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In questa guida spieghiamo come funzionano i condensatori e come si utilizzano.
Come Funziona il Condensatore
Se i morsetti di un generatore di tensione costante vengono collegati a due corpi conduttori (armature) separati da un materiale isolante (dielettrico), il morsetto positivo del generatore attira elettroni dall’armatura a cui è collegato (e questa si carica quindi positivamente), mentre l’altra armatura attira un uguale numero di elettroni dal morsetto negativo del generatore (e si carica negativamente) e nel dielettrico si forma un campo elettrico (fig. E1-11a). Le cariche, di uguale entità ma di segno opposto, che si accumulano sulle due armature e quindi la d.d.p. tra di esse e l’energia immagazzinata nel campo elettrico all’interno del dielettrico aumentano man mano che si verifica questo movimento di elettroni, il cui numero decresce gradualmente fino ad annullarsi quando la d.d.p. tra le armature assume un valore uguale a quello della f.e.m. del generatore. Il dispositivo costituito dalle due armature separate dal dielettrico si definisce condensatore e nei circuiti elettrici viene rappresentato con il simbolo riportato in figura E1-11b.
I condensatori una volta caricati se scollegati dalla rete tendono a mantenere nel tempo la carica e quindi l’energia accumulata e il valore di tensione che avevano al momento del distacco. Si può così creare per le persone una situazione di pericolo, che deve essere eliminata mediante un circuito di scarica che provveda a ridurre la tensione ad un valore residuo non superiore a 50 V in un tempo prefissato. Tale dispositivo non elimina l’obbligo di cortocircuitare i morsetti del condensatore tra loro e a terra prima di maneggiarli [si realizza un cortocircuito tra due punti collegandoli con un conduttore avente idealmente resistenza nulla, in tale caso la differenza di potenziale tra i due punti è nulla qualunque sia l’intensità di corrente del collegamento].
Il tempo di carica di un condensatore è pari a 4÷5 volte la costante di tempo τ = RC, prodotto della resistenza dei conduttori che collegano il generatore al condensatore per la sua capacità. Infatti dopo ogni periodo di tempo pari a τ la d.d.p. tra le armature si incrementa sempre di un valore pari al 63% della tensione residua successivamente applicata. Analogamente la scarica del condensatore su di una resistenza, con conseguente annullamento della d.d.p. e dissipazione per effetto Joule dell’energia elettrica immagazzinata, si può considerare praticamente conclusa in un tempo pari a 4÷5 τ. Sperimentalmente si verifica che la quantità di carica q(t) distribuita su ciascuna armatura di un condensatore è proporzionale alla d.d.p. v(t) tra le sue due armature secondo un coefficiente costante: C=q(t)/v(t) .
Tale coefficiente, che è funzione dell’estensione, della forma e della posizione reciproca delle armature e della costante dielettrica
del materiale isolante interposto tra di esse e rappresenta una misura della abilità del condensatore ad immagazzinare cariche elettriche, costituisce una grandezza fisica caratteristica del condensatore denominata capacità, che si misura in farad [F].
Il farad è la capacità di quel condensatore che assume tra i suoi morsetti una d.d.p. di un volt se caricato con 1 coulomb. Dato che la capacità di un farad è una capacità enorme, si utilizzano quasi sempre i suoi sottomultipli.
Nel caso più comune di condensatori con armature piane parallele, di area S sufficientemente estesa e poste ad una distanza δ, molto piccola rispetto alle dimensioni lineari delle armature (fig. E1-11c), la capacità è: C = ε S/δ .
Quando si applica una d.d.p. ad un condensatore si ha circolazione di corrente tra generatore e armature, ma non nel condensatore, in quanto gli elettroni non riescono a passare da una armatura all’altra per la qualità di isolante del materiale dielettrico interposto. Le cariche elementari presenti negli atomi dei materiali dielettrici sono infatti reciprocamente vincolate in maniera tale che la forza derivante da un campo elettrico esterno può solo determinarne un leggero scorrimento conseguente alla deformazione delle orbite elettroniche (fenomeno della polarizzazione). Solo nel caso in cui il campo elettrico assuma una intensità tale da superare la resistenza offerta da detti vincoli (cioè la rigidità dielettrica del materiale isolante) si verifica una scarica disruptiva di corrente nel dielettrico, che determina la distruzione del condensatore. Dato che la corrente di spostamento attraverso il dielettrico, corrisponde alla variazione di accumulo di cariche sulle armature del condensatore, la relazione costitutiva tensione-corrente dei condensatori è
da cui si deduce
cioè la tensione ai capi di un condensatore nel generico istante t è uguale alla somma della tensione V(t0) nell’istante considerato iniziale e della variazione prodotta dalla corrente da tale istante fino all’istante generico t. Il condensatore è quindi un elemento circuitale con memoria, che, se alimentato con tensione continua costante, si comporta a regime come un circuito aperto.
L’energia elettrostatica, immagazzinata in un condensatore e localizzata nel materiale dielettrico interposto fra le armature, è pari al lavoro fatto per caricarlo. Per muovere un elemento di carica dq(t)=i(t)dt da una piastra all’altra sotto l’azione della differenza di potenziale v(t), il lavoro necessario è dw=v(t)i(t)dt.
Se in un dato intervallo di tempo si aumenta la tensione applicata ai morsetti di un condensatore ideale, nel suo campo elettrico viene immagazzinata l’energia
che rimane disponibile allo stato di energia potenziale del campo e viene restituita quando la tensione diminuisce. Tale energia dipende quindi dalla capacità del condensatore e dai valori assunti dalla d.d.p. tra i suoi morsetti negli istanti estremi dell’intervallo; pertanto se all’istante iniziale il condensatore è scarico l’energia immagazzinata vale
Il condensatore è quindi un elemento reattivo, perché può restituire al circuito in cui è inserito l’energia che in precedenza aveva ricevuto, ed è passivo perché l’energia restituita non può eccedere quella precedentemente fornitagli. I condensatori hanno molte applicazioni nei campi dell’elettrotecnica e dell’elettronica. Sono usati, oltre che per immagazzinare energia, per rifasare i carichi induttivi, per consentire l’avviamento dei motori asincroni monofasi, per bloccare correnti continue, per filtrare, ecc. 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 molte migliaia di volt. In generale, maggiore è la tensione e la capacità, maggiori sono le dimensioni, il peso ed il costo del condensatore. In funzione della tecnologia costruttiva e degli impieghi specifici, i condensatori si presentano nelle forme più diverse, dai grossi contenitori cilindrici dei condensatori elettrolitici alle minuscole pastiglie dei condensatori ceramici o alla forma a goccia di quelli al tantalio.
Tipologie Condensatori
I condensatori, in base al tipo di dielettrico (che può essere liquido, solido o gassoso), sono classificati in
Condensatori ceramici (fig. E1-12): hanno in generale piccole dimensioni e vengono utilizzati di preferenza nella tecnica delle alte frequenze. Presentano diverse caratteristiche a seconda del tipo di materiale ceramico [vetro: altamente stabili ed affidabili; carta impregnata di olio: per l’avviamento di motori elettrici e il rifasamento; mylar: per gestione di segnale, circuiti integratori ecc.; mica argentata: per applicazioni di precisione, nei circuiti risonanti, nei filtri di frequenze e negli oscillatori ad alta stabilità, ideali per applicazioni radio].
Condensatori elettrolitici (con armature di alluminio o di tantalio – fig. E1-13). In tali condensatori, che sono i più comuni ed hanno un elevatissimo valore di capacità per unità di volume rispetto a tutti gli altri tipi, l’isolamento è dovuto alla formazione di uno sottilissimo strato di ossido metallico, dello stesso materiale dell’armatura (dell’ordine di 0,001µm) e con elevata costante dielettrica, sulla superficie dell’armatura che costituisce l’anodo. Il catodo è costituito da un secondo elettrodo metallico che, nella maggior parte dei casi, coincide con il caratteristico involucro metallico di forma cilindrica che fa da contenitore. Tra armatura positiva (anodo) e armatura negativa (catodo) viene interposto un elettrolita (fluido elettricamente conduttore di solito costituito da una soluzione salina) con il compito di assicurare la permanenza dello strato di ossido sull’armatura positiva. La sottigliezza dello strato di ossido consente di ottenere molta più capacità in poco spazio, per contro il condensatore non può sopportare tensioni molto alte e per conservare l’ossido stesso è necessario rispettare una precisa polarità nella tensione applicata, altrimenti se il condensatore viene collegato al circuito con le polarità invertite l’isolamento cede e si ha distruzione del condensatore. Tra i diversi tipi di condensatori elettrolitici, che trovano impiego principalmente negli alimentatori, per il livellamento della tensione e la riduzione del ripple, quelli ad ossido di alluminio sono compatti ma con elevate perdite; quelli supercondensatori e ultracondensatori presentano capacità estremamente elevate fino rispettivamente a decine e centinaia di farad.
Condensatori variabili. Una applicazione tipica di tali condensatori si ha nei circuiti di sintonia delle radio, dove la capacità è variata mediante cambiamento meccanico della distanza tra le armature o della superficie sovrapposta delle armature. Un’altra applicazione si ha nei microfoni a condensatore, dove una membrana, che costituisce un’armatura, è posta in vibrazione dai suoni e la conseguente variazione di distanza dall’armatura fissa provoca una variazione di capacità e quindi di tensione ai capi del condensatore. In campo industriale i condensatori variabili sono usati in alcuni sensori di pressione, nei sensori di prossimità capacitivi e in alcuni sensori di livello di liquidi in cisterne.
Condensatori ad aria: altamente resistenti agli archi ma non consentono capacità elevate. I condensatori variabili più grandi sono di questo tipo, ideale nei circuiti risonanti delle antenne. Il posizionamento del condensatore deve prevedere lo spazio necessario per la dissipazione termica del componente e se necessario si deve provvedere con circolazione di aria forzata mediante ventilazione.
Prezzi Condensatori
Per concludere mettiamo a disposizione una lista dei condensatori più venduti online.
Ultimo aggiornamento 2025-05-15 / Link di affiliazione / Immagini da Amazon Product Advertising API