Un condensatore elettrico è uno degli elementi del circuito elettrico di qualsiasi dispositivo elettronico, la cui funzione principale è quella di immagazzinare energia per poi restituirla al circuito. L'industria offre un'ampia varietà di condensatori, diversi per tipi, capacità, dimensioni e applicazioni.
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Il principio di funzionamento e le caratteristiche dei condensatori
Il dispositivo del condensatore è costituito da due piastre metalliche separate da un sottile strato di dielettrico. Il rapporto tra le dimensioni e la disposizione delle piastre e la caratteristica del materiale dielettrico determina l'indice di capacità.
Lo sviluppo progettuale di qualsiasi tipo di condensatore è finalizzato ad ottenere la massima capacità in base alle dimensioni minime per risparmiare spazio sulla scheda a circuito stampato del dispositivo. Una delle forme più popolari in apparenza ha la forma di un barile, all'interno del quale sono attorcigliate piastre di metallo con un dielettrico tra di loro.Il primo condensatore, inventato nella città di Leiden (Paesi Bassi) nel 1745, fu chiamato "Leiden jar".
Il principio di funzionamento del componente è la capacità di carica e scarica. La ricarica è possibile grazie alla presenza delle piastre a poca distanza l'una dall'altra. Le cariche vicine, separate da un dielettrico, sono attratte l'una dall'altra e indugiano sulle piastre, e il condensatore stesso immagazzina così energia. Dopo aver scollegato la fonte di alimentazione, il componente è pronto per il ritorno di energia nel circuito, la scarica.
Parametri e proprietà che determinano prestazioni, qualità e durata del lavoro:
- capacità elettrica;
- capacità specifica;
- deviazione consentita;
- rigidità elettrica;
- propria induttanza;
- assorbimento dielettrico;
- perdite;
- stabilità;
- affidabilità.
La capacità di immagazzinare la carica determina la capacità di un condensatore. Quando si calcola la capacità, è necessario sapere:
- area di copertura;
- distanza tra i piatti;
- costante dielettrica del materiale dielettrico.
Per aumentare la capacità, è necessario aumentare l'area delle piastre, ridurre la distanza tra loro e utilizzare un dielettrico il cui materiale ha un'elevata costante dielettrica.
Farad (F) è usato per denotare la capacità, un'unità di misura che ha preso il nome in onore del fisico inglese Michael Faraday. Tuttavia, 1 Farad è troppo grande. Ad esempio, la capacità del nostro pianeta è inferiore a 1 farad. Nella radioelettronica vengono utilizzati valori più piccoli: microfarad (µF, un milionesimo di farad) e picofarad (pF, un milionesimo di microfarad).
La capacità specifica è calcolata dal rapporto tra la capacità e la massa (volume) del dielettrico.Questo indicatore è influenzato dalle dimensioni geometriche e un aumento della capacità specifica si ottiene riducendo il volume del dielettrico, ma ciò aumenta il rischio di guasto.
Lo scostamento consentito del valore del passaporto della capacità da quello effettivo determina la classe di precisione. Secondo GOST, ci sono 5 classi di precisione che determinano l'uso futuro. I componenti della classe di precisione più elevata sono utilizzati nei circuiti ad alta responsabilità.
La rigidità dielettrica determina la capacità di trattenere una carica e mantenere le proprietà di lavoro. Le cariche rimaste sulle piastre tendono l'una all'altra, agendo sul dielettrico. La forza elettrica è una proprietà importante di un condensatore, che determina la durata del suo utilizzo. In caso di funzionamento improprio, si verificherà un guasto del dielettrico e il componente si guasterà.
L'autoinduttanza viene presa in considerazione nei circuiti CA con induttori. Per i circuiti CC, non viene preso in considerazione.
Assorbimento dielettrico: l'aspetto della tensione sulle piastre durante la scarica rapida. Il fenomeno dell'assorbimento viene preso in considerazione per il funzionamento sicuro dei dispositivi elettrici ad alta tensione, poiché in caso di cortocircuito sussiste il pericolo di morte.
Le perdite sono dovute alla bassa trasmissione di corrente del dielettrico. Quando si utilizzano componenti di dispositivi elettronici in diverse condizioni di temperatura e umidità, il fattore di qualità delle perdite ha un'influenza. È anche influenzato dalla frequenza di funzionamento. Alle basse frequenze, le perdite nel dielettrico influiscono, alle alte frequenze, nel metallo.
La stabilità è un parametro del condensatore che è influenzato anche dalla temperatura ambiente.I suoi effetti si dividono in reversibili, caratterizzati da un coefficiente di temperatura, e irreversibili, caratterizzati da un coefficiente di instabilità termica.
L'affidabilità del condensatore dipende principalmente dalle condizioni operative. L'analisi dei guasti suggerisce che nell'80% dei casi il guasto è la causa del guasto.
A seconda dello scopo, del tipo e del campo di applicazione, anche le dimensioni dei condensatori differiscono. I più piccoli e i più piccoli, di dimensioni variabili da pochi millimetri a diversi centimetri, sono usati nell'elettronica, mentre i più grandi sono usati nell'industria.
Scopo
La proprietà di immagazzinare e rilasciare energia ha determinato l'uso diffuso dei condensatori nell'elettronica moderna. Insieme a resistori e transistor, sono la base dell'ingegneria elettrica. Non esiste un unico dispositivo moderno in cui non verrebbero utilizzati in qualche modo.
La loro capacità di caricare e scaricare, insieme a un'induttanza con le stesse proprietà, è attivamente utilizzata nella tecnologia radiofonica e televisiva. Un circuito oscillatorio di un condensatore e un'induttanza è la base per trasmettere e ricevere segnali. La modifica della capacità del condensatore consente di modificare la frequenza del circuito oscillatorio. Ad esempio, le stazioni radio possono trasmettere sulle proprie frequenze e le radio possono connettersi a tali frequenze.
Una funzione importante è l'attenuazione delle increspature AC. Qualsiasi dispositivo elettronico alimentato da alimentazione CA necessita di condensatori elettrici di filtraggio per produrre CC di buona qualità.
Il meccanismo di carica e scarica è utilizzato attivamente nelle apparecchiature fotografiche.Tutte le moderne fotocamere utilizzano un flash per le riprese, grazie alla proprietà di scarica rapida. In quest'area, non è redditizio utilizzare batterie che possono immagazzinare bene l'energia, ma rilasciarla lentamente. E i condensatori, al contrario, rilasciano istantaneamente tutta l'energia immagazzinata, che è sufficiente per un lampo luminoso.
La capacità di generare impulsi ad alta potenza dai condensatori viene utilizzata nei radar e nella creazione di laser.
I condensatori svolgono il ruolo di contatti di spegnimento di scintille in telegrafia e telefonia, nonché in telemeccanica e automazione, dove è necessaria la commutazione di relè ad alto carico.
La regolazione della tensione di linee elettriche lunghe avviene mediante l'utilizzo di serbatoi di compensazione.
I moderni condensatori, per le loro capacità, sono utilizzati non solo nel campo dell'elettronica radio. Sono utilizzati nella lavorazione dei metalli, nell'estrazione mineraria, nell'industria del carbone.
Principali varietà
A causa della varietà di applicazioni e condizioni operative dei dispositivi elettronici, esiste un'ampia varietà di componenti che differiscono per tipo e caratteristiche. La divisione principale è per classe e per tipo di dielettrico utilizzato.
Tipi di condensatori, divisi per classe:
- con capacità costante;
- a portata variabile;
- messa a punto.
I componenti a capacità costante sono utilizzati in ogni dispositivo elettronico.
Per modificare la capacità e i parametri del circuito, ad esempio la frequenza nei circuiti oscillatori, vengono utilizzati condensatori a capacità variabile.Nel loro dispositivo, hanno diverse sezioni di piastre mobili in metallo, che garantiscono la durata del loro lavoro.
I condensatori trimmer vengono utilizzati per la regolazione una tantum delle apparecchiature. Sono disponibili in vari valori di capacità (da pochi picofarad a diverse centinaia di picofarad) e sono classificati per tensioni fino a 60 volt. Senza il loro utilizzo, è impossibile mettere a punto l'attrezzatura.
Tipi di condensatori, divisi per tipo di dielettrico:
- con dielettrico ceramico;
- con film dielettrico;
- elettrolitico;
- ionisti.
Quelli in ceramica sono realizzati sotto forma di una piccola lastra di materiale ceramico, su cui vengono spruzzati piombo di metallo. Tali condensatori hanno proprietà diverse e sono utilizzati sia per circuiti ad alta che a bassa tensione.
Per i circuiti a bassa tensione, vengono spesso utilizzati componenti multistrato di piccole dimensioni in resina epossidica o custodie in plastica con una capacità da decine di picofarad a unità di microfarad. Sono utilizzati nei circuiti ad alta frequenza di apparecchiature radioelettroniche e possono funzionare in condizioni climatiche avverse.
Per i circuiti ad alta tensione, vengono realizzati condensatori ceramici più grandi con capacità da decine di picofarad a migliaia di picofarad. Sono utilizzati nei circuiti a impulsi e nelle apparecchiature di conversione della tensione.
Il dielettrico a film è di diversi tipi. Il più comune è il lavsan, che ha un'elevata resistenza. Meno comune è il dielettrico in polipropilene, che ha perdite inferiori e viene utilizzato nei circuiti ad alta tensione, come i circuiti di amplificazione del suono e i circuiti a media frequenza.
Si avvia un tipo separato di condensatori a film, che vengono utilizzati al momento dell'avviamento dei motori e, grazie alla loro elevata capacità e allo speciale materiale dielettrico, riducono il carico sul motore elettrico. Sono caratterizzati da alta tensione di esercizio e potenza elettrica reattiva.
I condensatori elettrolitici sono realizzati in un design classico. Il corpo è in alluminio, all'interno sono laminati piastre di metallo. L'ossido di metallo viene depositato chimicamente su una piastra e un elettrolita liquido o solido viene depositato sulla seconda, formando un dielettrico. Grazie a un tale dispositivo, i condensatori elettrolitici hanno una grande capacità, ma la particolarità del loro utilizzo nel tempo è il suo cambiamento.
A differenza dei condensatori ceramici e a film, i condensatori elettrolitici hanno polarità. A loro volta, sono divisi in non polari, privi di questo inconveniente, radiali, in miniatura, assiali. Lo scopo della loro applicazione è il computer tradizionale e la moderna tecnologia dei microcomputer.
Un tipo speciale che è apparso relativamente di recente sono gli ionisti. Nel loro design sono simili ai condensatori elettrolitici, ma si distinguono per una grande capacità (fino a unità di Farad). Tuttavia, il loro utilizzo è limitato a una piccola tensione massima di pochi volt. I supercondensatori vengono utilizzati per immagazzinare la memoria: se la batteria di un telefono cellulare o di un computer in miniatura si esaurisce, le informazioni memorizzate non andranno irrimediabilmente perse.
Oltre ai componenti nella versione di uscita, apparsa molto tempo fa e che erano tradizionalmente utilizzati, vengono prodotti componenti moderni nella versione SMD o, come viene anche chiamata, per il montaggio su superficie. Ad esempio, la ceramica può essere prodotta in casse di varie dimensioni, dalla più piccola (1 mm per 0,5 mm) alla più grande (5,7 mm per 5 mm), e con tensioni corrispondenti da decine di volt a centinaia.
I condensatori elettrolitici possono essere prodotti anche in contenitori a montaggio superficiale. Questi possono essere condensatori elettrolitici in alluminio standard, oppure possono essere condensatori al tantalio, che assomigliano un po' a quelli ceramici, ma differiscono da loro per una maggiore capacità e basse perdite. Possono essere sia SMD bloccati che non bloccati.
Una caratteristica dei condensatori al tantalio è una lunga durata e perdite minime con un limite di capacità leggermente inferiore, ma allo stesso tempo si distinguono per un prezzo elevato. Sono utilizzati in circuiti ad alta responsabilità dove è richiesta un'elevata capacità.
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