Cosa contengono molti condensatori che aumentano la capacità?
doc-2883
La maggior parte dei tipi di condensatori includono un distanziatore dielettrico, che aumenta la loro capacità. Questi dielettrici sono spesso isolanti. Tuttavia, i dispositivi a bassa capacità sono disponibili con un vuoto tra le loro piastre, il che consente un funzionamento ad altissima tensione e basse perdite. I condensatori variabili con le loro piastre aperte all' atmosfera erano comunemente utilizzati nei circuiti di sintonizzazione radio. I disegni successivi utilizzano dielettrico polimerico tra le piastre mobili e fisse, senza che vi sia spazio significativo tra loro per l' aria.
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doc-2864
Un condensatore (in origine noto come condensatore) è un componente elettrico passivo a due terminali utilizzato per immagazzinare temporaneamente energia elettrica in un campo elettrico. Le forme di condensatori pratici variano molto, ma tutti contengono almeno due conduttori elettrici (piastre) separati da un dielettrico (cioè un isolante in grado di immagazzinare energia polarizzando). I conduttori possono essere film sottili, lamine o microsfere sinterizzate di metallo o elettrolito conduttivo, ecc. Il dielettrico non conduttivo agisce per aumentare la capacità di carica del condensatore. I materiali comunemente usati come dielettrici includono vetro, ceramica, film plastico, aria, vuoto, carta, mica e strati di ossido. I condensatori sono ampiamente utilizzati come parti di circuiti elettrici in molti dispositivi elettrici comuni. A differenza di una resistenza, un condensatore ideale non disperde energia. Invece, un condensatore immagazzina energia sotto forma di campo elettrostatico tra le sue piastre. un condensatore.
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doc-2875
Per i condensatori dielettrici ad aria l' intensità del campo di guasto è dell' ordine da 2 a 5 MV/m; per la mica è da 100 a 300 MV/m; per l' olio da 15 a 25 MV/m; può essere molto inferiore quando si utilizzano altri materiali per il dielettrico. Il dielettrico viene utilizzato in strati molto sottili e quindi la tensione assoluta di rottura dei condensatori è limitata. I valori nominali tipici dei condensatori utilizzati per le applicazioni dell' elettronica generale variano da pochi volt a 1 kV. Con l' aumentare della tensione, il dielettrico deve essere più spesso, rendendo i condensatori ad alta tensione più grandi per capacità rispetto a quelli nominali per tensioni inferiori. La tensione di guasto è influenzata in modo critico da fattori quali la geometria delle parti conduttrici del condensatore; spigoli o punti taglienti aumentano l' intensità del campo elettrico in quel punto e possono portare ad un guasto locale. Una volta che questo comincia ad accadere, il guasto segue rapidamente attraverso il dielettrico fino a raggiungere la piastra opposta, lasciando il carbonio dietro di sé e causando un corto (o relativamente bassa resistenza) circuito. I risultati possono essere esplosivi in quanto il corto circuito del condensatore assorbe corrente dai circuiti circostanti e disperde l' energia.
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doc-2870
Ultimo ma non meno importante, sono stati inventati i condensatori elettrici a doppio strato (oggi Supercondensatori). Nel 1957 H. Becker sviluppò un "condensatore elettrolitico a bassa tensione con elettrodi di carbonio poroso". Credeva che l' energia fosse immagazzinata come carica nei pori di carbonio usati nel suo condensatore come nei pori delle lamelle di condensatori elettrolitici. Poiché il meccanismo a doppio strato non era conosciuto all' epoca, egli scrisse nel brevetto:"Non si sa esattamente cosa stia accadendo nel componente se viene utilizzato per immagazzinare energia, ma porta ad una capacità estremamente elevata".
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doc-2874
I condensatori si discostano in molti modi dall' equazione ideale dei condensatori. Alcuni di questi, come la corrente di dispersione e gli effetti parassiti sono lineari, o si può supporre che siano lineari, e possono essere affrontati aggiungendo componenti virtuali al circuito equivalente del condensatore. Si possono quindi applicare i metodi abituali di analisi della rete. In altri casi, come nel caso della tensione di guasto, l' effetto non è lineare e non è possibile utilizzare l' analisi di rete normale (cioè lineare), l' effetto deve essere trattato separatamente. C' è ancora un altro gruppo, che può essere lineare ma invalida l' ipotesi che la capacità sia una costante. Un esempio del genere è la dipendenza dalla temperatura. Infine, gli effetti parassiti combinati come induttanza intrinseca, resistenza o perdite dielettriche possono presentare un comportamento non uniforme a frequenze di funzionamento variabili.
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doc-2873
L' energia massima è funzione del volume dielettrico, della permittività e della rigidità dielettrica. Cambiare l' area della piastra e la separazione tra le piastre mantenendo lo stesso volume non provoca alcuna variazione della quantità massima di energia che il condensatore può immagazzinare, purché la distanza tra le piastre rimanga molto inferiore sia alla lunghezza che alla larghezza delle piastre. Inoltre, queste equazioni presuppongono che il campo elettrico sia interamente concentrato nel dielettrico tra le piastre. In realtà ci sono campi frange all' esterno del dielettrico, ad esempio tra i lati delle piastre del condensatore, che aumenteranno la capacità effettiva del condensatore. Questo è talvolta chiamato capacità parassita. Per alcune geometrie semplici di condensatori, questo ulteriore termine di capacità può essere calcolato analiticamente. Diventa trascurabilmente piccolo quando i rapporti tra larghezza della lastra e separazione e tra lunghezza e separazione sono grandi.
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doc-2884
Sono disponibili diversi dielettrici solidi, tra cui carta, plastica, vetro, mica e materiali ceramici. La carta è stata ampiamente utilizzata nei dispositivi più vecchi e offre prestazioni di tensione relativamente elevate. Tuttavia, è sensibile all' assorbimento d' acqua ed è stato ampiamente sostituito da condensatori a film plastico. Le materie plastiche offrono una migliore stabilità e prestazioni di invecchiamento che le rendono utili nei circuiti temporizzati, anche se possono essere limitate a basse temperature e frequenze di esercizio. I condensatori ceramici sono generalmente piccoli, economici e utili per le applicazioni ad alta frequenza, anche se la loro capacità varia fortemente con la tensione e invecchiano male. Essi sono ampiamente classificati come dielettrici di classe 1, che hanno una variazione prevedibile della capacità con la temperatura o dielettrici di classe 2, che possono funzionare a tensione superiore. I condensatori di vetro e mica sono estremamente affidabili, stabili e tolleranti alle alte temperature e tensioni, ma sono troppo costosi per la maggior parte delle applicazioni mainstream. I condensatori elettrolitici e i supercondensatori sono utilizzati per immagazzinare piccole e grandi quantità di energia, rispettivamente, i condensatori ceramici sono spesso utilizzati nei risonatori, e la capacità parassita si verifica nei circuiti in cui la semplice struttura conduttore-isolatore-conduttore è formata involontariamente dalla configurazione del layout del circuito.
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doc-2891
La maggior parte dei condensatori ha numeri stampati sul corpo per indicare le loro caratteristiche elettriche. Condensatori più grandi come l' elettrolitica di solito mostrano la capacità reale insieme all' unità (ad esempio, 220 F). I condensatori più piccoli come la ceramica, invece, usano una stenografia composta da tre cifre numeriche e una lettera, dove le cifre indicano la capacità in pF (calcolata come XY × 10Z per le cifre XYZ) e la lettera indica la tolleranza (J, K o M per ±5%, ±10% e ±20% rispettivamente).
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doc-2885
I condensatori elettrolitici utilizzano una piastra in alluminio o tantalio con uno strato di ossido dielettrico. Il secondo elettrodo è un elettrolita liquido, collegato al circuito da un' altra lamina. I condensatori elettrolitici offrono una capacità molto elevata, ma soffrono di tolleranze scarse, alta instabilità, perdita graduale di capacità specialmente se sottoposti a calore e alta corrente di dispersione. I condensatori di qualità scadente possono provocare perdite di elettrolito, dannoso per le schede dei circuiti stampati. La conducibilità dell' elettrolito scende a basse temperature, il che aumenta la resistenza di serie equivalente. Sebbene ampiamente utilizzati per il condizionamento dell' alimentazione, le loro scarse caratteristiche ad alta frequenza li rendono inadatti a molte applicazioni. I condensatori elettrolitici si autodegradano se inutilizzati per un periodo di tempo (circa un anno) e quando viene applicata la piena potenza possono cortocircuitare, danneggiare permanentemente il condensatore e di solito soffiare un fusibile o causare guasti ai diodi raddrizzatori (per esempio, in apparecchiature più vecchie, l' arco nelle valvole raddrizzatrici). Possono essere ripristinati prima dell' uso (e danneggiati) applicando gradualmente la tensione di funzionamento, spesso eseguita su apparecchiature antiche a tubi sottovuoto per un periodo di 30 minuti, utilizzando un trasformatore variabile per alimentare l' alimentazione CA. Sfortunatamente, l' uso di questa tecnica può essere meno soddisfacente per alcune apparecchiature a stato solido, che possono essere danneggiate dal funzionamento al di sotto del suo normale campo di potenza, richiedendo che l' alimentazione sia isolata dai circuiti di consumo. Tali rimedi potrebbero non essere applicabili ai moderni alimentatori ad alta frequenza, in quanto essi producono una tensione di uscita completa anche con un ingresso ridotto.
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doc-2877
La capacità di alcuni condensatori diminuisce con l' invecchiamento del componente. Nei condensatori ceramici, ciò è causato dalla degradazione del dielettrico. Il tipo di dielettrico, le temperature ambiente di esercizio e di stoccaggio sono i fattori di invecchiamento più significativi, mentre la tensione di esercizio ha un effetto minore. Il processo di invecchiamento può essere invertito riscaldando il componente al di sopra del punto Curie. L' invecchiamento è più veloce all' inizio della vita del componente e il dispositivo si stabilizza nel tempo. I condensatori elettrolitici invecchiano quando l' elettrolito evapora. A differenza dei condensatori in ceramica, ciò avviene verso la fine della vita utile del componente.
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doc-2878
I condensatori, in particolare i condensatori ceramici, e le vecchie costruzioni come i condensatori di carta, possono assorbire le onde sonore con conseguente effetto microfonico. La vibrazione sposta le piastre, causando la variazione della capacità, inducendo a sua volta la corrente alternata. Alcuni dielettrici anche generare piezoelettricità. L' interferenza risultante è particolarmente problematica nelle applicazioni audio, causando potenzialmente feedback o registrazioni indesiderate. Nell' effetto microfonico inverso, il campo elettrico variabile tra le piastre condensatori esercita una forza fisica, spostandole come un altoparlante. Questo può generare un suono udibile, ma scarica energia e sollecita il dielettrico e l' eventuale elettrolita.
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