Condensatore

Il condensatore, probabilmente è un altro dei componenti elettronici, più utilizzato all'interno dei circuiti, sicuramente quasi tutti i circuiti che vedrete contengono uno o più condensatori. Diciamo subito che questo componente molto diffuso, esiste in diverse varianti, quindi lo troverete sotto diverse forme e dimensioni.

Il condensatore viene indicato con la lettera C, e ovviamente ha un suo simbolo per poter essere identificato all'interno degli schemi elettronici, in realtà esistono diversi simboli, che comunque sono molto simili tra loro.

La struttura base di un condensatore, è costituita da 2 superfici conduttrici dette armature, separate da un isolante detto dielettrico.
A ciascuna delle 2 armature è collegato un filo o terminale, per rendere possibile la connessione del componente ad altri componenti o circuiti elettronici.

Fino a quando il condensatore non è collegato a nessuna fonte di alimentazione, le 2 armature si trovano in uno stato neutro, cioè le 2 armature contegno un numero uguale di cariche elettriche positive e negative, in pratica tra le 2 armature non c'è nessuna differenza di potenziale, si dice in questo caso che il condensatore è scarico.
Quando il condensatore viene collegato ad una fonte di alimentazione, ad esempio una batteria, si dà inizio ad uno spostamento di cariche, la batteria prende le cariche elettriche negative da una armatura, e le trasporta sull'altra armatura, in questa fase si dice che il condensatore si sta caricando.
Succede quindi che man mano che le cariche elettriche negative, vengono spostate da una armatura ad un altra, l'armatura a cui vengono sottratte cariche negative, diventa sempre più positiva, e l'armatura in cui vengono immesse cariche negative, diventa sempre più negativa.
Avrete sentito dire chissà quante volte che cariche di segno opposto si attraggono, mentre cariche di segno uguale si respingono, e proprio perché cariche dello stesso segno tendono a respingersi, man mano che l'armatura diventa sempre più negativa, sarà sempre più difficile riuscire a immettere cariche negative al suo interno, fino ad arrivare al punto in cui non sarà più possibile inserire neanche una carica all'interno dell'armatura.
Arrivati a questo punto, in cui un armatura è completamente negativa, e di conseguenza l'altra è diventata positiva, non si ha più spostamento di cariche e quindi passaggio di corrente, si dice allora che il condensatore è completamente carico.
In questa situazione, tra le 2 armature c'è una differenza di potenziale, che permane nel tempo, anche scollegando il condensatore dalla fonte di alimentazione, il condensatore rimane carico.

Sopra possiamo vedere il grafico di carica di un condensatore.
Sull'asse Y c'è la tensione che sale da 0 fino ad arrivare a 12v, mentre sull'asse X c'è il tempo che parte da 0 fino ad arrivare a 2 secondi.
Possiamo vedere che nei primi istanti il condensatore si carica molto velocemente, dopo 0,3 secondi, il condensatore si è già caricato del 50%, la tensione di alimentazione di 12v, ai capi del condensatore è già salita a 6v.
Poi come spiegato sopra, man mano che l'armatura si polarizza, diventa sempre più difficile introdurvi cariche, se nei primi 0,3 secondi il condensatore si è caricato del 50%, nei successivi 0,3 secondi si carica solo di un altro 20%, fino ad arrivare ad una carica del 70%, la tensione ai suoi capi è ora di circa 8,5v.
Proseguendo il processo di carica, diventa ancora più difficile introdurre cariche sull'armatura, dopo 1 secondo si è caricato del 85%, la tensione ai sui capi è ora di 10,5v ma impiega un altro secondo per caricarsi del restante 15%, e quindi arrivare al 100% con la tensione ai suoi capi uguale a quella di alimentazione, ovvero 12v.

Quando il condensatore è carico, collegando tra di loro i 2 terminali per mezzo di qualsiasi altro circuito, quindi mettendo a contatto tra di loro le 2 armature, le cariche elettriche negative accumulate in una armatura, tendono a tornare velocemente sull'altra armatura, in questa fase si dice che il condensatore si sta scaricando, man mano che le cariche elettriche tornano al loro posto, la differenza di potenziale tra le 2 armature diminuisce, fino a quando le 2 armature, tornano ad essere perfettamente equilibrate, e la differenza di potenziale tra le due armature è tornata a zero.
Si dice allora che il condensatore si è scaricato, ed è pronto ad essere sottoposto ad un nuovo ciclo di carica.

Abbiamo capito che il condensatore è un componente in grado di accumulare cariche, e di mantenerle fino a quando non viene posto nella condizione di potersi scaricare.
Potrebbe essere paragonato ad un recipiente in grado di riempirsi e svuotarsi, infatti la grandezza con cui si misura un condensatore è proprio la capacità.
L'unità di misura della capacità del condensatore è il farad indicato con la lettera (F).
C'è però da dire che il Farad è una unità di misura enorme, difficilmente troverete condensatori nell'ordine del farad, molto più facilmente troverete capacità espresse con il sottomultiplo milli (mF) la millesima parte del farad, e ancora più facilmente espresse con il sottomultiplo micro(uF)che è la milionesima parte del farad, passando dal sottomultiplo nano(nF) che è la miliardesima parte del farad, fino ad arrivare al pico(pF) che è la bilionesima parte del farad, o se volete la millesima parte del nanofarad.
Ricapitolando:

1000pF=1nf
1000nF=1uF
1000uF=1mF
1000mF=1F

Inoltre c'è da aggiungere che il condensatore, oltre ad avere come primo parametro la capacità, ha anche un secondo parametro, che è la tensione massima a cui può essere sottoposto, ovviamente espressa in volt, quindi ad esempio sull'involucro di un condensatore, potete trovare stampati sia la capacità che la tensione, a titolo di esempio, un condensatore può essere 470uF 16v come anche 470uF 100v.

Ora molti di voi si staranno chiedendo, a che serve all'interno di un circuito elettronico, un componente che si carica e si scarica.
Il condensatore all'interno dei circuiti è utilizzato per svolgere varie funzioni.
Intanto per caricarsi e scaricarsi, impiega un certo tempo, maggiore è la sua capacità e maggiore sarà il tempo che impiega a caricarsi, ma allo stesso modo maggiore è la corrente, e minore è il tempo che impiega a caricarsi.
Per spiegare meglio, calza a pennello l'esempio del recipiente, maggiore è la capacità del recipiente, e maggiore sarà il tempo che questo impiega a riempirsi ad esempio di acqua, ma allo stesso modo, maggiore è la portata di acqua che lo riempie, e minore sarà il tempo che impiega a riempirsi.

Abbiamo visto negli articoli precedenti, che la corrente può essere limitata, da una resistenza R, quindi collegando in serie ad un condensatore un resistore, si riesce a limitare la corrente che lo carica, e giocando sul valore della resistenza e sul valore della capacità del condensatore, si riesce a variare il tempo di carica o di scarica del condensatore.
Tale collegamento è molto utilizzato, è conosciuto come circuito RC (Resistore Condensatore) ed esiste pure la formula per calcolare il tempo di carica e scarica del condensatore:

T=RxC

Dove T è il tempo espresso in secondi, R è il valore della resistenza espresso in Ohm, e C è il valore del condensatore espresso in Farad.

Sfruttando questo tipo di collegamento, è possibile gestire dei tempi regolati all'interno dei circuiti elettronici, è possibile quindi creare i cosiddetti oscillatori, ovvero circuiti strutturati in modo da caricare e scaricare il condensatore in maniera ciclica, generando quindi una serie di impulsi con tempi on-off regolabili a nostro piacimento, o ancora è possibile creare circuiti che generino un solo impulso di tempo variabile ad esempio per resettare eventuali integrati o altri circuiti all'accensione, o ancora creare dei veri e propri timer o temporizzatori.

Questo descritto sopra, è solo uno degli utilizzi del condensatore, quest'ultimo infatti può essere impiagato all'interno dei circuiti elettronici, anche per livellare o stabilizzare una tensione.
La caratteristica del condensatore di caricarsi e scaricarsi, lo rende adatto anche ad essere utilizzato come “polmone” all'interno dei circuiti.
Proprio come avviene nel campo idraulico, con gli appositi polmoni per stabilizzare la pressione, che quando c'è un aumento di pressione il polmone si carica assorbendo la pressione in eccesso, quando c'è una diminuzione il polmone si scarica restituendo pressione, allo stesso modo il condensatore è in grado di assorbire gli sbalzi di tensione, caricandosi quando c'è un repentino aumento di tensione, e scaricandosi, quindi restituendo tensione quando c'è un repentino calo di quest'ultima.
I grossi condensatori, all'interno degli alimentatori, servono proprio a svolgere questa funzione di livellamento, andando a livellare e quindi rendere più stabile la tensione di alimentazione.

Ma non è ancora finita, il condensatore possiede ancora un altra caratteristica, che viene spesso sfruttata all'interno dei circuiti elettronici.
Il condensatore è sensibile alla corrente o tensione alternata, quando è posto in circuito a corrente alternata, il condensatore crea un impedimento al passaggio della corrente.
In pratica si comporta come se fosse una resistenza, che varia il suo valore al variare della frequenza, questa resistenza prende il nome di reattanza capacitiva, viene indicata con la sigla XC e proprio come la resistenza si misura in ohm.
Ovviamente esiste pure la formula per calcolare la reattanza capacitiva:

XC=1/(2π x f x C)

dove XC è la reattanza in ohm, 2π è 2 pigreco quindi 6,28, f è la frequenza in Hz, e C è la capacita in farad.

Dalla formula è facilmente intuibile che la reattanza capacitiva è inversamente proporzionale alla frequenza, quando quest'ultima diminuisce la reattanza aumenta.
Quando la reattanza diviene molto elevata, il passaggio di corrente è talmente piccolo da considerare il condensatore come un circuito aperto, e quindi possiamo dire che il condensatore blocca le frequenze ad un certo valore di frequenza, in pratica si comporta come un filtro che lascia passare le frequenze oltre un certo valore, bloccando quelle al disotto dello stesso valore.
Ed è proprio questo un altro utilizzo del condensatore, ovvero quello di filtrate i segnali elettrici.
Il circuito più semplice di questo utilizzo è il filtro audio, non è difficile trovare condensatori in serie ad altoparlanti, proprio per filtrate le frequenze audio, ed evitare che giungano sull'altoparlante le frequenze non desiderate.

Visto i molteplici usi che se ne può fare del condensatore, capirete perché il condensatore è molto presente nei circuiti elettronici, e dato che è un componente che ha svariati utilizzi, ne esistono diverse varianti, ognuna più indicata per uno specifico utilizzo.

Dalla figura ad inizio articolo, possiamo vedere che esiste il condensatore elettrolitico, il condensatore poliestere, il condensatore al tantalio, il condensatore ceramico.

L'elettrolitico, è adatto ad alte capacità, può arrivare anche a 10.000 uF, quindi utile per livellare bene la tensione di un alimentatore, o per elevati tempi di carica e scarica.
Di contro però ha una tolleranza elevata, che arriva fino al 20%, quindi non è proprio adatto in circuito dove è richiesta molta precisione.
L'elettrolitico spesso è polarizzato, quindi per il suo funzionamento si deve prestare attenzione alla polarità.

I condensatori poliestere, hanno un capacità decisamente inferiore, possono arrivare al massimo a qualche uF, ma hanno una tensione di lavoro elevata, raggiungono tranquillamente i 1000v

I condensatori ceramici, invece hanno tensione di lavoro bassa arrivano a 20v, e capacità ridotta, in genere nell'ordine del nanoFard (nF), ma hanno una buona stabilità e tolleranza, quindi sono adatti nei circuiti dove è richiesta una buona recisone, tipo oscillatori ad alta frequenza.

I condensatori al tantalio, possono essere polarizzati come gli elettrolitici, sono più precisi di un elettrolitico, sono più piccoli di un elettrolitico, e per questo raggiungono capacità inferiori, possono essere sostituiti agli elettrolitici, dove è richiesto poco ingombro, ma non sopportano elevati sbalzi di tensione, quindi non sono sicuramente adatti come stabilizzatori di tensione.

Gli elettrolitici, hanno dimensioni generose, quindi è possibile stampare tutti valori, direttamente sull'involucro del condensatore, gli altri tipi invece spesso hanno dimensioni minuscole, quindi può succedere che non si riesca a stampare tutti i valori sull'involucro.
Per questo motivo anche per i condensatori esistono dei codici per identificare i valori, e purtroppo questi codici sono pure variabili da costruttore a costruttore.

Per quanto riguarda la capacità, il primo metodo è quello di stampare il solo valore della capacità, se troviamo solo il valore senza l'indicazione dell'unità di misura, allora quest'ultima è da intendere espressa in picofarad.
Esempio un condensatore che riporta stampato 15, sarà da intendere di capacità uguale a 15 pF.

Quando però il valore sale, esempio 15.000pF che poi sono 15nF, allora per risparmiare spazio e rendere il codice più piccolo, è più logico utilizzare un secondo metodo, ovvero stampare anche l'unità di misura, quindi al posto di 15000 è più conveniente stampare 15n, e per indicare la virgola, è conveniente inserire l'unità di misura al posto della virgola esempio 1n5 equivale a 1,5nF.

Salendo ancora esempio 150.000pF e quindi 150nF possiamo trovare pure l'unità di misura micro, essendo però 150nF uguale 0,15uF, non possiamo scrivere 15u, allora viene utilizzato un terzo metodo, che consiste nell'indicare lo zero virgola, stampando l'unità di misura prima del valore esempio u15.

Quindi 1u è 1uF mentre u1 diviene 0,1uF, in altri casi invece di scrivere l'unità di misura micro prima del valore, si utilizza mettere un punto al posto della u, quindi .1 significa u1 quindi 0,1uF ovvero 10nF o anche 100.000pF.

Esiste ancora un quarto metodo per stampare i valori, e consente nel esprimere il valore sempre in pF, utilizzando però solo 3 cifre, le prime 2 cifre per il valore numerico e la terza cifra per indicare il numero di zeri.

Se voglio stampare 150pF posso scrivere 151 ovvero 15+1zero.
Se voglio stampare 15nF che sono 15.000pF allora posso scrivere 153 ovvero 15+ 3zeri

A titolo di esempio vediamo come un valore di 220nF può essere stampato sui condensatori:
Il primo metodo non è adatto perché 220nF sono 220.000pF e stampare 220.000 sul corpo di un minuscolo condensatore porta via troppo spazio, quindi non è conveniente utilizzare il primo metodo.
Con il secondo metodo, troveremo stampato 220n
Con il terzo metodo troveremo stampato u22 o .22
Con il quarto metodo troveremo stampato 224
Quindi i codici 220n, u22, .22, 224 indicano tutti un valore di 220nF.

Oltre al valore della capacità, potrete pure trovare stampato una lettera che indica la tolleranza, le lettere sono in genere tre J K M, e stanno ad indicare J=5% K=10% M=20%.
Dopo questa lettere potete trovare un altro numero, che indica la massima tensione di funzionamento esempio 50=50volt 100=100volt e così via.

E allora un condensatore siglato .47M100 sarà un condensatore di valore .47 quindi 0,47uF, M quindi tolleranza 20% e 100 ovvero tensione massima 100v.

In fine, come per le resistenze, per alcune tipologie di condensatori, esiste il codice colori, e quindi anche qua avremmo una tabella per identificare i colori.

Per fare un esempio prendendo il condensatore a destra con le 5 bande colorate, possiamo stabilire la prima banda verde quindi valore 5, la seconda banda gialla quindi valore 4, la terza banda rossa, quindi moltiplicatore 100.
Importante sapere che il valore con i colori è sempre da considerare espresso in picofarad (pF), possiamo allora calcolare che il valore del condensatore in oggetto è 54x100=5400pF o se preferite 5,4nF.
Continuando con la quarta fascia di colore bianco possiamo identificare una tolleranza del 10%, fino all'ultima quinta fascia di colore argento che ci indica una tensione massima di 25v.

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