Qual è la causa delle perdite dielettriche in un condensatore?
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-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-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-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-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-2871
Un condensatore è costituito da due conduttori separati da una regione non conduttiva. La regione non conduttiva è chiamata dielettrico. In termini più semplici, il dielettrico è solo un isolante elettrico. Esempi di media dielettrici sono il vetro, l' aria, la carta, il vuoto, e anche una regione di esaurimento dei semiconduttori chimicamente identici ai conduttori. Si presume che un condensatore sia autosufficiente e isolato, senza carica elettrica netta e nessuna influenza da qualsiasi campo elettrico esterno. I conduttori mantengono così cariche uguali e opposte sulle loro superfici di fronte, e il dielettrico sviluppa un campo elettrico. Nelle unità SI, una capacità di una lontana significa che un coulomb di carica su ciascun conduttore causa una tensione di un volt attraverso il dispositivo.
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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-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-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-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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