Condensatori: cenni generali, applicazioni nel settore audio e caratteristiche dei dielettrici

Funzionamento e costruzione

Insieme ai resistori, i condensatori sono i componenti passivi più largamente impiegati nelle costruzioni elettroniche. Un condensatore è costituito da due armature conduttive parallele e ravvicinate, isolate da un materiale isolante detto dielettrico.

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Fig. 1 – Schema fondamentale di un condensatore

Grazie alla sua conformazione, il condensatore è in grado di accumulare energia in un campo elettrostatico. La quantità di energia accumulabile da un condensatore è proporzionale alla sua capacità (espressa in farad, F). Quest’ultima, è proporzionale alla superficie delle armature, è inversamente proporzionale alla loro distanza, e dipende anche dalla natura del dielettrico interposto tra le armature.

Inoltre, lo spessore ed il tipo di dielettrico fissano un limite per la massima differenza di potenziale presente tra le armature, ovvero la massima tensione applicabile al condensatore. Superando il limite della rigidità dielettrica, si ha infatti la rottura del dielettrico e il rilascio di corrente elettrica tra le armature, con conseguente danneggiamento del dispositivo. Per questo motivo, sui condensatori commerciali è riportato il massimo valore di tensione (oppure la tensione di lavoro) applicabile al condensatore affinché non si verifichi la rottura del dielettrico.

Per ridurre le dimensioni dei condensatori commerciali, specie se di elevata capacità, è necessario ricorrere a particolari geometrie costruttive che consentono di racchiudere armature di grandi superfici in spazi molto contenuti.

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Fig. 2 – Struttura multi-strato e a lamine arrotolate (vista in sezione)

Tuttavia, nella realizzazione pratica, i condensatori reali differiscono dai condensatori ideali per alcuni aspetti, generalmente indesiderati. Due parametri caratteristici dei condensatori reali sono la resistenza equivalente in serie (ESR) e l’induttanza equivalente in serie (ESL). Il primo, è assibilabile ad una resistenza connessa in serie ad un condensatore ideale, mentre il secondo ad un’induttanza collegata allo stesso modo.

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Fig. 3 – Modelli equivalenti per ESR ed ESL

Questi due parametri hanno l’effetto di aumentare indebitamente l’impedenza del condensatore all’aumentare della frequenza, e dipendono dalla costruzione del condensatore.

Inoltre, la non idealità dei materiali dielettrici posizionati tra le armature, così come le caratteristiche dei materiali plastici impiegati per la realizzazione del contenitore esterno, contribuiscono a rendere imperfetto l’isolamento tra le armature, che può essere immaginato come una resistenza di elevato valore in parallelo al condensatore ideale.

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Fig. 4 – Modello equivalente per la resistenza d’isolamento

Questa resistenza ha l’effetto di produrre una certa corrente di perdita, che rappresenta un problema specialmente quando la differenza di potenziale tra le armature è notevole in quanto tende ad aumentare la dissipazione di calore del dispositivo (questo fenomeno è indicato dai produttori mediante il fattore di dissipazione). In definitiva, un condensatore reale può essere quindi rappresentato da un circuito equivalente come quello in figura.

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Fig. 5 – Modello equivalente di un condensatore reale

Dipendentemente dal tipo di dielettrico e dalla geometria di costruzione impiegati, è possibile ottenere valori di capacità compresi indicativamente tra alcuni picofarad e centinaia di millifarad. I valori più facilmente reperibili sono quelli normalizzati secondo la serie E12, indicati in tabella. Tuttavia, sono reperibili (seppur con maggiore difficoltà) anche i valori normalizzati secondo la serie E24

11 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82

Tab. 1 – Valori normalizzati della serie E12

10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30
33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91

Tab. 2 – Valori normalizzati della serie E24

A causa dei processi costruttivi e delle limitazioni imposte dai materiali usati, ogni condensatore è affetto da una certa tolleranza, che esprime il massimo scostamento percentuale della capacità effettiva rispetto a quella nominale. Valori comuni di tolleranza vanno dal ±5% al ±20% per i tipi più diffusi, mentre sono disponibili condensatori a tolleranza del ±2% o inferiore per applicazioni di precisione. La tolleranza viene indicata dal costruttore numericamente o attraverso un codice alfabetico stampato sul condensatore (i valori più bassi sono espressi come variazione relativa in capacità piuttosto che in percentuale).

Codice Tolleranza
C ±0,25 pF
D ±0,5 pF
F ±1%
G ±2%
J ±5%
K ±10%
M ±20%
Z -20%/+80%

Tab. 3 – Codice alfabetico per le tolleranze

La tipologia del dielettrico impiegato, così come la costruzione del condensatore, sono alla base delle caratteristiche di ciascun dispositivo; sta quindi al progettista scegliere il condensatore più adatto per la data applicazione, considerando che non esiste il “condensatore ideale”.

Tipologie di dielettrici e loro caratteristiche

La tabella seguente mostra una comparazione delle principali caratteristiche dei più comuni dielettrici commercialmente impiegati nella costruzione dei condensatori. I valori indicati sono da considerarsi indicativi, in quanto soggetti anche a variazioni dipendenti dalle case costruttrici.

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Tab. 4 – Comparazione dei principali dielettrici (fonte: AVX)

In particolare, la resistenza d’isolamento (colonna VII) è approssimata all’ordine di grandezza, e varia in funzione dalla capacità del condensatore. La valutazione della risposta in frequenza (colonna IX) è espressa in una scala relativa da 1 a 10, e dipende essenzialmente dall’influenza dei parametri ESR ed ESL, cosi come la frequenza per una variazione del ±10% della capacità effettiva (colonna X) che indica la massima frequenza ove si ha una variazione apparente del ±10% della capacità nominale del condensatore.

Valori più accurati dei parametri sopra indicati, insieme alle misure effettive di ESR ed ESL, possono essere ricavati nei fogli tecnici (datasheet) che i principali costruttori rilasciano per ogni modello di condensatore.

Condensatori ceramici

Molto diffusi, specialmente per le applicazioni ad alta frequenza, sono i dielettrici a base ceramica come i condensatori ceramici a disco, i condensatori ceramici multistrato ed i condensatori ceramici NP0. I primi, prodotti con capacità fino all’ordine del microfarad, hanno generalmente tolleranza elevata (fino al ±20%) e scarsa stabilità termica, aspetti che ne precludono l’utilizzo in circuiti che richiedano stabilità o precisione.

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Fig. 6 – Alcuni condensatori ceramici

Al contrario, i dispositivi denominati NP0 sono prodotti per valori di capacità più modesti, ma hanno coefficiente termico nullo e tolleranze inferiori, unitamente ad un basso fattore di dissipazione. Sono quindi scelti per assicurare miglior stabilità e precisione.

Grazie alle loro contenute ESR ed ESL, rispettivamente intorno ai 10 mΩ e ai 500 pH, i condensatori ceramici risultano largamente impiegati in circuiti ad alta frequenza e costituiscono la scelta per eccellenza del bypass delle alimentazioni nei circuiti che lo richiedono. Per quest’applicazione sono generalmente impiegati dispositivi con capacità comprese tra i 10 nF e i 100 nF, di tipo a disco o multistrato dal momento che non è richiesta particolare stabilità. I produttori di circuiti integrati raccomandano il loro utilizzo nelle immediate vicinanze del circuito integrato interessato al bypass.

Un aspetto indesiderato dei condensatori ceramici è il loro modesto comportamento piezoelettrico. Infatti, se sollecitati fisicamente da urti o vibrazioni, sono capaci di produrre una piccola tensione di rumore.

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Fig. 7 – Segnale prodotto per effetto piezoelettrico da un condensatore ceramico multistrato da 1 µF percosso violentemente

L’effetto è praticamente molto contenuto, e proporzionale alla capacità del condensatore stesso. Questo pone alcuni limiti nel loro utilizzo in circuiti che operano con segnali di basso livello in ambienti soggetti a forti vibrazioni, mentre non costituisce alcun problema pratico se usati per il bypass delle alimentazioni.

Condensatori a film plastico

Nei condensatori a film plastico, il dielettrico è costituito da un polimero sintetico. Le armature possono essere realizzate da due sottili lamine metalliche isolate da fogli di dielettrico, oppure metallizzando direttamente la superficie del dielettrico mediante opportuni processi chimico-fisici. In questo caso, un codice fornisce le informazioni a riguardo del tipo di dielettrico impiegato e della tipologia di armature.

Codice Dielettrico e costruzione
MKT Film di poliestere metallizzato
MKP Film di polipropilene metallizzato
MKC Film di policarbonato metallizzato
KT Film di poliestere
KP Film di polipropilene
KS Film di polistirene

Tab. 5 – Sigle di alcuni dielettrici plastici

I dispositivi metallizzati forniscono generalmente maggiore stabilità termica rispetto agli equivalenti dispositivi a foglio, in quanto la struttura più compatta è meno soggetta a dilatazione termica. I condensatori a dielettrico plastico sono realizzati secondo varie geometrie, e sono disponibili sia in forma assiale che tangenziale, a seconda che i terminali siano rispettivamente sullo stesso asse, o paralleli.

Molto diffusi sono i condensatori a film di poliestere contraddistinti dalla sigla MKT o KT (o MKS, usata dal produttore Wima). In questo caso, il dielettrico impiegato è il polietilene tereftalato, un polimero sintetico altresì conosciuto col nome commerciale di Mylar o PET.

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Fig. 8 – Condensatori a film di poliestere

Questi dispositivi raggiungono valori di capacità di alcune decine di microfarad, tolleranze di circa il ±5% o inferiori e tensioni di lavoro fino a qualche chilovolt. Trovano vasta applicazione nei circuiti a bassa e media frequenza, come condensatori di accoppiamento e per la realizzazione di filtri e temporizzatori. Possiedono correnti di perdita contenute e buona stabilità termica (specie per i modelli a film metallizzato).

I condensatori a film di polipropilene, contraddistinti dalle sigle MKP e KP, presentano correnti di perdita inferiori rispetto agli equivalenti dispositivi al poliestere, e sono pertanto largamente impiegati come condensatori di filtro per la tensione di rete ed in circuiti ad alta frequenza. Sono disponibili versioni a bassa tolleranza (±0,5%) per applicazioni di precisione, e offrono una buona stabilità termica. Inoltre, sono prodotti anche con geometria antinduttiva per ridurne la ESL.

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Fig. 9 – Condensatori a film di polipropilene

I condensatori a film di policarbonato presentano caratteristiche simili agli equivalenti al polipropilene, mentre i condensatori a film di polistirene (o polistirolo) forniscono ottime un ottimo isolamento (generalmente superiore al polipropilene ed al policarbonato) unitamente alla possibilità di ottenere ridotte tolleranze (anche del ±0,5%).

Condensatori elettrolitici

Nel caso dei condensatori elettrolitici, il dielettrico viene ottenuto ricoprendo un’armatura metallica (anodo) con uno strato di ossido dello spessore di pochi µm. L’altra armatura (catodo) è costituita da un elettrolita liquido o solido fortemente conduttore. Questi condensatori sono di tipo polarizzato, ed il dielettrico viene rigenerato continuamente durante il funzionamento del condensatore. Questo causa, però, una certa corrente di perdita.

Molto diffusi sono i condensatori elettrolitici in alluminio, che possono raggiungere capacità molto elevate, ma con tolleranze considerevoli (tipicamente comprese tra il -20% e il +100%). Grazie agli elevati valori di capacità raggiungibili, questi condensatori trovano largo impiego negli alimentatori per il livellamento delle tensioni pulsanti. Tuttavia, a causa della loro costruzione, questi condensatori presentano ESR ed ESL significative che li rendono poco adatti alle applicazioni ad alta frequenza. Esistono modelli a bassa ESR che trovano applicazione negli alimentatori a commutazione (switching). Anche questi dispositivi sono prodotti in forma tangenziale o assiale. La versione con terminali snap-in permette l’inserimento a scatto sul circuito stampato, facilitando le operazioni di saldatura senza richiedere il taglio dei terminali.

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Fig. 10 – Condensatori elettrolitici in alluminio

Generalmente, i condensatori elettrolitici in alluminio possono sopportare per brevi periodi tensioni inverse di circa -1 V. Se prolungata e di maggior entità, la polarizzazione inversa può causare il danneggiamento e l’esplosione del condensatore. A questo proposito, esistono condensatori elettrolitici elettrolitici non polarizzati, che possono essere realizzati collegando due condensatori polarizzati in antiserie.

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Fig. 11 – Collegameni in antiserie (le due alternative sono equivalenti)

I condensatori elettrolitici al tantalio sono più piccoli dei rispettivi condensatori in alluminio, sono polarizzati e la loro forma più diffusa è quella a goccia. A differenza dei condensatori elettrolitici in alluminio, presentano una migliore risposta alle alte frequenze per via delle loro ESR ed ESL solitamente più contenute, ma risultano assai sensibili alle inversioni di polarità che portano spesso alla rottura del dielettrico con possibile esplosione o cortocircuito del condensatore. Anche transitori di tensioni elevate possono danneggiare rapidamente il condensatore.

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Fig. 12 – Condensatori al tantalio

I condensatori elettrolitici al tantalio umido (wet tantalum), di forma tipicamente assiale, hanno avuto la maggior diffusione verso gli anni ’70. Progettati originariamente su specifiche militari (MIL-STD-39006), sono caratterizzati da migliori prestazioni rispetto ai comuni condensatori al tantalio, dovute in particolar modo alle loro perdite molto contenute e all’ottima risposta in frequenza. Per questi motivi, questi condensatori sono talvolta impiegati in applicazioni critiche come il livellamento delle tensioni pulsanti in alcuni alimentatori a commutazione.

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Fig. 13 – Condensatori elettrolitici al tantalio umido

Inoltre possono tollerare piccole tensioni inverse (fino a circa -1,5 V) senza danneggiarsi. Alcuni tra i maggiori produttori (Vishay) producono tuttora alcune serie di questi dispositivi per applicazioni ad alte prestazioni.

Altri dielettrici

Nonostante siano disponibili solo per modesti valori di capacità, i condensatori a mica e a vetro multistrato sono in grado di fornire un’elevatissima stabilità termica, basse tolleranze (±0,5%) e grandi resistenze d’isolamento. Pertanto, questi condensatori trovano larga applicazione nei circuiti ad alta frequenza dove sia richiesta stabilità e precisione. I condensatori a vetro multistrato sono impiegati per applicazioni militari ad alta affidabilità dove sia richiesta insensibilità alle radiazioni nucleari.

Quando l’elevata rigidità dielettrica e l’economicità sono preferiti alle altre caratteristiche si fa uso dei condensatori a carta in olio (paper in oil, PIO), dove il dielettrico è costituito da un nastro di carta impregnato in olio minerale o di ricino. Questi condensatori, diffusi in passato, hanno il vantaggio di risultare relativamente economici alla produzione e resistenti alle alte tensioni, aspetti che li rendono utili nel rifasamento dei motori. D’altro canto, presentano tipicamente ESR ed ESL considerevoli, unitamente ad una scarsa resistenza d’isolamento che può peggiorare nel tempo a causa della tendenza della carta ad assorbire umidità. Vengono generalmente prodotti con amplie tolleranze (±10%; ±20%) dal momento che, per costituzione, non sono in grado di garantire una buona stabilità termica.

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Autore: bsproj

Appassionato di musica e progettazione elettronica.

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