I CONDENSATORI VISTI DA VICINO


I condensatori sono fra i componenti più utilizzati nei circuiti elettronici. In funzione della tecnologia costruttiva e degli impieghi specifici, i condensatori si presentano nelle forme più diverse, dai grossi contenitori cilindrici degli elettrolitici da 10.000 e più µF alle minuscole pastiglie dei condensatori ceramici o alla forma a goccia di quelli al tantalio.
Nelle righe che seguono vengono descritte brevemente le caratteristiche elettriche di un condensatore, i tipi di uso più comune e qualche metodo pratico per verificarne l'efficienza.

CHE COS'E' UN CONDENSATORE

Il condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare energia elettrica. Possiamo vederlo praticamente con un semplice esperimento, per cui basta procurarsi una pila da 4,5 V, un condensatore elettrolitico da circa 1000 µF ed un led cui aggiungeremo in serie una resistenza da 100 ohm (figura 1).

un condensatore, una pila, un led con resistenza in serie

carichiamo il condensatore collegandolo alla pila

il condensatore carico farà accendere il led, che si spegnerà gradualmente, man mano che il condensatore si scarica
Figura 1
1- colleghiamo il condensatore alla pila, facendo attenzione alla polarità (il segno "+" del condensatore deve corrispondere al segno "+" della pila); dopo pochi secondi il condensatore si sarà caricato
2- stacchiamo adesso il condensatore carico dalla pila e colleghiamolo al led, facendo attenzione alla giusta polarità dei terminali ed interponendo la resistenza da 100 Ω: per qualche istante il led si illuminerà, come se lo avessimo collegato alla pila, spegnendosi gradualmente man mano che il condensatore si scarica.

La resistenza serve per far scorrere la corrente più lentamente durante la scarica, altrimenti il led farebbe solo un rapido lampo di luce, rischiando anche di bruciarsi.
Usando condensatori di maggiore capacità, il led rimarrà acceso più a lungo.

La quantità di energia che si accumula in un condensatore dipende dalla sua capacità e dalla tensione di lavoro: se indichiamo con Q la quantità di carica, con C la capacità e con V la tensione, vale la formula Q = C x V
Dal punto di vista fisico, un condensatore è costituito da due superfici metalliche (ovvero conduttrici), dette armature, separate da un isolante, che prende il nome di dielettrico; l'isolante può essere anche la semplice aria, il che equivale a dire che le due superfici metalliche si trovano una di fronte all'altra ma senza toccarsi. Quanto più sono estese le due superfici, tanto maggiore è la capacità; analogamente, la capacità è maggiore quanto più le due superfici sono vicine. La capacità dipende poi anche dall'isolante che si trova fra le due superfici: il valore più basso si ha quando c'è solo l'aria; se il dielettrico è costituito da altri materiali, la capacità aumenta in funzione del materiale, secondo una grandezza caratteristica di ciascun materiale, che viene detta "costante dielettrica relativa".
Tale costante si indica col simbolo εr ed è stabilito per convenzione che il suo valore per l'aria sia uguale a 1; se un condensatore le cui armature sono separate dall'aria ha una certa capacità, interponendo al posto dell'aria un dielettrico come la mica, la capacità del condensatore aumenta di circa 5 volte: si dice allora che la costante dielettrica relativa della mica ha valore 5.

Nella pratica i condensatori si realizzano avvolgendo insieme due sottili lamine metalliche, separate da un film plastico dello spessore di alcuni decimi di micron; quando si richiedono capacità molto elevate, invece del film plastico si usa come dielettrico uno strato di ossido, formato direttamente su una superficie metallica, ed un elettrolita come secondo elettrodo. Di seguito sono descritte brevemente le caratteristiche dei condensatori di uso più frequente.

CONDENSATORI ELETTROLITICI

Sono i più comuni. Il valore della capacità e della tensione di lavoro sono in genere stampigliati chiaramente sull'involucro; la precisione dei valori è approssimativa, essendo ammessa una tolleranza di circa ± 20%.

Figura 2: condensatori elettrolitici
Nei condensatori elettrolitici il dielettrico è un sottilissimo strato di ossido, fatto formare direttamente sul metallo (l'alluminio) che fa da armatura e costituisce l'anodo; il tutto è immerso in un elettrolita che, essendo un sale disciolto, risulta conduttore. Il caratteristico involucro metallico di forma cilindrica che fa da contenitore, diventa, ai fini del collegamento elettrico, il terminale negativo ovvero il catodo. Proprio a causa della loro costituzione, i condensatori elettrolitici sono "polarizzati", il che vuol dire che devono necessariamente essere collegati ad una tensione continua, rispettando le polarità, positiva e negativa, indicate sull'involucro. Collegando il condensatore al contrario, esso si distrugge rapidamente e rischia di esplodere. Anche l'applicazione di una tensione superiore a quella di lavoro può causare l'esplosione del condensatore.
Come gli altri tipi di condensatori, gli elettrolitici possono essere di tipo radiale (fig.2: E.rad), con entrambi i terminali che escono dallo stesso lato, adatti ad un montaggio in verticale, oppure di tipo assiale (fig.2: E.ax), con un terminale per lato, adatti al montaggio orizzontale. Una banda laterale indica la polarità di almeno uno degli elettrodi.
Gli elettrolitici sono condensatori di grande capacità, in grado di accumulare notevoli quantità di energia; per tale motivo trovano impiego principalmente negli alimentatori, per il livellamento della tensione e la riduzione del "ripple" (ovvero delle ondulazioni residue).

CONDENSATORI AL TANTALIO

Sono anch'essi dei condensatori polarizzati, ma in essi il dielettrico è costituito da pentossido di tantalio (fig.2: Tant.). Sono superiori ai precedenti come stabilità alla temperatura ed alle frequenze elevate; sono tuttavia più costosi e la loro capacità non raggiunge valori molto elevati. Come i precedenti, devono essere montati in circuito osservando la polarità indicata in prossimità dei terminali.

ALTRI TIPI DI CONDENSATORI

Tranne i condensatori elettrolitici e quelli al tantalio, tutti gli altri condensatori non sono polarizzati, per cui possono essere montati indifferentemente in circuito in un verso o nell'altro, e funzionare anche in assenza di una tensione continua di polarizzazione.

figura 3: altri tipi di condensatori
Esistono tanti tipi di condensatori, realizzati con tecnologie e dielettrici diversi. In figura 3 ne sono illustrati alcuni:
a- radiale in poliestere (mylar)
b- ceramico a disco
c- assiale in polipropilene
d- in poliestere metallizzato

- I condensatori in poliestere vengono prodotti fino a capacità di qualche µF e per tensioni di lavoro fino a 1000 V; sono più adatti per l'impiego in bassa frequenza.
- I condensatori in poliestere metallizzato sono di buona qualità e stabilità rispetto alla temperatura.
- I condensatori in polipropilene consentono valori di capacità più precisi, con tolleranze di circa l' 1%; sono adatti ad un campo di frquenze fino a 100kHz.
- I condensatori con dielettrico in policarbonato si trovano con valori di capacità fino a 10 µF e per tensioni di circa 400 V; presentano una capacità molto costante, per cui possono essere vantaggiosamente utilizzati nei circuiti oscillanti.
- Sempre indicati per l'uso in circuiti oscillanti sono i condensatori in polistirolo, caratterizzati dal valore costante di capacità e reperibili per valori fino ad 1 µF
- I condensatori ceramici sono utilizzati in genere per le alte frequenze. Possono essere del tipo ad elevata costante dielettrica, così da consentire di ottenere alte capacità con ingombro limitato, oppure del tipo a bassa costante dielettrica, caratterizzati dalla capacità stabile e da perdite molto basse; per tale motivo vengono impiegati nei circuiti oscillanti di precisione. In merito all'aspetto, possono presentarsi nella classica forma a disco, o nella vecchia forma di un tubetto con i terminali alle due estremità. I ceramici a disco sono molto usati in parallelo agli elettrolitici, per fugare a massa le alte frequenze.
- I condensatori a mica argentata sono altamente stabili ed hanno un buon coefficiente di temperatura; sono utilizzati per applicazioni di precisione, nei circuiti risonanti, nei filtri di frequenze e negli oscillatori ad alta stabilità.

COME SI DETERMINA LA CAPACITA' DI UN CONDENSATORE
(Quanto segue si riferisce ai condensatori non polarizzati, di capacità compresa fra pochi picofarad e qualche µF; non si applica pertanto ai condensatori elettrolitici classici nè a quelli al tantalio)

Capita abbastanza spesso di trovarsi fra le mani un condensatore di cui non si riesce a leggere il valore, o perchè i caratteri si sono cancellati (cosa che capita spesso), o perchè il valore è indicato con un codice che ci lascia piuttosto dubbiosi; se non vogliamo gettare il condensatore nel cestino, possiamo provare a determinarne noi la capacità. Il metodo più semplice è quello per confronto. Poichè in corrente continua i condensatori rappresentano solo un contatto aperto, per eseguire la misura che ci interessa ci serviremo di una corrente alternata. Occorre procurarsi un qualsiasi trasformatore, anche di piccola potenza, adatto ad essere collegato alla rete 220 V ca, e che dia in uscita una bassa tensione, compresa più o meno fra 8 e 24 V

ATTENZIONE: TUTTA LA PARTE ALTA TENSIONE, DALLA SPINA AL TRASFORMATORE, MORSETTI DI ENTRATA COMPRESI, DEVE ESSERE PERFETTAMENTE ISOLATA - NESSUN PUNTO A TENSIONE DI RETE DEVE RIMANERE SCOPERTO

Il circuito da realizzare è quello di figura 4: sull'uscita del trasformatore collegheremo il condensatore di cui non conosciamo la capacità, e che quindi chiameremo Cx, ed in serie ad esso un secondo condensatore, di cui conosciamo il valore, che useremo come riferimento, e che chiameremo Cr.

figura 4 - misura della tensione su Cr
Con un tester predisposto per la misura di tensioni alternate misureremo la tensione ai capi di Cr; successivamente, spostando il puntale rosso dall'altra parte (figura 5), misureremo la tensione ai capi di Cx.

figura 5 - misura della tensione su Cx
Se le due tensioni sono uguali, vuol dire che i condensatori sono uguali; in caso contrario, dovrete divertirvi a sostituire Cr con condensatori di altro valore, finchè le due tensioni risulteranno uguali.
Dobbiamo ricordare a proposito che i condensatori si comportano con la corrente alternata un pò come le resistenze con la corrente continua; una corrente alternata che attraversa un condensatore, incontra maggiore difficoltà se la capacità del condensatore è piccola, e quindi si determina una maggiore caduta di tensione ai capi del condensatore. Nel fare le vostre misure, tenete presente questo aspetto; se trovate che la tensione ai capi di Cr è maggiore di quella su Cx, dovete provare ad usare un Cr di maggiore capacità.
Ricordate poi che nel caso dei condensatori non è quasi mai necessaria una grande precisione, per cui è sufficiente che troviate due tensioni abbastanza vicine per considerare terminata la misura.
Tanto per fare l'esempio che si vede nelle figure, se trovate 11,9 su Cr e 12,3 su Cx potete ben dichiarare che i due condensatori sono uguali!

DUE PAROLE SUL CONTROLLO DEI CONDENSATORI ELETTROLITICI

Gli elettrolitici sono condensatori di elevata capacità e, per la loro tecnologia costruttiva, sono maggormente soggetti ad alterazioni delle caratteristiche elettriche. Quando si vuole utilizzare un elettrolitico che ha già lavorato in circuito per un certo tempo, o che comunque è piuttosto vecchio, è sempre bene procedere ad un controllo, sia pure veloce, del suo stato di salute.

figura 6 - come va scaricato un condensatore
Prima di procedere a qualsiasi controllo, ricordate sempre di scaricare il condensatore, specialmente se lo avete smontato da una apparecchiatura utilizzata di recente. Il condensatore va scaricato collegando fra i due terminali una resistenza da 2 o più watt, del valore di qualche decina di ohm; non è opportuno mettere in corto i terminali servendosi di un oggetto metallico, poichè, a causa dell'elevato picco di corrente, la scarica istantanea con relativa scintilla potrebbe danneggiare il condensatore.
Indicazioni abbastanza significative sullo stato di un condensatore elettrolitico si possono ottenere in modo semplice: basta collegare per pochi secondi il condensatore ad una tensione un pò più bassa di quella di lavoro (che risulta scritta sull'involucro), sempre facendo attenzione alla giusta polarità. Staccato il condensatore, si misura col tester la tensione sui terminali: tranne una breve discesa iniziale di pochi volt, il valore della tensione immagazzinata tende a conservarsi nel tempo. Per fare un esempio, se si applica al condensatore una tensione di 20 V, procedendo ad una misura dopo vari minuti si trova più o meno una tensione prossima a 18 o 17 V; dopo un'ora, tale tensione sarà scesa a circa 13 V. In teoria, nel caso di un condensatore ideale, la tensione dovrebbe mantenersi indefinitamente al valore applicato durante la carica; nel condensatore reale, tuttavia, la resistenza fra i due elettrodi non è infinita, per cui esiste sempre una corrente di fuga o di dispersione che lentamente determina la scarica del condensatore: maggiore è questa corrente, più velocemente il condensatore si scarica. In ogni caso, se notiamo che il condensatore in prova si scarica dopo pochi secondi, o addirittura non trattiene alcuna carica, possiamo tranquillamente gettarlo senza alcun rimpianto.

CONDENSATORI IN PARALLELO ED IN SERIE


figura 7 - condensatori in parallelo
Se occorre una capacità più alta di quella che ci può offrire un solo condensatore, è possibile usare più condensatori collegati uno di fianco all'altro, e cioè in parallelo; in questo modo la capacità totale equivale alla somma delle singole capacità.
Come si vede in figura 7, affiancando due condensatori da 1µF si ottiene un capacità complessiva di 2µF; aggiungendone un altro da 0,47µF, la capacità totale arriva a 2,47µF.

Maggiormente complicato è invece calcolare la capacità di più condensatori in serie; nel caso più semplice, quando cioè si collegano in serie due condensatori uguali, la capacità risultante è uguale alla metà di quella di ciascun condensatore (figura 8).
Quando i condensatori in serie hanno valori diversi, la capacità risultante (che è sempre più piccola della più bassa fre le capacità dei vari condensatori collegati) si calcola come l'inverso della somma degli inversi delle singole capacità.

figura 8 - condensatori in serie
Facciamo un esempio pratico: abbiamo tre condensatori con capacità di 100pF, 220pF e 470pF;
- l'inverso di 100 è 1:100 = 0,01
- l'inverso di 220 è 1:220 = 0,00455
- l'inverso di 470 è 1:470 = 0,00213
- la somma degli inversi è 0,01+0,0045+0,00213 = 0,01667
- il risultato finale è l'inverso di tale somma, ovvero 1:0,01667 = 59,9768
Si vede quindi che collegando in serie tre condensatori da 100, 220 e 470 pF si ottiene un valore risultante di 59 pF, che è più piccolo del più piccolo fra i tre condensatori collegati (che era 100 pF).








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