Che cos’è un condensatore e come funziona? In che tipo di circuiti elettronici viene impiegato questo prezioso componente? Bentornato (o benvenuto se per te è la prima volta) nella mia scuola di automazione industriale.
Oggi voglio parlarvi dei condensatori, dato che come credo molti di noi già sappiano, alla base dell’automazione industriale ci sono le apparecchiature elettroniche, e senza i condensatori l’elettronica non esisterebbe.
In questa lezione scopriamo com’è fatto il condensatore, come funziona, e dove viene utilizzato nei circuiti elettronici.
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Ecco gli argomenti di questa lezione:
Le caratteristiche di funzionamento del condensatore.
Com’è costruito il condensatore.
La capacità del condensatore e la sua unità di misura.
Utilizzo del condensatore come riserva di energia elettrica.
Utilizzo del condensatore nei circuiti filtro.
Utilizzo del condensatore nei quadri di rifasamento elettrico.
Lo sapevate che nella vostra abitazione ci sono un sacco di condensatori? Per esempio negli alimentatori delle apparecchiature elettroniche, nei televisori, e anche in alcuni elettrodomestici.
Possiamo tranquillamente affermare che i condensatori, così come le resistenze, i transistor e le induttanze, sono tra i componenti più utilizzati nell’elettronica, e senza condensatori il mondo oggi sarebbe molto diverso.
Le caratteristiche di funzionamento del condensatore.
Il condensatore è un componente in grado di immagazzinare energia e all’occorrenza di rilasciarla. Potremmo immaginarlo come un serbatoio che si riempie e poi si svuota, come nell’immagine che segue.
Quando la corrente attraversa il condensatore, essa passa ma una parte di energia viene immagazzinata (si dice che il condensatore si carica).
Quando serve, il condensatore rilascia l’energia immagazzinata, e questo avviene in assenza di alimentazione dello stesso.
Com’è costruito il condensatore.
All’interno del condensatore ci sono due superfici metalliche chiamate armature, separate da uno strato di materiale isolante. Questo materiale isolante ha la funzione di impedire il movimento di cariche elettriche di segno opposto tra le armature, e si chiama dielettrico.
Tra i materiali impiegati per le lamine troviamo metalli come l’alluminio, il tantalio, la carta metallizzata e il carbone attivo.
La bachelite, la formica e la cellulosa sono tra i materiali utilizzati invece per lo strato isolante.
Di condensatori ne esistono di tanti tipi, con forme e colori diversi; i principali sono quelli ceramici, in alluminio, in poliestere ed elettrolitici. Quelli con maggior capacità di carica sono gli elettrolitici e quelli costituiti di sottili film di lamine metalliche, chiamati anche super condensatori.
Ci sono condensatori con valori di capacità fissi, e altri variabili, chiamati varistore.
La capacità del condensatore e la sua unità di misura.
La capacità di immagazzinamento di energia del condensatore si esprime in Farad, e la formula per calcolarla include naturalmente la tensione di lavoro e la grandezza del condensatore stesso, e quindi delle sue lamine di accumulo.
La capacità C è uguale alla carica Q diviso la tensione di lavoro V; la carica Q è espressa in coulomb, e rappresenta l’energia che si accumula sulle lamine del componente.
Su una delle due armature si “ammassano” cariche positive, sull’altra invece cariche negative; la capacità dei condensatori si trova solitamente espressa anche in picofarad, nanofarad e microfarad.
Utilizzo del condensatore come riserva di energia elettrica.
Come accennato, tra gli utilizzi più frequenti del condensatore c’è quello di funzione di “magazzino di energia”.
Quando il componente è alimentato accumula energia, e togliendo l’alimentazione si può far rilasciare questa energia, facendolo funzionare in pratica come una batteria.
Proprio questa somiglianza con le batterie, fa si che l’energia rilasciata dal condensatore sia filtrata, rappresentando quindi una fonte di alimentazione più stabile.
Rispetto alle batterie il condensatore può rilasciare la carica più velocemente, dato che il suo funzionamento non si basa su processi chimici che richiedono tempo per essere attuati come nelle batterie.
Un esempio di applicazione del condensatore come accumulatore di carica è quello del flash delle macchine fotografiche. Questi flash utilizzano tubi allo xeno, e prima dello scatto si carica un condensatore con alcune centinaia di volt.
Premendo il pulsante di scatto della fotocamera il condensatore viene scaricato, alimentando il tubo del flash e facendo scorrere una corrente molto velocemente.
Una volta scaricato, il condensatore richiede qualche secondo prima di essere nuovamente pronto ad alimentare il flash.
Nell’immagine che segue vediamo un circuito del flash di una fotocamera molto semplificato. Notiamo l’alimentazione e una resistenza che determina la corrente che attraverserà il circuito, il condensatore e il bulbo del flash.
Quando l’interruttore è sulla posizione (a) il condensatore si carica, quando si preme il pulsante di scatto l’interruttore mette in collegamento il condensatore con il bulbo (posizione b), determinando l’accensione del flash.
A quel punto è il condensatore ad alimentare il circuito, mentre alimentazione e resistenza sono escluse dallo stesso.
Utilizzo del condensatore nei circuiti filtro.
Quando si parla di filtri c’è quasi sempre di mezzo un condensatore (o più di uno).
Filtri passa basso, passa alto, passa banda; filtri per inverters e così via, sfruttano proprio le caratteristiche di questo componente.
Nella prossima figura vediamo due semplici circuiti di filtro passa basso e passa alto, composti entrambi di soli due componenti: una resistenza e un condensatore.
Parlando di filtri parliamo di corrente alternata, e mentre la resistenza non cambia il suo valore al variare della frequenza, il condensatore invece diminuisce la sua impedenza all’aumentare della frequenza e viceversa.
Nel circuito a sinistra preleviamo la tensione ai capi della resistenza, ad alte frequenze la caduta maggiore sarà proprio sulla resistenza; con frequenze basse invece, sul condensatore avverrà una quota maggiore di caduta di potenziale, riducendo di conseguenza quella che cade sulla resistenza.
Nel filtro passa basso si preleva la tensione sul condensatore, la quale sarà maggiore a frequenze basse, inducendo una caduta di potenziale maggiore.
Per come funziona il condensatore, esso determina una variazione della forma d’onda in ingresso. Nella figura che segue possiamo vedere come questa cambia in uscita, in funzione della frequenza di entrata; in questo esempio partiamo da una forma d’onda quadra.
Nell’immagine sopra notiamo che a basse frequenze in pratica la forma d’onda rimane simile a quella d’entrata, mentre aumentando la frequenza la forma cambia spostandosi verso il triangolo.
Utilizzo del condensatore nei quadri di rifasamento elettrico.
Tra le applicazioni di elettrotecnica i condensatori trovano nell’industria un largo uso nei quadri di rifasamento, i quali permettono di migliorare la resa degli impianti, diminuendo la quota spesa di energia reattiva, e generando quindi una potenza apparente minore.
Ricordiamo che i fornitori di energia applicano delle penali per la quota di energia reattiva utilizzata.
Ecco nella figura che segue due circuiti di rifasamento che impiegano condensatori in configurazione a triangolo e a stella. I condensatori immagazzinano energia reattiva e la rilasciano all’occorrenza, diminuendo la quota di questa prelevata dalla rete.
