I CONDENSATORI

I condensatori sono dispositivi di immagazzinaggio dell’energia essenziali per i circuiti elettronici analogici e digitali. Sono utilizzati nella temporizzazione, per la creazione e la modellazione delle forme d’onda, per il blocco della corrente continua e l’accoppiamento di segnali in corrente alternata, per il filtraggio e il livellamento e, naturalmente, per l’immagazzinaggio dell’energia. Vista la vasta gamma di impieghi, è emersa una ricca scelta di tipi di condensatori che utilizzano una varietà di materiali a piastre, dielettrici isolanti e forme fisiche. Ognuno di questi tipi di condensatori è destinato a una specifica gamma di applicazioni. L’ampia varietà di opzioni significa che può essere necessario del tempo per trovare la scelta ottimale per un dato progetto in termini di caratteristiche prestazionali, affidabilità, durata, stabilità e costi.

È necessario conoscere le caratteristiche di ciascun tipo di condensatore per poterlo adattare correttamente all’applicazione circuitale prevista. Questa conoscenza deve riguardare le caratteristiche elettriche, fisiche ed economiche dei condensatori.

Questo articolo descriverà i vari tipi di condensatori, le loro caratteristiche e i criteri chiave per la loro selezione. Per illustrare le differenze e gli attributi chiave saranno utilizzati esempi di Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation e AVX Corporation.

Che cos’è un condensatore?

Il condensatore è un dispositivo elettronico che immagazzina energia in un campo elettrico interno. Si tratta di un componente elettronico passivo di base insieme a resistori e induttori. Tutti i condensatori sono costituiti dalla stessa struttura di base, due piastre conduttrici separate da un isolante, detto dielettrico, che può essere polarizzato con l’applicazione di un campo elettrico (Figura 1). La capacità è proporzionale all’area della piastra, A, e inversamente proporzionale alla distanza tra le piastre, d.

Figura 1: Il condensatore di base è costituito da due piastre conduttrici separate da un dielettrico non conduttore che immagazzina energia come regioni polarizzate nel campo elettrico tra le due piastre. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Il primo condensatore fu la bottiglia di Leida, sviluppata nel 1745. Comprendeva un vaso di vetro rivestito di una lamina metallica sulle superfici interna ed esterna ed era originariamente utilizzato per immagazzinare cariche elettriche statiche. Benjamin Franklin ne fece uso per dimostrare che il fulmine era elettricità, è questa divenne una delle prime applicazioni mai registrate.

La capacità del condensatore di base a piastre parallele può essere calcolata con l’equazione 1:

Dove:

 

C è la capacità in Farad

A è la superficie della piastra in metri quadrati

d è la distanza tra le piastre in metri

ε è la permettività del materiale dielettrico

ε è uguale alla permettività relativa del dielettrico, ε_r, moltiplicata per la permettività di un vuoto, ε₀. La permettività relativa, ε_r, è spesso indicata come costante dielettrica, k.

In base all’equazione 1, la capacità è direttamente proporzionale alla costante dielettrica e all’area delle piastre e inversamente proporzionale alla distanza tra le piastre. Per aumentare la capacità, si può aumentare l’area delle piastre e ridurre la distanza tra di esse. Poiché la permettività relativa di un vuoto è 1, e tutti i dielettrici hanno una permettività relativa maggiore di 1, l’inserimento di un dielettrico aumenterà anche la capacità di un condensatore. I condensatori sono generalmente denominati in base al tipo di materiale dielettrico utilizzato (Tabella 1).

Tabella 1: Caratteristiche dei comuni tipi di condensatori, ordinati per materiale dielettrico. (Tabella per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Alcune note sulle voci delle colonne:

• La permettività relativa o costante dielettrica di un condensatore influenza il valore di capacità massimo ottenibile per una data area di piastra e spessore del dielettrico.
• La rigidità dielettrica è una classificazione della resistenza del dielettrico alla tensione di rottura in funzione del suo spessore.
• Lo spessore dielettrico minimo ottenibile influenza la capacità massima realizzabile e la tensione di rottura del condensatore.

Costruzione di condensatori

I condensatori sono disponibili in una varietà di configurazioni di montaggio fisico, incluso il montaggio assiale, radiale e superficiale (Figura 2).

Figura 2: I tipi di montaggio o di configurazione di un condensatore includono il montaggio assiale, radiale e superficiale. Il montaggio superficiale è molto diffuso in questo momento. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

La costruzione assiale si basa su strati alternati di lamina metallica e dielettrico, o su un dielettrico metallizzato su entrambi i lati arrotolato in forma cilindrica. I collegamenti alle piastre conduttrici possono avvenire tramite una linguetta inserita o un cappuccio terminale circolare conduttivo.

Il tipo radiale consiste di solito in strati alternati di metallo e dielettrico. Gli strati di metallo sono collegati alle estremità. Le configurazioni radiale e assiale sono destinate al montaggio a foro passante.

Anche i condensatori a montaggio superficiale si basano su strati conduttivi e dielettrici alternati. Gli strati di metallo a ogni estremità sono collegati da un cappuccio a saldare per il montaggio superficiale.

Modello circuitale di un condensatore

Il modello circuitale di un condensatore comprende tutti e tre gli elementi passivi del circuito (Figura 3).

Figura 3: Il modello circuitale di un condensatore è costituito da elementi capacitivi, induttivi e resistivi. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Il modello circuitale di un condensatore è costituito da un elemento resistivo in serie che rappresenta la resistenza ohmica degli elementi conduttori insieme alla resistenza dielettrica. Questa è chiamata la resistenza equivalente (o efficace) in serie (ESR).

Gli effetti dielettrici si verificano quando vengono applicati i segnali in c.a. al condensatore. Le tensioni c.a. causano la variazione della polarizzazione del dielettrico a ogni ciclo, causando il riscaldamento interno. Il riscaldamento del dielettrico è una funzione del materiale e viene misurato come fattore di dissipazione del dielettrico. Il fattore di dissipazione (DF) è una funzione della capacità del condensatore e della ESR, e può essere calcolato con l’equazione 2:

Dove:

X_C è la reattanza capacitiva in ohm (Ω)

La ESR è la resistenza equivalente in serie (in Ω)

Il fattore di dissipazione dipende dalla frequenza a causa del termine di reattanza capacitiva ed è adimensionale, spesso espresso in percentuale. Un minore fattore di dissipazione si traduce in un minor riscaldamento e quindi in una perdita minore.

Esiste un elemento induttivo in serie, chiamato induttanza equivalente (o efficace) in serie (ESL). Questo valore rappresenta l’induttanza dei conduttori e del percorso conduttivo. L’induttanza e la capacità in serie danno luogo a una risonanza in serie. Al di sotto della frequenza di risonanza in serie, il dispositivo mostra un comportamento principalmente capacitivo, sopra di essa, il dispositivo è più induttivo. Questa induttanza in serie può essere problematica in molte applicazioni ad alta frequenza. I fornitori riducono al minimo l’induttanza utilizzando la struttura a strati mostrata nelle configurazioni dei componenti a montaggio radiale e superficiale.

La resistenza parallela rappresenta la resistenza di isolamento del dielettrico. I valori dei vari componenti del modello dipendono dalla configurazione del condensatore e dai materiali scelti.

Condensatori ceramici

Questi condensatori utilizzano un dielettrico in ceramica. Esistono due classi di condensatori ceramici, Classe 1 e Classe 2. La Classe 1 si basa su materiali ceramici para-elettrici come il biossido di titanio. I condensatori ceramici di questa classe hanno un alto livello di stabilità, un buon coefficiente di capacità di temperatura e una bassa perdita. Grazie alla loro precisione intrinseca, sono utilizzati in oscillatori, filtri e altre applicazioni RF.

I condensatori ceramici di Classe 2 utilizzano un dielettrico ceramico basato su materiali ferroelettrici come il titanato di bario. A causa dell’elevata costante dielettrica di questi materiali, i condensatori ceramici di Classe 2 offrono una capacità superiore per unità di volume, ma hanno una precisione e una stabilità inferiori rispetto ai condensatori di Classe 1. Sono utilizzati per applicazioni di bypass e di accoppiamento dove il valore assoluto della capacità non è cruciale.

GCM1885C2A101JA16 di Murata Electronics è un esempio di condensatore ceramico (Figura 4). Il condensatore a 100 pF di Classe 1 ha una tolleranza del 5%, una tensione nominale di 100 V ed è disponibile in una configurazione a montaggio superficiale. Questo condensatore è destinato all’uso automotive con una temperatura nominale da -55 a +125 °C.

Figura 4: GCM1885C2A101JA16 è un condensatore ceramico di Classe 1, da 100 pF a montaggio superficiale con una tolleranza del 5% e una potenza di 100 V. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

Condensatori a film

I condensatori a film utilizzano come dielettrico un sottile film plastico. Le piastre conduttrici possono essere realizzate sia come strati di lamina che come due sottili strati di metallizzazione, uno su ogni lato del film plastico. La plastica utilizzata per il dielettrico determina le caratteristiche dei condensatori. I condensatori a film sono disponibili in molte forme:

Polipropilene (PP): hanno una tolleranza e una stabilità particolarmente buona con basse ESR ed ESL e alti valori di tensione di rottura. A causa dei limiti di temperatura del dielettrico sono disponibili solo come dispositivi con conduttori. I condensatori in PP trovano applicazione nei circuiti con presenza di alte potenze o alte tensioni come alimentatori a commutazione, circuiti ballast, circuiti di scarica ad alta frequenza e nei sistemi audio in cui i bassi valori di ESR ed ESL sono apprezzati per l’integrità del segnale.

Polietilene tereftalato (PET): chiamati anche condensatori in poliestere o mylar, questi condensatori sono i più efficienti dal punto di vista volumetrico tra i condensatori a film grazie alla loro superiore costante dielettrica. Sono generalmente applicati come dispositivi a terminale radiale e sono utilizzati per applicazioni capacitive di uso generale.

Poliparafenilensolfuro (PPS): questi condensatori sono prodotti solo come dispositivi a film metallizzato. Hanno una stabilità di temperatura particolarmente buona e quindi sono applicati in circuiti che richiedono una buona stabilità di frequenza.

Un condensatore a film in PPS di esempio è il modello ECH-U1H101JX5 di Panasonic Electronics Corporation. Il dispositivo da 100 pF ha una tolleranza del 5%, una tensione nominale di 50 V ed è disponibile in una configurazione a montaggio superficiale. Ha un intervallo della temperatura di funzionamento da -55 a 125 °C ed è destinato ad applicazioni elettroniche generali.

Polietilene naftalato (PEN): come i condensatori in PPS, questi sono disponibili solo come dispositivi a film metallizzato. Hanno un’elevata tolleranza alle temperature e sono disponibili in configurazione a montaggio superficiale. Le applicazioni principali sono quelle che richiedono prestazioni ad alta temperatura e alta tensione.

I condensatori in politetrafluoroetilene (PTFE) o teflon sono noti per la loro elevata tolleranza alle alte temperature e alle alte tensioni. Sono prodotti sia metallizzati che in lamina metallica. I condensatori in PTFE trovano per lo più applicazioni che richiedono l’esposizione ad alte temperature.

Condensatori elettrolitici

I condensatori elettrolitici si distinguono per gli elevati valori di capacità e l’elevata efficienza volumetrica. Questo è il risultato dell’uso di un elettrolita liquido come una delle sue piastre. Un condensatore elettrolitico in alluminio è composto da quattro strati separati: un catodo in lamina di alluminio, un separatore di carta impregnato di elettrolita, un anodo di alluminio trattato chimicamente per formare un sottilissimo strato di ossido di alluminio e infine un altro separatore di carta. Questo assemblaggio viene poi arrotolato e posto in un contenitore metallico sigillato.

I condensatori elettrolitici sono dispositivi polarizzati in corrente continua (c.c.), il che significa che la tensione applicata deve essere applicata ai terminali positivi e negativi specificati. Lo scorretto collegamento del condensatore elettrolitico può provocare un guasto esplosivo, anche se gli involucri sono dotati di diaframmi di scarico della pressione per gestire la reazione e ridurre al minimo il potenziale di danno.

I principali vantaggi del condensatore elettrolitico sono gli alti valori di capacità, le dimensioni compatte e il costo relativamente basso. I valori di capacità hanno un ampio intervallo di tolleranza e correnti di dispersione relativamente elevate. Le applicazioni più comuni per i condensatori elettrolitici sono come condensatori di filtraggio sia negli alimentatori lineari che in quelli a commutazione (Figura 5).

Figura 5: Esempi di condensatori elettrolitici; tutti con una capacità di 10 µF. (Immagine per gentile concessione di Kemet e AVX Corp.)

Facendo riferimento alla Figura 5 e spostandosi da sinistra a destra, ESK106M063AC3FA di Kemet è un condensatore elettrolitico in alluminio da 10 µF, 20%, 63 V, con conduttori radiali. Può funzionare a temperature fino a 85 °C e ha una vita utile di 2.000 ore. È destinato ad applicazioni elettrolitiche per uso generale, comprese le operazioni di filtraggio, disaccoppiamento e bypass.

Un’alternativa al condensatore elettrolitico in alluminio è il condensatore polimerico in alluminio che sostituisce l’elettrolita liquido con un elettrolita polimerico solido. Il condensatore polimerico in alluminio ha una ESR inferiore rispetto all’alluminio elettrolitico e una vita utile più lunga. Come tutti i condensatori elettrolitici, sono polarizzati e trovano applicazione negli alimentatori come condensatori di filtraggio e di disaccoppiamento.

A758BG106M1EDAE070 di Kemet è un condensatore a 10 µF, 25 V, con conduttori radiali, in alluminio polimerico, con una maggiore durata e una maggiore stabilità in un ampio intervallo di temperature. È destinato ad applicazioni industriali e commerciali come i caricabatterie per cellulari e l’elettronica medicale.

I condensatori al tantalio sono un altro tipo di condensatore elettrolitico. In questo caso, uno strato di ossido di tantalio si forma chimicamente sulla lamina di tantalio. La loro efficienza volumetrica è migliore di quella di un alluminio elettrolitico, ma i livelli massimi di tensione sono generalmente più bassi. I condensatori al tantalio sono caratterizzati da una minore ESR e da una maggiore tolleranza alla temperatura rispetto all’alluminio elettrolitico, il che significa che possono resistere meglio al processo di saldatura.

T350E106K016AT di Kemet è un condensatore al tantalio a conduttori radiali da 10 µF, 10%, 16 V. Offre i vantaggi dati dalle piccole dimensioni, basse perdite e basso fattore di dissipazione per applicazioni di filtraggio, bypass, accoppiamento c.a. e temporizzazione.

Il tipo di condensatore elettrolitico finale è quello all’ossido di niobio. Sviluppato durante una carenza di tantalio, il condensatore elettrolitico al niobio sostituisce il tantalio con il niobio e il pentossido di niobio come elettrolita. Grazie alla sua costante dielettrica più elevata, offre una capacità per unità di volume inferiore.

Un esempio di elettrolitico all’ossido di niobio è NOJB106M010RWJ di AVX Corp., un condensatore da 10 µF, 20%, 10 V in configurazione a montaggio superficiale. Come il tantalio elettrolitico, viene utilizzato per applicazioni di filtraggio, accoppiamento c.a. e bypass.

Condensatori in mica

I condensatori in mica (per lo più in argento) sono caratterizzati da una rigida tolleranza di capacità (±1%), un basso coefficiente di temperatura di capacità (tipicamente 50 ppm/°C), un fattore di dissipazione eccezionalmente basso e una bassa variazione di capacità con la tensione applicata. Le rigide tolleranze e l’elevata stabilità li rendono adatti ai circuiti RF. Il dielettrico in mica è argentato su entrambi i lati per fornire le superfici conduttive. La mica è un minerale stabile che non interagisce con i più comuni contaminanti elettronici.

MC12FD101J-F di Cornell Dubilier Electronics è un condensatore da 100 pF, 5%, 500 V in mica in configurazione a montaggio superficiale (Figura 6). Viene utilizzato in applicazioni RF come MRI, radiomobili, amplificatori di potenza e oscillatori. La temperatura di funzionamento nominale è compresa tra -55 e 125 °C.

Figura 6: MC12FD101J-F di Cornell Dubilier Electronics è un condensatore in mica a montaggio superficiale destinato ad applicazioni RF. (Immagine per gentile concessione di Cornell Dubilier Electronics)