuoi una grande capacità e hai solo valori piccoli. Mettendo insieme quei condensatori di valore più piccolo in parallelo si otterrà alla fine il valore più grande e si farà il lavoro, assumendo che si stia attenti alla tensione.

Ora mettere i condensatori in serie è un po’ più complicato. La capacità è data dalla formula:

1/Ctotale = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn

Dove C1, C2…Cn sono le capacità di ogni condensatore usato nel circuito.

La tensione che il banco può ora gestire è la somma di tutte le tensioni nominali.

Se ti viene dato un condensatore da 10V 1uF e uno da 50V 10uF, allora la tensione che il banco può gestire in serie è 10V + 50V = 60V. La capacità risulta essere 0,9091uF.

Tensione del condensatore in funzione del tempo

E se volessimo caricare un condensatore? Potremmo semplicemente collegarlo attraverso una fonte di tensione, come nella figura qui sotto. Quello che succederebbe qui è che nel momento in cui la fonte di tensione è collegata, assumendo che il condensatore sia completamente scarico, le cariche corrono ad accumularsi sulle piastre, portando ad un picco di corrente molto grande (in teoria, infinito!) limitato solo dalla resistenza interna del condensatore. Questo non è desiderabile, naturalmente, se la vostra alimentazione è qualcosa come una batteria. Un’idea sensata sarebbe quella di aggiungere una resistenza in serie con il condensatore e la sorgente di tensione per limitare la corrente come in figura, e voilà! Avete qualcosa che gli ingegneri chiamano un circuito RC, ‘R’ per resistenza e ‘C’ per condensatore!

Questo circuito mostra un comportamento interessante. Quando la tensione è collegata al lato del resistore segnato ‘I’, la tensione sul condensatore sale lentamente poiché la corrente è limitata. Il grafico assomiglia a questo:

I più matematicamente inclini dei miei spettatori riconoscerebbero la forma della pendenza – assomiglia a quella della funzione esponenziale!

Ricordate come ho detto che i condensatori possono essere usati per generare ritardi temporali? Questo è un modo per farlo senza una fonte di corrente costante (che ha bisogno di qualche circuito aggiuntivo). Dato che il tempo impiegato per raggiungere una particolare tensione è prevedibile se conosciamo la capacità, la tensione e la resistenza, possiamo creare circuiti a tempo.

Il prodotto di resistenza e capacità, RC, è noto come la costante di tempo del circuito. Questo parametro diventa utile per determinare effettivamente il tempo per raggiungere una data tensione con precisione, come mostrato dal grafico figura qui sotto.

Dal grafico si può vedere che il condensatore raggiunge il 63% della tensione applicata in una costante di tempo, e così via.

Questo è il principio che usa il timer 555 per tutte le stagioni, anche se le equazioni di progettazione sono un po’ diverse.

Un’altra interessante applicazione dei circuiti RC è il filtraggio dei segnali, cioè la rimozione di un segnale elettrico di una frequenza indesiderata da un circuito. Il circuito RC impiega una data quantità di tempo per caricare e scaricare da una sorgente. Se applichiamo un’onda periodica con un periodo di tempo maggiore di RC, allora lo stesso segnale apparirà in uscita con pochissima distorsione. Tuttavia, aumentando la frequenza, il segnale continua a cambiare polarità più velocemente di quanto il circuito possa caricare e scaricare, e alla fine, dopo un certo punto, il segnale svanisce, e tutto ciò che rimane è una DC pulita! Questo è chiamato attenuazione del segnale. Come puoi vedere un circuito RC agisce come un filtro che blocca i segnali AC (anche quelli sovrapposti alla DC, cioè che hanno un offset DC) oltre una certa frequenza. Questo tipo di filtro è chiamato filtro passa-basso, cioè lascia passare le basse frequenze ma non lascia passare le alte frequenze.

Condensatori nei circuiti AC

I condensatori si comportano in un modo interessante quando sono inseriti nei circuiti AC. Possono essere pensati come resistenze dipendenti dalla frequenza, dal punto di vista del segnale. Come visto sopra, il circuito RC blocca tutta la corrente alternata da un segnale, ma cosa succede quando un condensatore è collegato in serie con una sorgente di tensione alternata? L’esatto contrario!

Siccome il condensatore è solo due piastre metalliche separate da un isolante, non lascia passare nessuna corrente continua. Tuttavia, un segnale in corrente alternata ha tensioni che cambiano costantemente, quindi una piastra vede una tensione che cambia e induce la carica opposta sull’altra piastra, come mostrato in figura:

Questo ha l’effetto complessivo di far “passare” corrente attraverso il condensatore a frequenze relativamente alte. L’aggiunta di una resistenza in parallelo con l’uscita crea un filtro passa-alto, cioè un filtro che lascia passare solo le alte frequenze e blocca tutti i segnali DC.

La ‘resistenza AC’, o impedenza, di un condensatore, è data dalla formula:

XC = 1/(2*π*f*C)

dove XC è la reattanza o impedenza capacitiva, f è la frequenza e C è la capacità. Puoi usare questa formula per calcolare la “resistenza” virtuale che un condensatore ha in un circuito AC.

Dove si trovano i condensatori in natura

Ok, questa era abbastanza teoria. Vediamo i molti usi dei condensatori.

Il primo posto dove ci si potrebbe aspettare di vedere i condensatori sono negli alimentatori di tutti i tipi come filtri e per il disaccoppiamento. Agiscono come serbatoi di carica – fornendo corrente rapida quando il carico ne ha bisogno.

Qui ci sono due scatti di oscilloscopio che mostrano l’effetto di non avere e avere un condensatore attraverso i cavi di un alimentatore. Come potete vedere, avere dei condensatori riduce drasticamente il ‘rumore’ sui binari dell’alimentazione, proteggendo così le parti delicate da improvvisi picchi di tensione.

Sono anche chiamati condensatori di ‘disaccoppiamento’, poiché ‘disaccoppiano’ le sezioni del circuito su cui sono montati dall’alimentazione. A volte i cavi di alimentazione su un circuito possono essere abbastanza lunghi e avere un’alta induttanza e resistenza. Questo può portarli a fornire meno corrente del solito. Avere un condensatore alla fine della linea di alimentazione è come avere una piccola “batteria” temporanea attraverso il dispositivo, che fornisce raffiche di corrente quando necessario e si ricarica quando il dispositivo consuma poca corrente.

Puoi usare la formula I/C = dV/dt per calcolare la capacità necessaria a rimuovere la tensione “ripple” dai terminali di alimentazione.

Supponiamo di avere un alimentatore la cui tensione varia da 11.5V a 12V (ripple) ogni 10ms, che è comune nei dispositivi alimentati dalla rete a causa della frequenza di 50Hz, ed è necessario mettere un condensatore attraverso i terminali per appianare la tensione. Se la corrente di carico in questo caso è 1A, allora possiamo riorganizzare la formula in questo modo per trovare la capacità:

(I * dt)/dV

dove I è la corrente di carico, dt è il periodo di tempo del rumore, e dV è la tensione di ondulazione. Sostituendo i valori, troviamo che abbiamo bisogno di una capacità di 20000uF. Ora questo può sembrare molto, ma potreste cavarvela con molto meno. Il valore ottenuto serve solo come linea guida.

Nella vita reale potreste trovare più tipi e valori di condensatori sulle tracce di alimentazione, questo per ridurre il contenuto di rumore su molte frequenze e avere la tensione più uniforme possibile.

Un altro uso dei condensatori sono in filtri complicati come questo:

Ma un filtro più semplice sarebbe il filtro RC, un filtro interessante è descritto qui.

Tutti conoscono la scheda microcontroller Arduino. Uno strumento versatile, ma non vi siete mai chiesti perché le uscite analogiche sputano fuori un segnale PWM digitale? Questo perché sono stati progettati per essere utilizzati con una rete di filtraggio esterna per smussare la tensione PWM ad una tensione veramente analogica. Questo può essere fatto con parti semplici come una resistenza da 1K e un condensatore da 10uF. Provatelo!

Un altro uso, come menzionato sopra, è la temporizzazione. Un semplice oscillatore può essere costruito usando una porta NAND (prova a capire perché le porte AND non funzionano), una resistenza e un condensatore.

Assumendo che inizialmente non ci sia tensione sul condensatore, gli ingressi NAND (che sono legati insieme) vedono quasi 0V, e accendono l’uscita. Il condensatore ora si carica attraverso la resistenza. Quando raggiunge la soglia “alta” del gate, l’uscita diventa bassa e il condensatore si scarica. Questo ciclo continua a produrre un’uscita ad onda quadra con una frequenza dipendente dai valori di R e C.

Infine, un altro uso interessante dei condensatori è l’immagazzinamento di energia.