Che tipo di componenti si possono aggiungere al circuito equivalente di un condensatore per far fronte agli effetti di dispersione di corrente e parassiti?
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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-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-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-2872
La corrente I (t) che attraversa qualsiasi componente di un circuito elettrico è definita come la velocità di flusso di una carica Q (t) che passa attraverso di essa, ma le cariche e gli elettroni effettivi non possono passare attraverso lo strato dielettrico di un condensatore. Piuttosto, un elettrone si accumula sulla piastra negativa per ciascuno di essi che lascia la piastra positiva, con conseguente esaurimento dell' elettrone e conseguente carica positiva su un elettrodo che è uguale e opposta alla carica negativa accumulata sull' altro. Così la carica sugli elettrodi è uguale all' integrale della corrente e proporzionale alla tensione, come sopra descritto. Come per qualsiasi antiderivativo, viene aggiunta una costante di integrazione per rappresentare la tensione iniziale V (t0). Questa è la forma integrale dell' equazione del condensatore: la velocità di flusso di una carica Q (t) che la attraversa.
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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-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-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-2881
I condensatori realizzati con qualsiasi tipo di materiale dielettrico mostreranno un certo livello di "assorbimento dielettrico" o "assorbimento". Scaricando un condensatore e scollegandolo, dopo poco tempo potrebbe sviluppare una tensione dovuta all' isteresi nel dielettrico. Questo effetto può essere discutibile in applicazioni come i circuiti campione di precisione e di ritenzione o circuiti di temporizzazione. Il livello di assorbimento dipende da molti fattori, dalle considerazioni progettuali al tempo di ricarica, poiché l' assorbimento è un processo dipendente dal tempo. Tuttavia, il fattore primario è il tipo di materiale dielettrico. I condensatori come il film elettrolitico al tantalio o al polisolfone presentano un assorbimento molto elevato, mentre il polistirolo o il teflon consentono livelli di assorbimento molto ridotti. In alcuni condensatori in cui esistono tensioni ed energie pericolose, come ad esempio nei tubi di infiammabilità, negli apparecchi televisivi e nei defibrillatori, l' assorbimento dielettrico può ricaricare il condensatore a tensioni pericolose dopo che è stato cortocircuitato o scaricato. Qualsiasi condensatore contenente più di 10 joule di energia è generalmente considerato pericoloso, mentre 50 joule o più è potenzialmente letale. Un condensatore può recuperare da 0,01 al 20% della carica originale per diversi minuti, permettendo a un condensatore apparentemente sicuro di diventare sorprendentemente pericoloso.
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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-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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