Applicazioni e formule dei condensatori di accoppiamento

Guida pratica all’uso e al dimensionamento dei condensatori di accoppiamento nel settore audio

I condensatori di accoppiamento in alternata (ovvero di disaccoppiamento in continua) permettono il trasferimento del solo segnale alternato, impedendo il trasferimento del segnale continuo. Questi condensatori vengono interposti tra due stadi al fine di evitare che la tensione continua presente su uno stadio possa alterare la polarizzazione dell’altro stadio.

Amplificatore a due stadi con tre condensatori di accoppiamento in alternata

I condensatori di accoppiamento sono utili in molti casi, per esempio:

  • negli amplificatori multistadio a transistori discreti, dove il segnale alternato è sovrapposto ad una tensione continua necessaria per la polarizzazione dello stadio;
  • nei circuiti ad amplificatori operazionali, dove le dissimmetrie dello stadio differenziale d’ingresso determinano la presenza di una tensione continua di sbilanciamento (offset) che si ritrova all’uscita;
  • negli amplificiatori ad alto guadagno dove interessa amplificare la sola componente alternata del segnale.

Questi condensatori formano un filtro passa-alto, caratterizzato da una certa frequenza di taglio al di sotto della quale il filtro opera un’attenuazione di 20 dB per ogni decade di frequenza. La capacità di questi condensatori viene calcolata in modo da garantire che tutta la banda di frequenze del segnale di interesse sia trasferita senza attenuazione.

Frequenza di taglio dei condensatori di accoppiamento

Il funzionamento del condensatore di accoppiamento può essere rappresentato da un filtro passa-alto del primo ordine come quello illustrato in figura, dove \(R_i\) rappresenta la resistenza d’ingresso dello stadio successivo.

Il condensatore di accoppiamento agisce come un filtro passa-alto del primo ordine

Nel caso degli amplificatori a BJT, questa corrisponde approssimativamente(nota) al parallelo dei due resistori che costituiscono il partitore sulla base. Nel caso degli amplificatori operazionali non-invertenti, la resistenza d’ingresso corrisponde al valore del resistore tra morsetto non-invertente e massa, mentre nel caso degli amplificatori operazionali invertenti corrisponde al resistore collegato tra ingresso e morsetto invertente (che è una massa virtuale).

Fig. 3 – Esempi pratici di alcuni circuiti con ingresso accoppiato in alternata

La frequenza di taglio del filtro può essere calcolata come: \[f_c=\frac{1}{2\pi R_iC_c}\] (dove è stata volutamente trascurata, in senso conservativo, la resistenza d’uscita della sorgente).

Alla frequenza di taglio, il segnale risulta già attenuato di circa −3 dB e presenta una rotazione di fase di circa 45° rispetto alle alte frequenze.

Modulo della risposta in frequenza di un filtro passa-alto

Inoltre, quando sono presenti più stadi accoppiati in alternata con più condensatori, questi possono interagire tra loro generando, alla frequenza di taglio, un’attenuazione complessiva ancora maggiore.

Per questi motivi, e anche tenendo conto delle loro tolleranze costruttive (che si aggirano spesso intorno al ±10%), i condensatori di accoppiamento in alternata dovrebbero essere dimensionati affinché la frequenza di taglio del filtro sia molto inferiore rispetto al limite inferiore della banda di frequenza che si desidera trasferire.

Per esempio, se si desidera trasferire un segnale audio che ha una banda di frequenze compresa tra 20 Hz e 20 kHz, allora si potrebbe scegliere una frequenza di taglio di 2 Hz, che è dieci volte minore rispetto al limite inferiore della banda del segnale.

Studiando la funzione di trasferimento del filtro e ricavandone il modulo, otteniamo un’equazione che ci permette di conoscere l’attenuazione introdotta dal filtro al variare della frequenza: \[|A_v|=\frac{1}{\sqrt{1+(2\pi fR_iC_c)^{-2}}}=\frac{1}{\sqrt{1+(f_c/f)^2}}\]

Questa equazione permette di dimostrare che, se scegliamo una frequenza di taglio dieci volte minore rispetto alla minima frequenza del segnale, ovvero se \(f_c/f=1/10\), l’attenuazione vale appena −0,04 dB anziché −3 dB.

Dimensionamento dei condensatori di accoppiamento

La capacità del condensatore di accoppiamento può essere calcolata da: \[C_c\geqslant \frac{1}{2\pi f_cR_i}\] dove \(f_c\) è la frequenza di taglio del filtro passa-alto, che dovrebbe essere molto inferiore rispetto alla minima frequenza del segnale che si intende trasferire, e \(R_i\) è la resistenza d’ingresso dello stadio successivo.

Se si sceglie una frequenza di taglio di 2 Hz, si giunge ad una semplice equazione facile da ricordare: \[{C_c} \geqslant \frac{{80}}{{{R_i}}}\qquad\left| \begin{gathered}
{C_c}{\text{ in microfarad}} \hfill \\
{R_i}{\text{ in chiloohm}} \hfill \\
\end{gathered} \right.\] per cui se la resistenza d’ingresso dello stadio successivo vale, per esempio, 50 kΩ, la capacità del condensatore di accoppiamento dovrebbe essere di almeno 80/50 = 1,6 microfarad. (Si noti che questa equazione non ha alcun significato fisico, ma è utile per un rapido calcolo mnemonico.)

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Autore: bsproj

Appassionato di musica e progettazione elettronica.

17 pensieri riguardo “Applicazioni e formule dei condensatori di accoppiamento”

  1. salve, premetto che sono alle prime armi..devo filtrare un altoparlante 16cm da 150w-4 ohm..essendo un medio-alto, quindi con frequenze tra i 1000 e i 5000 hz, come scelgo il condensatore per ottenere un filtro passa-alto?

  2. Vorrei portare un quesito. Ho costruito un amplificatore classe AB con un classico tda2050, con alimentazione singola. Mi sono avvalso di un condensatore di uscita per il disaccoppiamento. Mi chiedo quali parametri considerare, perché oltre quelli di taglio ci sono in gioco le correnti di spunto, infatti l’integrato si è guastato con un condensatore da 2.2mF, mentre funzionava con uno da 1mF. La Potenza di uscita è di circa 40W. Ci sono degli accorgimenti che consigliate?

    1. Salve Fabio,
      il condensatore per disaccoppiare l’altoparlante è C7 della figura seguente (che deve essere piuttosto grande per trasferire correttamente le basse frequenze).

      http://bsproj.it/wp-content/uploads/2017/02/amplificador-tda-2050-esquema1.png

      Se si riferisce alla rete RC all’uscita (R6, C6), questa ha la funzione di compensare la reattanza del carico, ma non di disaccoppiarlo. In quest’ultimo caso conviene seguire fedelmente le indicazioni del datasheet.

    2. Salve bsproj, grazie per la risposta. Confermo che il condensatore in questione è il C7, come le dicevo è grosso, cioè 2200 uF. Con il 1000 uF andava bene nei test, poi ho cambiato il condensatore portandolo a 2200 uF e dopo poco è andato in corto il tda senza neanche ascoltare musica. Premetto che prima avevo un circuito con tda2030 alimentato a 36 V che ha funzionato egregiamente per 15 anni però aveva una potenza di 20W. Ora il circuito è modificato per funzionare con il tda2050 a 44V e condensatore C7 da 2200uF. Accetto consigli e formule, perché non sono sicuro se si è guastato per il condensatore.

    3. A pag. 7 del datasheet sono indicati i valori raccomandati. È espressamente specificato che non è possibile usare condensatori più grandi di 1000 µF se la tensione d’alimentazione supera i 40 V.
      Questo implica che usando un’alimentazione superiore a 40 V, il circuito andrebbe usato solo con carichi da almeno 8 Ω.

  3. Salve, sto per costruire un effetto a pedale per chitarra, da usare però con un basso. Ho paura che i condensatori di accoppiamento possano mangiarmi troppe frequenza basse. Sullo schema sono da 0,1 uF. Sbaglio a sovradimensionarli un pochino? Tipo 0,22 uF?

    1. Salve Elio,
      la scelta della capacità dipende essenzialmente dall’impedenza di carico, come illustrato nell’articolo. Senza conoscere quest’ultimo parametro non è possibile stabilire il giusto valore di capacità.

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