Un condensatore elettrico è uno degli elementi del circuito elettrico di qualsiasi dispositivo elettronico. La sua funzione principale è quella di immagazzinare energia con successivo rilascio nel circuito. L'industria offre una grande varietà di condensatori con diversi tipi, capacità, dimensioni e applicazioni.
Principio e caratteristiche del condensatore
Un condensatore è costituito da due wafer metallici divisi da un sottile strato dielettrico. Il rapporto tra la dimensione e la disposizione dei rivestimenti e le caratteristiche del materiale dielettrico determina il valore della capacità.
La progettazione di qualsiasi tipo di condensatore è volta a ottenere la massima capacità in relazione alle dimensioni minime per risparmiare spazio sul circuito del dispositivo. Una delle forme più popolari in termini di aspetto è la forma a barile, in cui le coperture metalliche sono attorcigliate insieme con il dielettrico tra di loro. Il primo condensatore, inventato a Leida, nei Paesi Bassi, nel 1745, fu chiamato "vaso di Leida".
Il principio del componente è la capacità di caricare e scaricare. La carica è resa possibile mantenendo gli elettrodi a breve distanza l'uno dall'altro. Le cariche molto distanziate e separate dal dielettrico sono attratte l'una dall'altra e intrappolate sui terminali, e il condensatore stesso immagazzina così energia. Dopo che l'alimentazione è stata spenta, il componente è pronto a rilasciare energia nel circuito, a scaricare.
Parametri e proprietà che determinano prestazioni, qualità e durata
- capacità elettrica;
- capacità specifica;
- tolleranza;
- forza elettrica;
- induttanza intrinseca;
- assorbimento dielettrico;
- perdite;
- stabilità;
- affidabilità.
La capacità di immagazzinare una carica determina la capacità elettrica di un condensatore. Per calcolare la capacità è necessario conoscere
- l'area degli avvolgimenti;
- la distanza tra gli inserti;
- La costante dielettrica del materiale dielettrico.
Per aumentare la capacità, è necessario aumentare l'area degli avvolgimenti, ridurre la distanza tra di loro e utilizzare un dielettrico il cui materiale ha un'alta costante dielettrica.
L'unità di misura utilizzata per la capacità è il Farad (F), dal nome del fisico inglese Michael Faraday. Tuttavia, 1 Farad è un valore troppo grande. Per esempio, la capacità del nostro pianeta è inferiore a 1 Farad. Valori più piccoli sono usati nell'elettronica radio: microfarad (µF, un milionesimo di Farad) e picofarad (pF, un milionesimo di microfarad).
La capacità specifica è calcolata dal rapporto tra capacità e massa dielettrica (volume). Questo è influenzato dalle dimensioni geometriche, e un aumento della capacità specifica si ottiene riducendo il volume del dielettrico, ma questo aumenta il rischio di rottura.
La deviazione ammissibile del valore della capacità di targa dal valore reale determina la classe di precisione. Secondo GOST, ci sono 5 classi di precisione che determinano il futuro utilizzo. I componenti della classe di precisione più alta sono utilizzati nei circuiti ad alta responsabilità.
La resistenza elettrica determina la capacità di mantenere una carica e di conservare le prestazioni. Le cariche immagazzinate sugli avvolgimenti tendono a muoversi l'una verso l'altra mentre agiscono sul dielettrico. La resistenza elettrica è una proprietà importante di un condensatore che determina la durata del suo utilizzo. Il funzionamento improprio porterà alla rottura del dielettrico e al guasto dei componenti.
L'induttanza intrinseca è presa in considerazione nei circuiti AC con bobine di induttanza. Per i circuiti DC non è preso in considerazione.
L'assorbimento dielettrico è la comparsa di tensione sulle bobine durante la scarica rapida. Il fenomeno dell'assorbimento è preso in considerazione per il funzionamento sicuro dei dispositivi elettrici ad alta tensione perché c'è pericolo di vita in caso di corto circuito.
Le perdite sono dovute alla bassa capacità di trasporto di corrente del dielettrico. Quando i componenti elettronici funzionano in diverse condizioni di temperatura e umidità, il fattore di qualità delle perdite ha un effetto. È anche influenzato dalla frequenza di funzionamento. Alle basse frequenze, le perdite dielettriche sono influenzate; alle alte frequenze, le perdite metalliche sono influenzate.
La stabilità è un parametro del condensatore, che è anche influenzato dalla temperatura ambiente. I suoi effetti si dividono in reversibili, caratterizzati da un coefficiente di temperatura, e irreversibili, caratterizzati da un coefficiente di instabilità della temperatura.
L'affidabilità del funzionamento di un condensatore dipende principalmente dalle condizioni di funzionamento. L'analisi dei guasti mostra che i guasti sono responsabili dell'80% di tutti i guasti.
A seconda dell'applicazione, del tipo e dell'area di utilizzo, i condensatori sono dimensionati diversamente. I più piccoli, che vanno da pochi millimetri a pochi centimetri, sono usati nell'elettronica, mentre i più grandi sono usati nell'industria.
Scopo
La proprietà di immagazzinare e rilasciare energia ha determinato l'ampio uso dei condensatori nell'elettronica moderna. Proprio come le resistenze e i transistor, sono la spina dorsale dell'ingegneria elettrica. Non c'è un solo dispositivo moderno che non li utilizzi in qualche modo.
La loro capacità di caricare e scaricare, insieme all'induttanza che ha le stesse proprietà, è usata ampiamente nella tecnologia radiotelevisiva. Il circuito oscillante di condensatore e induttanza è la base per la trasmissione e la ricezione dei segnali. Cambiando la capacità del condensatore è possibile cambiare la frequenza del circuito oscillante. Le stazioni radio, per esempio, possono trasmettere sulle loro frequenze e le radio possono collegarsi a queste frequenze.
Una funzione importante è l'appianamento delle ondulazioni della corrente alternata. Qualsiasi dispositivo elettronico alimentato a corrente alternata ha bisogno di condensatori elettrici di filtraggio per produrre corrente continua di buona qualità.
Il meccanismo di carica e scarica è utilizzato attivamente nell'attrezzatura fotografica. Tutte le macchine fotografiche moderne utilizzano un flash per scattare le foto, che è realizzato con la proprietà della scarica rapida. Le batterie, che sono in grado di immagazzinare energia ma sono lente da scaricare, non sono vantaggiose in questo campo. I condensatori, d'altra parte, rilasciano tutta l'energia immagazzinata istantaneamente, il che è sufficiente per un flash luminoso.
La capacità dei condensatori di generare impulsi ad alta potenza è utilizzata nella radiolocalizzazione e nei laser.
I condensatori svolgono il ruolo di contatti spegni-scintilla nella telegrafia e nella telefonia, così come nella telemeccanica e nell'automazione, dove devono essere commutati relè molto carichi.
La regolazione della tensione di lunghe linee di trasmissione è resa possibile dall'uso di condensatori di compensazione.
I condensatori moderni, grazie alle loro capacità, non sono utilizzati solo nel campo della radio elettronica. Sono utilizzati nella lavorazione dei metalli, nell'industria mineraria e del carbone.
Varietà principali
A causa della diversità delle applicazioni e delle condizioni operative dei dispositivi elettronici, c'è una grande varietà di componenti che differiscono per tipi e caratteristiche. La divisione principale si basa sulle classi e sul tipo di dielettrico utilizzato.
Tipi di condensatori divisi per classe:
- con capacità costante;
- con capacità variabile;
- regolabile.
I componenti a capacità costante sono utilizzati in ogni dispositivo radioelettronico.
I condensatori variabili sono usati per cambiare la capacità e i parametri del circuito, per esempio la frequenza nei circuiti oscillanti. Hanno diverse sezioni di piastre mobili in metallo nella loro costruzione, il che assicura la loro longevità.
I condensatori trimmer sono utilizzati per la regolazione singola dell'apparecchio. Sono disponibili in varie capacità (da pochi picofarad a diverse centinaia di picofarad) e sono progettati per tensioni fino a 60 volt. Senza di loro, non sarebbe possibile alcuna messa a punto delle attrezzature.
Tipi di condensatori, classificati secondo il tipo di dielettrico:
- dielettrico in ceramica;
- con una pellicola dielettrica;
- elettrolitico;
- scambiatori di ioni.
I condensatori ceramici sono fatti sotto forma di una piccola piastra di materiale ceramico su cui sono spruzzati dei terminali metallici. Questi condensatori hanno proprietà diverse e sono utilizzati sia per i circuiti ad alta tensione che per quelli a bassa tensione.
Per i circuiti a bassa tensione, i piccoli componenti multistrato in contenitori di plastica o epossidici con capacità che vanno da decine di picofarad a unità di microfarad sono più comunemente usati. Sono utilizzati in circuiti ad alta frequenza in apparecchiature radioelettroniche e possono funzionare in condizioni climatiche difficili.
Per i circuiti ad alta tensione, sono disponibili condensatori ceramici più grandi con capacità che vanno da decine di picofarad a migliaia di picofarad. Sono utilizzati nei circuiti a impulsi e nelle apparecchiature di conversione della tensione.
I film dielettrici sono di diversi tipi. Il più comune è il lavsan, che è molto resistente. Meno comune è il dielettrico in polipropilene, che ha perdite più basse e viene utilizzato nei circuiti ad alta tensione come i circuiti di amplificazione audio e i circuiti midrange.
Un altro tipo di condensatore a film è il condensatore di avviamento, che viene utilizzato per l'avviamento dei motori e, grazie alla sua alta capacità e al materiale dielettrico speciale, riduce il carico del motore elettrico. Sono caratterizzati da alte tensioni di funzionamento e potenza reattiva elettrica.
I condensatori elettrolitici sono fatti in un design classico. L'involucro è fatto di alluminio e i gusci di metallo a spirale sono disposti all'interno. Una delle coperture è rivestita chimicamente con un ossido di metallo e l'altra con un elettrolita liquido o solido per formare un dielettrico. A causa di questa costruzione i condensatori elettrolitici hanno una capacità elevata, ma la particolarità del loro uso nel tempo è il suo cambiamento nel tempo.
A differenza dei condensatori ceramici e a film, i condensatori elettrolitici hanno polarità. Questi a loro volta si suddividono in non polari, senza questo inconveniente, radiali, miniaturizzati e assiali. I loro campi di applicazione sono il computer tradizionale e la moderna tecnologia dei microcomputer.
Un tipo speciale, apparso relativamente di recente, sono gli scambiatori di ioni. La loro costruzione è simile ai condensatori elettrolitici, ma hanno una capacità elevata (fino a diversi Farad). Tuttavia il loro uso è limitato da una piccola tensione massima di pochi volt. Gli ioni sono utilizzati per immagazzinare la memoria: se la batteria di un telefono cellulare o di un computer in miniatura si esaurisce, le informazioni immagazzinate non saranno irrimediabilmente perse.
Oltre ai componenti in versione pin, che esistono da molto tempo e sono usati tradizionalmente, i componenti moderni sono disponibili in design SMD, o come è anche conosciuto, design a montaggio superficiale. Per esempio, i condensatori ceramici possono essere prodotti in una varietà di dimensioni, dal più piccolo (1 mm per 0,5 mm) al più grande (5,7 mm per 5 mm), e con tensioni corrispondenti che vanno da decine di volt a centinaia di volt.
I condensatori elettrolitici possono anche essere prodotti in alloggiamenti a montaggio superficiale. Questi possono essere condensatori elettrolitici standard in alluminio, o possono essere condensatori al tantalio, che assomigliano un po' ai condensatori ceramici, ma differiscono da questi per la loro capacità più alta e le perdite più basse. Sono disponibili in entrambi i design SMD senza piombo e senza piombo.
I condensatori al tantalio sono caratterizzati da una lunga durata e da perdite minime con un limite di capacità leggermente inferiore, ma sono anche molto costosi. Sono utilizzati in circuiti ad alta responsabilità dove è richiesta un'alta capacità.
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