Cosa può succedere ai condensatori utilizzati in applicazioni ad alta corrente?
doc-2897
I condensatori possono fallire in modo catastrofico se sottoposti a tensioni o correnti al di là del loro valore nominale, o quando raggiungono la fine normale della loro vita utile. I guasti dell' interconnessione dielettrica o metallica possono creare archi voltaici che vaporizzano il fluido dielettrico, provocando rigonfiamenti, rotture o persino esplosioni. I condensatori utilizzati in applicazioni RF o ad alta corrente prolungata possono surriscaldarsi, specialmente al centro dei rulli condensatori. I condensatori utilizzati all' interno delle banche di condensatori ad alta energia possono esplodere violentemente quando un corto in un condensatore causa improvvisi scaricamenti di energia accumulata nel resto della banca nell' unità in avaria. I condensatori sottovuoto ad alta tensione possono generare raggi X morbidi anche durante il normale funzionamento. Un adeguato contenimento, fusione e manutenzione preventiva può contribuire a ridurre al minimo questi rischi.
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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-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-2886
Sono disponibili diversi altri tipi di condensatori per applicazioni speciali. I supercondensatori immagazzinano grandi quantità di energia. I supercondensatori realizzati in aerogel di carbonio, nanotubi di carbonio o materiali elettrodi altamente porosi offrono una capacità estremamente elevata (fino a 5 kF nel 2010[aggiornamento]) e possono essere utilizzati in alcune applicazioni al posto delle batterie ricaricabili. I condensatori di corrente alternata sono specificamente progettati per operare su circuiti di alimentazione CA di rete. Sono comunemente utilizzati nei circuiti di motori elettrici e sono spesso progettati per gestire grandi correnti, quindi tendono ad essere fisicamente grandi. Di solito sono confezionati in modo robusto, spesso in casse metalliche che possono essere facilmente collegate a terra o messe a terra. Sono inoltre progettati con tensioni di interruzione in corrente continua pari ad almeno cinque volte la tensione CA massima.
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doc-2892
I condensatori sono collegati in parallelo con i circuiti di alimentazione della maggior parte dei dispositivi elettronici e dei sistemi più grandi (come le fabbriche) per scollegare e nascondere le fluttuazioni di corrente dalla fonte di alimentazione primaria per fornire un' alimentazione "pulita" per i circuiti di segnale o di controllo. Le apparecchiature audio, ad esempio, utilizzano diversi condensatori in questo modo, per scacciare il ronzio della linea di alimentazione prima che entri nel circuito del segnale. I condensatori fungono da riserva locale per la fonte di alimentazione CC e bypassano le correnti CA dall' alimentatore. Questo viene utilizzato in applicazioni car audio, quando un condensatore di irrigidimento compensa l' induttanza e la resistenza dei cavi alla batteria al piombo-acido auto.
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doc-2882
La perdita equivale ad una resistenza in parallelo al condensatore. L' esposizione costante al calore può causare guasti dielettrici e perdite eccessive, un problema che spesso si riscontra nei vecchi circuiti a valvole sottovuoto, in particolare dove sono stati utilizzati condensatori di carta e lamina oliati. In molti circuiti a tubi sottovuoto, i condensatori di accoppiamento interstadio sono utilizzati per condurre un segnale variabile dalla piastra di un tubo al circuito di rete dello stadio successivo. Un condensatore fuoriuscita può causare l' innalzamento della tensione del circuito di rete rispetto alla sua normale impostazione di bias, causando un' eccessiva distorsione di corrente o di segnale nel tubo a valle. Negli amplificatori di potenza questo può causare il rosso incandescente delle piastre o il surriscaldamento delle resistenze di limitazione della corrente, o addirittura il guasto. Considerazioni analoghe valgono per gli amplificatori a transistor, ma a causa della minore produzione di calore e dell' uso di moderne barriere dielettriche in poliestere, questo problema, una volta comune, è diventato relativamente raro.
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doc-2895
Nei motori a gabbia di scoiattolo monofase, l' avvolgimento primario all' interno della carcassa del motore non è in grado di avviare un moto rotatorio sul rotore, ma è in grado di sostenerne uno. Per avviare il motore, un avvolgimento secondario "start" ha un condensatore di avviamento non polarizzato in serie per introdurre un cavo nella corrente sinusoidale. Quando l' avvolgimento secondario (avvio) è posto ad un angolo rispetto all' avvolgimento primario (avvio), si crea un campo elettrico rotante. La forza del campo di rotazione non è costante, ma sufficiente per avviare la filatura del rotore. Quando il rotore si avvicina alla velocità di esercizio, un interruttore centrifugo (o relè sensibile alla corrente in serie con l' avvolgimento principale) scollega il condensatore. Il condensatore di avviamento è generalmente montato lateralmente alla carcassa del motore. Questi sono chiamati motori con avviamento a condensatore, che hanno una coppia di avviamento relativamente elevata. In genere possono avere una coppia di avviamento quattro volte superiore a quella di un motore bifase e sono utilizzati in applicazioni quali compressori, idropulitrici e qualsiasi piccolo dispositivo che richieda coppie di avviamento elevate.
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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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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-2876
La corrente di ripple è il componente AC di una sorgente applicata (spesso un alimentatore) la cui frequenza può essere costante o variabile. La corrente di ripple causa la generazione di calore all' interno del condensatore a causa delle perdite dielettriche causate dalla variazione dell' intensità del campo e dal flusso di corrente attraverso le linee di alimentazione leggermente resistive o l' elettrolito nel condensatore. La resistenza di serie equivalente (ESR) è la quantità di resistenza interna di serie che si aggiungerebbe ad un condensatore perfetto per modellare questo. Alcuni tipi di condensatori, principalmente tantalio e condensatori elettrolitici in alluminio, così come alcuni condensatori a film hanno un valore nominale specificato per la corrente di ripple massima.
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doc-2865
Quando c' è una differenza di potenziale tra i conduttori (ad esempio, quando un condensatore è collegato attraverso una batteria), un campo elettrico si sviluppa attraverso il dielettrico, causando una carica positiva +Q per raccogliere su una piastra e una carica negativa -Q per raccogliere sull' altra piastra. Se una batteria è stata collegata ad un condensatore per un periodo di tempo sufficiente, nessuna corrente può fluire attraverso il condensatore. Tuttavia, se viene applicata una tensione variabile nel tempo attraverso i conduttori del condensatore, può fluire una corrente di spostamento.
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