Dopo aver scaricato e scollegato un condensatore, che cosa lo porta a sviluppare una tensione?
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-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-2896
I condensatori possono trattenere una carica molto tempo dopo che l' alimentazione è stata rimossa da un circuito; questa carica può causare scosse pericolose o addirittura potenzialmente fatali o danneggiare le apparecchiature collegate. Ad esempio, anche un dispositivo apparentemente innocuo come un flash della fotocamera usa e getta, alimentato da una batteria AA da 1,5 volt, ha un condensatore che può contenere oltre 15 joule di energia ed essere caricato a oltre 300 volt. Questo è facilmente in grado di fornire uno shock. Le procedure di manutenzione per i dispositivi elettronici solitamente includono istruzioni per scaricare condensatori di grandi dimensioni o ad alta tensione, ad esempio utilizzando una bacchetta Brinkley. I condensatori possono anche avere resistenze di scarica integrate per dissipare l' energia accumulata ad un livello sicuro entro pochi secondi dalla rimozione dell' alimentazione. I condensatori ad alta tensione sono immagazzinati con i terminali in cortocircuito, come protezione da tensioni potenzialmente pericolose a causa dell' assorbimento dielettrico o da tensioni transitorie che il condensatore può raccogliere da cariche statiche o passando eventi atmosferici.
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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-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-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-2880
Per la massima durata, i condensatori di solito devono essere in grado di gestire la massima quantità di inversione che un sistema sperimenterà. Un circuito CA subirà l' inversione di tensione al 100%, mentre i circuiti CC sotto smorzati subiranno un' inversione di tensione inferiore al 100%. L' inversione crea campi elettrici in eccesso nel dielettrico, causa un eccessivo riscaldamento sia del dielettrico che dei conduttori e può ridurre drasticamente l' aspettativa di vita del condensatore. L' inversione dei valori nominali influisce spesso sulle considerazioni progettuali del condensatore, dalla scelta dei materiali dielettrici e delle tensioni nominali ai tipi di connessioni interne utilizzate.
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doc-2893
Nella distribuzione di energia elettrica si utilizzano condensatori per la correzione del fattore di potenza. Questi condensatori sono spesso disponibili sotto forma di tre condensatori collegati come carichi trifase. Di solito, i valori di questi condensatori non sono dati in grandi distanze, ma piuttosto come potenza reattiva in ampolle di tensione (var). Lo scopo è quello di contrastare il carico induttivo da dispositivi come motori elettrici e linee di trasmissione per far apparire il carico più resistivo. I singoli carichi di motori o lampade possono avere condensatori per la correzione del fattore di potenza, o gruppi di condensatori più grandi (di solito con dispositivi di commutazione automatica) possono essere installati in un centro di carico all' interno di un edificio o in una grande sottostazione di servizio.
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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-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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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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