Un sunto sui condensatori. Esposizione generale del loro principio di funzionamento, il comportamento in corrente continua ed alternata, i modi di collegamento, la deviazione delle caratteristiche reali da quelle teoriche e i vari tipi di costruzione. Formule, figure e tabelle per semplificare la comprensione del testo. Livello di difficoltà minimo, comprensibile a partire da un livello di istruzione secondario pur sprovvisto di specializzazione.

Testo scritto in due parti: prima spiegazione prettamente tecnica, poi dialogo semplificato e comprensibile a tutti.

Percorso logico naturale prevede l’esposizione teorica del principio di funzionamento. Da questo si passa all’esposizione del comportamento del componente in circuiti a corrente continua o alternata. Il classico circuito RC. Le due configurazioni di collegamento (serie - parallelo). Interessante ed opportuno, il circuito reale di un condensatore che permette di valutare le deviazioni dei parametri del condensatore.

Infine esposizione delle diverse tecnologie costruttive e del loro impiego nei circuiti elettronici.

Un condensatore è un componente elettronico dotato di proprietà capacitiva, cioè capace di accumulare cariche ed opporsi alle variazioni di tensione. La sua forma caratteristica evidenzia due facce parallele di materiale conduttore, divise da un materiale dielettrico (o isolante). Le due facce conduttrici (generalmente chiamate armature) presentano una determinata superficie e distanza che ne assegna le proprietà. Il materiale isolante, come vedremo in seguito, è realizzato secondo diverse tecniche, per semplicità di comprensione si può fare riferimento al caso più semplice, quello in cui questo materiale sia l’aria.

Graficamente il componente risulta rappresentato con due tratti di linea paralleli.

Ogni atomo, quindi, si presenterà come un piccolissimo corpo che ha da una parte un eccesso di carica positiva e dall’altra un eccesso di carica negativa. Tutto il dielettrico risulterà dunque in uno stato di tensione elettrica chiamata polarizzazione dielettrica. In altre parole, possiamo dire che, sotto l’effetto di una forza elettrica, l’induzione conseguente polarizza il dielettrico.

Il coefficiente di proporzionalità tra induzione e forza elettrica è chiamato costante dielettrica e caratterizza la natura del dielettrico. Più esattamente definiamo questa come la capacità di un corpo isolante a immagazzinare cariche elettriche.

La costante dielettrica viene simbolicamente rappresentata con la lettera greca e (epsilon) ed è misurata in : farad/metro (F/m). Per il vuoto e praticamente anche per l’aria il suo valore : e ₀ = 8,86*10^-12 (F/m)

Per gli altri isolanti, solidi o liquidi, si preferisce utilizzare anziché il valore assoluto e , troppo complicato, il valore e _r detto costante dielettrica relativa.

e _r = e / e ₀

Nella Tabella 1 vengono riportate le costanti relative di alcuni materiali isolanti.

Il campo elettrico esaminato finora, si ottiene in pratica fra le due lamine metalliche, separate tra di loro da un isolante solido, liquido o gassoso. Un sistema simile è in grado di immagazzinare energia elettrostatica quando viene attraversato da una tensione continua, e prende il nome di condensatore.

Si definisce capacità di un condensatore C, il rapporto tra la carica q e la tensione v presente sulle sue armature: C = q/v (C/V)

Questo parametro esprime l’attitudine di un condensatore ad accumulare cariche elettriche, quindi energia nel suo dielettrico. La sua unità di misura è il Farad (F): un condensatore ha capacità di un farad se applicata una tensione di 1V le sue armature assumono la carica di 1 Coloumb.

Anche una variazione della tensione corrisponde alla variazione della quantità di carica sulle armature, e quindi al fluire di una certa corrente:

dv/dt = 1/C * dq/dt = 1/C * i da cui i= C * dv/dt

Quindi la corrente circolante in un condensatore è proporzionale alla variazione della tensione agente ai suoi capi.

Si può scrivere la stessa formula rispetto la corrente nella forma: v = 1/C * ò idt

Dall’esperienza accumulata si è visto che le grandezze fisiche di costruzione sono legate alla capacità dei condensatori. Questa risulta essere:

• direttamente proporzionale alla superficie affacciata delle armature (S);
• inversamente proporzionale alla distanza (d) tra la armature;
• dipende dalla natura del dielettrico interposto fra tre armature (e _r)

Da cui si può scrivere : C = e _r * S/d (F)

Come si può notare la formula ricorda molto quella della resistenza, anche se con le grandezze invertite di posto.

Un condensatore come si è visto sopra, può essere sfruttato in diverse maniere. Più sotto vedremo come: in corrente continua ha la proprietà di accumulare carica sulle sue armature fino ad interrompere la circolazione della corrente. In corrente alternata si parla di componente reattivo (si oppone alle variazioni di tensione) ed assume diversa reattanza al variare della frequenza (in poche parole, cambia la sua "resistenza" al variare della frequenza).

Il collegamento di più condensatori, a seconda delle esigenze, può essere fatto o in serie o in parallelo, avendo cura di calcolare le opportune variazioni di capacità.

Un condensatore poiché è un componente passivo ad accumulo di energia, se inserito in un circuito alimentato da una corrente costante, una volta che si sarà caricato, non permetterà passaggio di corrente elettrica, poiché il circuito non avrà più una continuità metallica (continuità spezzata dalla presenza del dielettrico). L’accumulo (o la dispersione) di energia non può avvenire istantaneamente, così, i circuiti che contengono questi componenti, anche se alimentati da segnali di tipo continuo, raggiungono il loro comportamento stabile (regime permanente o più semplicemente regime) solo dopo che è trascorso un certo intervallo di tempo (transitorio) dall’applicazione dei segnali. In questo intervallo di tempo la continuità sarà presente e dunque nel circuito scorrerà della corrente. Se infatti applichiamo una forza elettromotrice (f.e.m.) alle armature, si avrà una tensione fra di esse e quindi si produrrà un campo elettrico, al quale corrisponde la formazione di cariche uguali e contrarie sulle armature (carica del condensatore). L’inserimento del generatore ha dunque provocato uno spostamento di cariche: una corrente elettrica.

Se poi inseriamo un carico, o cortocircuitiamo le armature, le cariche andranno a ridisporsi nel circuito in modo omogeneo, dunque un ulteriore passaggio di corrente ma in senso opposto (scarica).

Nel circuito di Figura 2.1 il condensatore risulta inizialmente scarico (interruttori S1 aperto, S2 chiuso). Apriamo dunque l’interruttore S2 e chiudiamo S1 (ipotizziamo che gli scambi avvengano in maniera istantanea): la tensione v_i ai capi del circuito RC passa bruscamente a E. Questo comporta, come previsto, uno spostamento di cariche sulle armature di C. La relazione alla maglia data dal principio di Kirchhoff, istante per istante vale:

E = Ri + v_c = Ri + 1/C * ò idt

La soluzione di questa equazione mediante diversi passaggi piuttosto complicati (ed al momento inutili) porta ed un equazione di tipo esponenziale:

v_c = E*(1 – e^-t/RC)

i = E/R* e^-t/RC

Queste equazioni di tipo esponenziale mostrano come la tensione ai capi di C passerà da 0V ad E con andamento esponenziale; la corrente passerà da E/R (la tensione massima ammessa nel circuito) a 0A sempre con andamento esponenziale quando il condensatore sarà completamente carico.

Il prodotto RC viene anche indicato come t (tau) detta costante di tempo, ed è l’indice con cui l’esponenziale tende al valore finale. La costante tau è direttamente proporzionale a C e R, per cui, maggiore sarà C e maggiore sarà il tempo che impiegherà il condensatore a caricarsi, e maggiore sarà R e minore sarà la corrente di carica.

Proseguendo, se in un secondo istante commutiamo S1 aprendolo, ed S2 chiudendolo, il condensatore comincerà a scaricarsi su R. La tensione sul condensatore tornerà dunque dal valore di carica raggiunto, a 0V , seguendo sempre legge esponenziale. Scorrerà dunque una corrente (in senso inverso a quella di carica), che dipenderà anche questa dal periodo di scarica.

Figura 2.2

2.2 Alternata

Un condensatore in regime sinusoidale si comporta come componente reattivo. La corrente circolante in una capacità C, a cui viene applicata una tensione sinusoidale v_m=V_msenw t , è rappresentata da una sinusoide sfasata di 90° in anticipo sulla tensione:

i=C*dv/dt = C*V_m*dsenw t/dt = w C*V_m*cosw t = w C*V_m*sen(w t + p /2)

Tale notazione può essere espressa anche con la notazione vettoriale o con quella simbolica:

I = w C*V Ð 90° o I = jw CV

L’impedenza di una capacità è quindi espressa mediante un numero immaginario puro, il cui modulo, misurato in ohm, prende il nome di reattanza capacitiva: Xc = 1/w C. Come si può vedere la reattanza dipende dalla pulsazione w , ovvero dalla frequenza, dato che w = 2p f.

Dunque un condensatore si comporta come un circuito aperto (resistenza infinita) quando la f tende a 0 (dunque corrente continua), e come un cortocircuito quando la f tende a infinito (¥ ).

Talvolta per ottenere valori di capacità difficilmente reperibili in commercio, si può utilizzare come espediente quello di collegare più condensatori. Dunque si opta per connessioni di tipo serie o parallelo. La più utilizzata, dato che permette di sommare i valori delle capacità dei singoli condensatori è la connessione serie. Questa connessione oltre che per questo motivo viene anche sfruttata per ottenere dei miglioramenti di tipo secondario (vengono collegate due R parassite in parallelo diminuendo dunque il loro effetto; ecc.).

Due o più condensatori si dicono collegati in serie quando un’armatura del primo è collegata ad una del secondo, la restante armatura è collegata ad un terzo e così di seguito (Figura 2.3a). Ogni condensatore assume la stessa carica q e la tensione totale V, applicata alla serie si ripartisce tra i singoli condensatori in modo inversamente proporzionale alle rispettive capacità.

Se V = Q/C allora:

Q = C1*V1 = C2*V2 = C3*V3 = ….

Quindi arriviamo a :

C = 1/ ( 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + …)

La capacità equivalente è data dal reciproco della somma dei reciproci delle capacità dei condensatori in serie.

Se la serie è costituita da due soli elementi il calcolo sarà:

C = C1*C2/(C1+C2)

Due o più condensatori si dicono collegati in parallelo quando vengono alimentati dalla stessa tensione (Figura 2.3b). Ogni condensatore avrà la carica direttamente proporzionale alla rispettiva capacità. Quindi Q1 = C1*V ; Q2 = C2*V ; …

La carica totale è data dalle somme delle cariche dei condensatori in parallelo : Q = Q1 + Q2 + Q3 + ….

Per cui otteniamo: C = Q/V = (Q1 + Q2 + Q3 + ..)/V = C1 + C2 + C3 + ….

Cioè la capacità equivalente dei condensatori in parallelo è uguale alle somme delle capacità dei singoli elementi.

Finora è stato esaminato quello che è il comportamento di un condensatore ideale. Quando si andrà a lavorare con un vero condensatore, questo non sarà mai perfetto, ed a volte si comporterà in maniera anomala. Un condensatore oltre che possedere una determinata capacità possiede delle componenti parassite che lo rendono un vero e proprio circuito elettrico (Figura 3.1):

• resistenza R’ e induttanza L dei reofori e delle armature poste in serie alla capacità;
• resistenza R" posta in parallelo alla capacità, che tiene conto della conduttività non nulla del dielettrico e, in corrente alternata, delle perdite per isteresi dielettrica.

L’induttanza L è il parametro che limita alle alte frequenze il campo di applicazione del condensatore (salendo in frequenza il condensatore arriva alla risonanza ed oltre arriva addirittura a comportarsi induttivamente).

Tuttavia alle normali frequenze di lavoro l’induttanza può essere trascurata. Per tenere conto delle perdite (sulle R’ e R" viene infatti dissipata potenza) si fa comunemente riferimento ad uno dei due circuiti equivalenti di Fig. 3.2a o 3.2b, dove C è la capacità del condensatore e R_p e R_s tengono conto dell’insieme di tutte le perdite resistive del condensatore. Definiamo tgd il fattore di perdita, che tiene conto dell’incidenza dell’elemento resistivo su quello capacitivo.

Per il circuito equivalente parallelo di Figura 3.2a abbiamo:

tgd = X_c/R_p = 1/(w CR_p)

Più il condensatore si avvicina al caso reale (cioè R_p>> X_c) e più tgd è basso. In Figura 3.2b sono indicate vettorialmente le componenti capacitiva I_c=V/X_c e resistiva I_c=V/X_c della corrente I attraverso il condensatore e l’angolo di perdita d .

Riferendosi al circuito equivalente serie di Figura 3.2c il fattore di perdita tgd dovrà essere tanto più basso quanto più R_s è piccolo rispetto a X_c (cioè quanto più il condensatore si avvicina al caso ideale), per cui:

tgd = R_s/X_c = w CR_s

Dalle prime due equazioni si ricava che

R_s*R_p = 1/(w ²C²)

Il fattore di perdita tgd , normalmente misurato a 1kHz, è molto piccolo (dell’ordine di 10^-2 – 10^-3 nei condensatori non elettrolitici), e quindi tgd @ d ; spesso i due parametri vengono usati uno per l’altro. Qualche volta viene usato il coefficiente di merito Q = 1/ tgd .

Altri parametri di cui occorre tener conto sono:

In commercio esistono diversi tipi di condensatori di cui, a seconda del campo di impiego, materiale e costruzione si possono classificare in diversi modi.

Innanzitutto essi possono essere fissi o variabili a seconda se la loro capacità è costante o modificabile a piacere. Si differenziano anche per il tipo di dielettrico usato, che può essere solido oppure gassoso (aria) o costituito da una pellicola di ossido.

I condensatori variabili sono formati da due sistemi di armature alternate, le une fisse e le altre che possono ruotare in modo che la superficie a cui si trovano affacciate possa essere variata a piacere: in questi casi il dielettrico è quasi sempre aria.

Molti sono i tipi di condensatore a capacità fissa fra questi i più utilizzati sono quelli plastici, ceramici ed elettrolitici.

Condensatori plastici (o a film plastico metallizzato) sono i più usati in bassa frequenza, con valori che variano da 1nF a 1000nF circa. Offrono delle basse perdite e una buona stabilità nel tempo, con la temperatura e con la frequenza. Sono costituiti da un nastro di materiale plastico (policarbonato, polistirolo, poliestere, teflon, ecc.) metallizzato ed avvolto a cartuccia. Con la stessa tecnica sono realizzati i condensatori in carta, il cui dielettrico è costituito da carta impregnata con materiali isolanti.

Questo tipo di condensatori è molto utilizzato a radiofrequenza, per la bassa impedenza parassita che presenta. Ottimi sono quelli a disco per la soppressione dei disturbi. Unica pecca la loro scarsa stabilità, che rende necessario l’utilizzo in condizioni di temperatura e frequenza ben stabilite.

Presentano valori che vanno da 1pF a 100nF. Si suddividono in due classi. I condensatori di Classe II sfruttano una costante dielettrica molto elevata e quindi presentano il vantaggio di dimensioni molto ridotte. Hanno però scarsa stabilità e perdite non trascurabili. Vengo utilizzati di solito come bypass o per disaccoppiamento.

I condensatori di Classe I invece, presentano un coefficiente di temperatura controllato (TC). Questo viene indicato con la lettera P o N, a seconda che sia positivo a negativo, seguito dal valore, che può andare da +100ppm/°C a –1500ppm/°C.

Vengono ampiamente utilizzati in circuiti oscillanti ad alta frequenza o oscillatori, in circuiti in cui il loro coefficiente debba compensare quello di altri componenti (bobine e resistori), in modo da rendere il circuito indipendente dalla temperatura.

Costruttivamente i condensatori ceramici possono essere di vario tipo: a disco, a strato, a multistrato, a tubetto, pin-up, ecc.

Molto utilizzati per le loro elevate capacità (1m F - 100001m F). Il fattore di perdita, misurato di solito a 100Hz, è più alto che negli altri tipi di condensatori (circa 10^-1). Spesso al suo posto viene fornita la resistenza equivalente serie, indicata nei manuali come ESR (=tgd = w C). La tensione di lavoro è più bassa che negli altri tipi e la tolleranza è molto più ampia (fino al 50% del valore nominale). Importante è la corrente di perdita nel dielettrico (dell’ordine di qualche m A).

Esistono in commercio condensatori elettrolitici in alluminio con tensioni di lavoro elevate (400V), al tantalio con tensioni più basse (100V).

Particolare attenzione deve essere posta alla polarità del condensatore, che non deve mai essere invertita. Il piedino contrassegnato con il "+" deve sempre trovarsi al potenziale più alto. In caso di correnti alternatesi possono utilizzare elettrolitici non polarizzati, oppure due polarizzati posti in serie e con polarità invertite.

Come si è potuto notare nelle pagine precedenti, il condensatore un componente all’apparenza semplice da utilizzare, si è rivelato un oggetto complesso e di difficile collocazione nei circuiti. Le attenzioni e la cura da prestare al momento dell’inserimento in un apparecchio di un condensatore, deve essere tanta, poiché a lavoro concluso potrebbero nascere problemi inaspettati. La deviazione dei parametri teorici, e le scarsa capacità di mantenere il proprio valore costante è una delle insidie più pericolose nella quale cascano decine e decine di costruttori e progettisti.

Va però ricordato che tale componente possiede caratteristiche fin troppo interessanti: non si potrebbero costruire timer o temporizzatori se non con l’ausilio del condensatore, classico esempio il circuito con l’operazionale NE555 (time per eccellenza), che necessita proprio di un condensatore per funzionare. Inoltre la sua capacità di opporsi alla tensione continua, e comportarsi come un cortocircuito lo rende indispensabile nei circuiti di disaccoppiamento.

In tantissime applicazioni, anzi azzarderei a dire in tutte, il condensatore viene utilizzato, ed in ogni parte del circuito svolge egregiamente la propria funzione.

L’analisi fin qui effettuata può considerarsi soddisfacente, dato il livello di approfondimento effettuato. Ulteriori informazioni riguardo al componente potrebbero far confondere le idee. Ritengo che quello che c’è scritto basta per porre i lettori in uno stato di completa autonomia nell’utilizzo del componente, ed in una situazione di adeguata preparazione tecnica per affrontare i problemi di natura complessa che potrebbero presentarsi.

Cuniberti E., De Lucchi L., De Stefano B., "Elettronica", Torino, Petrini, 1987.

AA.VV., "Enciclopedia di Elettronica & Informatica", vol. I, Milano, Jackson, 1983.

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