Relazione condensatori

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Categoria:	Ricerche
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Data:	25.06.2001
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Relazione sulla serie e paralleli di più condensatori
Introduzione: I condensatori sono componenti elettronici che hanno la capacità di immagazzinare (caricare) energia elettrica.
Essi si caricano allo stesso valore della sorgente di alimentazione; una volta raggiunta la carica essa viene mantenuta nel tempo anche se il condensatore non è più collegato al generatore e fino a quando i terminali non vengono collegati ad una resistenza o posti in corto-circuito.
Sia la carica che la scarica possono avvenire in un tempo prevedibile. I condensatori sono essenzialmente costituiti da due armature metalliche isolate tra di loro. La capacità è direttamente proporzionale alla superfice delle armature ed inversamente proporzionale alla loro distanza, e dipende in modo direttamente proporzionale, dal valore della costante dielettrica dell'isolante usato. L'isolante posto tra le armature viene chiamato "dielettrico" e può essere liquido, solido o gassoso. Il tipo di dielettrico permette una prima classificazione dei condensatori.
I condensatori più usati nel campo dell'elettronica sono quelli con dielettrico aria o con dielettrico solido.
I tipi di dielettrici solidi più usati sono: mica, ceramica, film plastico, carta. Il valore di capacità di un condensatore (che può essere fisso o variabile), viene indicato sul corpo del condensatore in modo chiaro per quelli di più grosse dimensioni oppure codificato con codici vari (colori o alfanumerici). L'unità di misura è il Farad (F) che è un valore molto grande e quindi si utilizzano quasi sempre i sottomultipli. Di un condensatore oltre al valore della capacità (intesa come l'attitudine ad immagazinare energia elettrica) è importante conoscere anche la tensione di lavoro ( VL ) . La tensione di lavoro dipende dal tipo e dallo spessore del dielettrico e rappresenta il valore di tensione massima a cui può essere sottoposto il condensatore per funzionare correttamente. Se si supera la tensione di lavoro il dielettrico può forarsi determinando perdite o cortocircuito tra le armature. Molto importante, poi, è il valore di tolleranza, generalmente espressa in percentuale sul valore nominale della capacità. Tra i condensatori fissi un posto di grande importanza è occupato dai condensatori elettrolitici ; essi sono condensatori che, rispetto agli altri, hanno un elevatissimo valore di capacità per unità di volume. In questi condensatori le armature sono di alluminio o di tantalio.
Su una delle armature, che poi dovrà essere sempre collegata al potenziale positivo, viene provocata (per dissociazione elettrolitica) la formazione di uno strato di ossido isolante dello stesso materiale e che quindi si comporterà come dielettrico.
Tra l'armatura positiva (anodo) e l'armatura negativa (catodo) viene interposto un elettrolita molto denso con il compito di assicurare la permanenza dello strato di ossido sull'armatura positiva.
I condensatori elettrolitici sono polarizzati e quindi possono essere usati solo in corrente continua facendo attenzione a rispettare sempre la polarità che è indicata sul condensatore stesso.
Se un condensatore elettrolitico viene collegato al circuito con le polarità invertite può esplodere e rappresentarte quindi un pericolo. E' necessario, pertanto, fare sempre molta attenzione nel collegare i condensatori elettrolitici. La capacità dei condensatori, è stato già detto, dipende dal tipo di dielettrico, dalla superficie delle armature e dalla distanza tra le armature stesse.
La formula che permette di calcolare la capacità di un condensatore tenendo conto di questi tre parametri è la seguente:

con la superficie espressa in m2 , la distanza espressa in metri e la costante dielettrica che è rappresentata da un numero puro. La costante dielettrica dipende dal tipo di materiale usato come dielettrico. A titolo di esempio si riportano i valori di "costanti dielettriche relative " di alcuni materiali, in riferimento al vuoto che viene assunto a valore 1:
ARIA
1,0059
POLISTIROLO
2,5
CARTA PARAFFINATA
2,5 ÷ 6
MICA
6,8
Pentossido di TANTALIO
26
CERAMICA
35 ÷ 50.000
Dalla formula si evince che maggiore è il valore della costante dielettrica, maggiore è il valore di capacità a parità di superficie e di distanza. Si evince poi che il valore della capacità è direttamente proporzionale alla superficie e inversamente proporzionale alla distanza. Anche i condensatori, come i resistori, possono essere collegati in serie o in parallelo al fine di ottenere valori specifici:

ma a differenza dei resistori, la capacità equivalente totale di più condensatori in serie è uguale all'inverso della somma degli inversi delle singole capacità:

nel caso che i condensatori in serie siano solo 2 la formula diventa:

I condensatori collegati in serie assumono tutti la stessa carica elettrica Q (espressa in Coulomb) indipendentemente dal valore della capacità, mentre la tensione che si determina ai capi di ogni singolo condensatore sarà inversamente proporzionale al valore di capacità del condensatore stesso, in quanto la tensione V è data dal rapporto trala Q e la capacità C: La somma delle tensioni ai capi dei condensatori in serie, sarà uguale alla tensione totale applicata al circuito:

quindi anche i condensatori possono essere usati come partitori di tensione. E' stato già detto che i condensatori sono componenti che hanno la capacità di "caricarsi" e che si caricano allo stesso potenziale della tensione di alimentazione. Il principio per cui ciò avviene è il seguente:
Inizialmente, a condensatore scarico, le armature sono elettricamente neutre, avendosi, su ognuna di esse,
lo stesso numero di elettroni e di protoni
.
Quando il condensatore viene collegato ad un generatore di tensione continua, avviene che il polo positivo del generatore attira elettroni dall'armatura a cui è collegato, mentre mentre l'altra armatura attira elettroni dal polo negativo del generatore.
La carica del condensatore, intesa come d.d.p. tra le armature, aumenta man mano che si verifica questo movimento di elettroni.
Il numero di elettroni che circolano nel circuito è inizialmente massimo per poi decrescere man mano che il condensatore si carica.

Una volta che il condensatore si è caricato (allo stesso valore di tensione del generatore), si avrà che sulla armatura A ci sarà mancanza di elettroni e quindi una predominanza di cariche positive e quindi sarà a potenziale positivo, mentre sull'armatura B ci sarà predominanza di elettroni e quindi sarà a potenziale negativo. La tensione (la carica) viene mantenuta anche se si scollega il condensatore dall'alimentatore (nell'ipotesi di condensatore ideale, senza perdite).
Se le armature vengono collegate tra di loro per mezzo di una resistenza, avviene la "scarica" del condensatore, cioè avviene un riequilibrio delle cariche elettriche e la tensione scende fino a zero (l'energia che era accumulata nel condensatore si dissipa nella resistenza R).
Durante il processo di scarica il verso della corrente (ovvero il verso del movimento degli elettroni) è l'opposto rispetto al processo di carica, perchè gli elettroni in eccesso sull'armatura B si sposteranno sull'armatura A fino ad avere equilibrio energetico.

Come precedentemente detto, la carica e la scarica del condensatore avviene in un tempo che può essere previsto e che dipende dal valore (in Ohm) della resistenza in serie al condensatore e dal valore della capacità (in Farad) del condensatore stesso.
Sperimentalmente è stato appurato che il tempo necessario affinché il condensatore si carichi al 63% della tensione che gli viene applicata è uguale al risultato del prodotto della resistenza per la capacità.
Il risultato di tale prodotto viene chiamato " costante di tempo " e viene indicato con la lettera greca (tau), e quindi:
= R * C
dove R è espresso in Ohm e C in Farad ed il risultato in secondi. I grafici che rappresentano l'andamento della carica e della scarica in un condensatore sono:

in essi si vede come la tensione ai capi del condensatore varia nel tempo.
Se vogliamo fare riferimento all'andamento della corrente che circola nel circuito (ricordiamoci che nel condensatore non circola corrente), dobbiamo premettere che il suo valore massimo è limitato dalla resistenza presente nel circuito e che quindi il valore massimo sarà:

Ricordando quanto detto precedentemente, e cioè, che la corrente che circola nel circuito è inizialmente alta (massima, limitata solo dalla resistenza) e che essa diminuisce man mano che il condensatore si carica (perchè diminuisce la differenza di potenziale tra le armature ed i poli del generatore), avremo i seguenti grafici:

in essi si vede che inizialmente la corrente è massima e che poi decresce man mano che il condensatore si carica (o si scarica); è importante notare che il verso della corrente durante la scarica è l'opposto di quello che si ha durante la carica.

PETRELLA GIOVANNI 3°A ELETTRONICA