Tipi di Condensatori
I condensatori sono componenti elettronici che accumulano cariche elettriche tra due armature separate da uno strato isolante. Per costruire condensatori di volta in volta di piccola o grande capacità, per alte o basse tensioni, a bassa induttanza o di capacità estremamente stabile si usano diverse tecniche costruttive, ognuna con le sue particolarità e campo di applicazione.
La quantità di energia che si accumula in un condensatore dipende dalla sua capacità e dalla tensione di lavoro: se indichiamo con Q la quantità di carica, con C la capacità e con V la tensione, vale la formula Q = C x V
Dal punto di vista fisico, un condensatore è costituito da due superfici metalliche (ovvero conduttrici), dette armature, separate da un isolante, che prende il nome di dielettrico; l'isolante può essere anche la semplice aria, il che equivale a dire che le due superfici metalliche si trovano una di fronte all'altra ma senza toccarsi. Quanto più sono estese le due superfici, tanto maggiore è la capacità; analogamente, la capacità è maggiore quanto più le due superfici sono vicine. La capacità dipende poi anche dall'isolante che si trova fra le due superfici: il valore più basso si ha quando c'è solo l'aria; se il dielettrico è costituito da altri materiali, la capacità aumenta in funzione del materiale, secondo una grandezza caratteristica di ciascun materiale, che viene detta "costante dielettrica relativa".
Tale costante si indica col simbolo εr ed è stabilito per convenzione che il suo valore per l'aria sia uguale a 1; se un condensatore le cui armature sono separate dall'aria ha una certa capacità, interponendo al posto dell'aria un dielettrico come la mica, la capacità del condensatore aumenta di circa 5 volte: si dice allora che la costante dielettrica relativa della mica ha valore 5.
Nella pratica i condensatori si realizzano avvolgendo insieme due sottili lamine metalliche, separate da un film plastico dello spessore di alcuni decimi di micron; quando si richiedono capacità molto elevate, invece del film plastico si usa come dielettrico uno strato di ossido, formato direttamente su una superficie metallica, ed un elettrolita come secondo elettrodo. Di seguito sono descritte brevemente le caratteristiche dei condensatori di uso più frequente,Ecco quindi una carrellata dei vari tipi con le caratteristiche che li contraddistinguono
Condensatori a film
Si ottengono avvolgendo insieme due sottili lamine metalliche separate da un film plastico altrettanto sottile. Il condensatore risulterà di piccole dimensioni ma di elevata capacità. Poichè le lamine metalliche e quelle in plastica possono essere prodotte in qualsiasi lunghezza, con questo sistema si ottengono capacità che arrivano anche al µF. Gli avvolgimenti si collegano sue due lati e quindi le lamine metalliche devono sporgere dal dielettrico per essere compresse e saldate ai terminali. Poichè tutti gli avvolgimenti sono collegati tra di loro su di un lato, la resistenza è piccolissima mentre l'induttanza risulta praticamente nulla. Come dielettrico viene normalmente utilizzata una pellicola in plastica. L'avvolgimento viene poi annegato in una bagno di materiale plastico o sigillato in un tubetto di ceramica. l terminali di collegamento fuoriescono in direzione assiale o tangenziale.
Condensatori in carta
Il dielettrico di questi condensatori è formato da una speciale carta impregnata con una sostanza fluida o viscosa. Per aumentare l'isolamento, nei condensatori in carta si accoppiano spesso due o più strati. L'avvolgimento finito viene poi nuovamente impregnato sottovuoto in olio isolante o annegato in resina. l condensatori in carta vengono di solito prodotti con una tolleranza del +/- 20%, e sono utilizzati in genere come condensatori di filtro.
Condensatori in carta metallizzata
Il condensatore in carta metallizzata non è altro che una particolare versione del condensatore in carta: invece di usare la lamina di alluminio per la formazione delle armature, il metallo viene vaporizzato sotto vuoto sulla superficie stessa della carta, ed ha lo spessore solo di un µm. Questi condensatori presentano il vantaggio che una perforazione del dielettrico non porta necessariamente al cortocircuito tra le armature, poichè il calore prodotto dalla perforazione stessa fonde lo strato metallico della zona corrispondente evitando il possibile cortocircuito. I condensatori in carta metallizzata vengono prodotti con valori di capacità che arrivano fino a 32 µF, e con tensioni di lavoro di parecchie migliaia di volt.
Condensatori a film plastico
Le pellicole in film plastico possono essere prodotte con spessori inferiori a quello della carta impregnata, e presentano una minore probabilità di punti difettosi. Si possono quindi fabbricare condensatori che utilizzano queste pellicole come dielettrico, dello spessore di pochi µm soltanto, in grado di resistere ad una tensione abbastanza elevata. I condensatori a film plastico vengono prevalentemente utilizzati nei circuiti a transistori. Nei condensatori in poliestere come strato elettroconduttore si può utilizzare una lamina metallica, oppure il metallo può essere depositato direttamente sul film per vaporizzazione sotto vuoto, con uno strato dello spessore di 0,02 - 0,05 µm. Questi condensatori vengono prodotti con capacità fino ad alcuni µF e con tensioni di lavoro fino a 1000 V. Sono da preferire nei circuiti a bassa frequenza. Nei condensatori con dielettrico in policarbonato la capacità è molto costante, e di conseguenza sono utilizzati prevalentemente nei circuiti oscillanti. Vengono prodotti con capacità fino a 10 µF e tensioni di lavoro fino a 400 V. Per applicazioni speciali nei circuiti oscillanti, sono stati sviluppati i condensatori in polistirolo. Una lamina metallica stirata viene avvolta a spirale assieme al dielettrico. Sotto l'azione del calore l'avvolgimento si restringe formando un blocco molto stabile e compatto che non assorbe praticamente umidità dall'aria. Si ottiene così una buona costanza della capacità. I condensatori in polistirolo vengono prodotti con capacità fino ad 1 µF.
Sono i condensatori più diffusi per applicazioni generali. Il dielettrico costituito da un sottile film di materiale plastico (poliestere), pur non presentando un costante dielettrica єr molto elevata, può essere ridotto in strisce lunghe e sottili, sicché si possono ottenere valori di capacità anche elevati. Questi condensatori sono di tipo avvolto, ovvero sono costituiti da due nastri di materiale plastico (dielettrico) alternati a due materiali conduttore (armature) avvolti a cartuccia.Struttura del condensatore plastico avvolto a cartuccia
Per ridurre l’effetto dell’induttanza parassita, si adotta il cosiddetto avvolgimento anti induttivo. Le due armature sporgono l’una da un lato, l’altra dall’altro rispetto ai nastri isolanti. I due terminali del condensatore possono così venire direttamente saldati ai bordi delle armature e la corrente non è costretta a percorrere tratti di avvolgimento. I condensatori a film plastico sono d’impiego generale, sono affetti da basse perdite e presentano buona stabilità con la frequenza e la temperatura. Le loro dimensioni crescono con la tensione di lavoro: infatti con quest’ultima cresce la potenza dissipata sulla componente resistiva del condensatore e quindi più ampie devono diventare le superfici per una migliore dissipazione del calore.
Condensatori ceramici
Il dielettrico dei condensatori ceramici è costituito generalmente da una massa ceramica la cui costante dielettrica può essere variata tra 10 e 10.000 mediante opportune composizioni. I condensatori ceramici a bassa costante dielettrica si distinguono per la stabilità del valore capacitivo e per le perdite molto basse, e quindi sono i preferiti per l'utilizzo nei circuiti oscillanti e ad alta precisione. I condensatori ad elevata costante dielettrica permettono di ottenere capacità elevate con scarso ingombro. I condensatori ceramici hanno in generale piccole dimensioni, e vengono utilizzati di preferenza nella tecnica delle alte frequenze. A seconda delle necessità sono disponibili in molte forme costruttive. La forma di condensatore ceramico più diffusamente utilizzata è quella a disco, formata cioè da un dischetto di ceramica metallizzato sulle due facce, sulle quali vengono saldati i terminali. Un'altra forma costruttiva molto diffusa in passato è quella a tubetto. Si tratta di un tubetto ceramico con strati di argento all'interno ed all'esterno che formano le armature del condensatore. Esistono anche i condensatori a strato, il cui dielettrico è costituito da strati ceramici. Gli strati più interni risultano parzialmente conduttivi, mentre quelli più esterni, ad alta resistività, vengono rivestiti con una pellicola di argento. Dato che le prestazioni dei condensatori ceramici a strato dipendono dalla tensione. questi componenti sono adatti per tensioni di lavoro fino a circa 20 V.I condensatori ceramici vengono prodotti in forme di disco, piastrina, tubolare, ad elettrodo passante; in tutte queste forme le armature sono realizzate mediante dispositivo d’argento sulle superfici del dielettrico e i reofori saldati direttamente alle armature. A seconda del tipo di ceramica impiegata vengono individuate tre categorie di condensatori: a basso valore di r e con basse perdite, a elevato valore di r a coefficiente di temperatura controllato. Questi condensatori sono costituiti da una serie di strati alternati di conduttori e ceramiche. I condensatori ceramici sono in assoluto quelli più utilizzati, più dell'80% dei condensatori prodotti annualmente sono di questo tipo.
Condensatori ceramici Multistrato ( MLCC )
Classe 1
I condensatori appartenenti a questa classe presentano:
alta stabilità della capacità, sia a lungo termine che nei confronti di variazioni ti temperatura e tensione applicata
un basso fattore di dissipazione anche a frequenze elevate (dell'ordine dello 0,1%)
un coefficiente di temperatura (positivo o negativo) lineare
alta resistenza di isolamento, possibilità di funzionamento anche a tensioni relativamente elevate
tolleranza indicativamente dell'ordine del 5% o migliore.
capacità fino a 10 nF
costo ridotto ed ampia disponibilità sul mercato
Sono utilizzati dove è richiesta precisione e stabilità (filtri e oscillatori), anche a frequenza elevata.
Classe 2
I condensatori appartenenti a questa classe presentano:
capacità elevata in rapporto alle dimensioni
un legame tra capacità e temperatura non lineare
tolleranza indicativamente dell'ordine del 10%
capacità fino a 10 µF e oltre
un fattore di dissipazione dell'ordine del 2.5%
un costo molto basso ed ampia disponibilità sul mercato
Sono utilizzati quando occorrono alte capacità in piccoli volumi, qualora la riduzione della stabilità e della precisione siano tollerabili. Esempi tipici includono i condensatori di disaccoppiamento delle alimentazione, per la riduzione dei disturbi a radiofrequenza, per la sicurezza.
Classe 3
I condensatori appartenenti a questa classe presentano caratteristiche analoghe alla precedente:
un ulteriore incremento della capacità a parità di dimensione
tolleranza del 20% o più, spesso asimmetrica (per esempio - 20% → + 80%)
fattore di dissipazione del 5%
Gli usi sono analoghi a quelli della classe 2 nei casi in cui sono richieste caratteristiche elettriche ancora meno stringenti.
Condensatori ceramici a strato singolo
Questi condensatori sono formati da un singolo strato dielettrico con le due superfici metallizzate, una struttura sostanzialmente coincidente con quella presente nei testi introduttivi di fisica. Questa tecnica costruttiva comporta un aumento della tensione massima di funzionamento (anche migliaia di volt) e una conseguente riduzione della capacità.
Spesso sono indicati come condensatori a disco, per la forma che assumono.
Sono suddivisi in classe 1 e classe 2, con caratteristiche e applicazioni sovrapponibili ai MLCC, sebbene con capacità significativamente inferiori .
Gli esemplari raffigurati sono utilizzati per tensioni elevate (il quarto fino a 1 kV) o in circuiti collegati direttamente alla rete elettrica (i primi tre riportano le certificazioni specifiche)
Condensatori Elettrolitici
Quando sono necessarie capacità estremamente elevate si devono utilizzare condensatori elettrolitici, perchè i tipi finora descritti assumerebbero dimensioni proibitive. I condensatori elettrolitici sono composti da un elettrodo (anodo), sul quale viene formato uno strato di ossido con elevata costante dielettrica che funge da isolante. L'altro elettrodo (catodo) è costituito da un elettrolita, un fluido elettricamente conduttore di solito formato da una soluzione salina od acida, e da un secondo elettrodo metallico che, nella maggior parte dei casi, coincide con il contenitore stesso. In quest'ultimo caso, l'involucro metallico esterno stabilisce il collegamento tra l'elettrolita ed il terminale negativo del condensatore. Lo spessore dello strato di ossido varia in funzione della tensione di lavoro, e normalmente assume valori dell'ordine degli 0,001 µm. Il piccolo spessore dello strato, e la sua costante dielettrica relativamente elevata, permettono di ottenere valori capacitivi molto elevati. I condensatori elettrolitici possono essere a base di alluminio o di tantalio.
Un condensatore elettrolitico è composto: dal catodo , dall’elettrolita conduttore , dalla pellicola di ossido di metallo, dall’anodo .
Disegno in ‘esploso’ di un condensatore elettrolitico. I principali elementi che lo compongono sono: terminali positivo e negativo , tappo di gomma , contenitore di alluminio , condensatore vero e proprio ottenuto con l’avvolgimento di due strisce di alluminio , rivestimento di plastica sul quale sono impressi i dati elettrici e la polarità del componente .
L’anodo metallico immerso nell’elettrolita è ricoperto da una pellicola di ossido (dielettrico) che presenta una resistenza elevata alla corrente che la percorre dal polo positivo a quello negativo (polarizzazione), mentre l’elettrolita mantiene inalterata la sua conduttività; se si inverte la polarità della corrente che attraversa il dielettrico, lo strato di ossido viene distrutto e il condensatore funziona da conduttore. In questi condensatori la distanza fra le armature è di qualche decimo di micron e quindi è possibile ottenere, con piccole dimensioni, capacità molto elevate (2F); per contro presentano: perdite considerevoli, ampie escursioni della capacità con la temperatura, diminuzione della capacità con l’aumentare della frequenza, a temperature inferiori a 0°C aumento della resistenza in serie e diminuzione della capacità nominale. I metalli usati per la costruzione dell’elettrodo sono Al e Ta e si hanno dielettrici di ossido d’alluminio (Al O ) e ossido di tantalio (Ta O ).
Condensatori elettrolitici ad alluminio: l’armatura metallica è costituita da un foglio di alluminio e lo strato di ossido viene formato con una tensione che è del 25% superiore a quella di lavoro del condensatore. L’elettrolita può essere liquido o solido. 
Per l’elettrolita liquido generalmente si usa dimetilacetammide che ha un TC basso; con questo liquido s’impregnano dei fogli di carta di cellulosa pura che vengono arrotolati sull’armatura di alluminio ossidata e ad impregnazione avvenuta il tutto viene inserito in apposite custodie di alluminio e cellulosa e chiuso ermeticamente. Per l’elettrolita solido si usa biossido di manganese.
Le caratteristiche:
alta capacità in (relativamente) piccoli volumi, indicativamente da 1 µF a 10000 µF e più
costo ridotto in rapporto alla capacità
cattive caratteristiche elettriche: in particolare presentano valori elevati di ESR e ESL e elevate correnti di perdita. Alcuni modelli (indicati come Low ESR) sono migliori da questo punto di vista e sono adatti, per esempio, per alimentatori a commutazione
frequenza di risonanza piuttosto bassa, anche dell'ordine di pochi kHz
questi condensatori sono polarizzati, cioè hanno un + e un - da rispettare, pena la distruzione del componente. Per ottenere condensatori per tensioni alternate è possibile mettere due condensatori in serie a polarità invertite
vita piuttosto breve, soprattutto se non utilizzato (migliaia di ore)
Intervallo di temperatura operativo piuttosto ridotto. Modelli ordinari arrivano a 85 °C, difficile arrivare a 105°, impossibile superare i 150 °C
Condensatori elettrolitici al tantalio
L’utilizzazione del Tantalio rispetto all’Alluminio porta ad una diminuzione delle dimensioni del condensatore a parità di capacità e ad un miglioramento delle prestazioni del condensatore per quanto riguarda: la stabilità del dielettrico, la corrente di perdita, il fattore di potenza e la vita media. Come i condensatori ad alluminio, quelli al tantalio vengono realizzati con elettrolita liquido(acido borico con solfato di sodio e acido solforico) e con elettrolita solido (biossido di manganese).
Le caratteristiche sono intermedie tra quelle degli elettrolitici ad alluminio e ceramici:
capacità elevata in volumi piccoli
caratteristiche elettriche relativamente buone (ESR in particolare)
durata relativamente elevata, anche a temperature relativamente elevate
rischio elevato di esplosione al superamento delle tensioni operative o all'inversione di polarità