Condensatori: scopo, dispositivo, principio di funzionamento

In tutti i dispositivi radio ed elettronici, ad eccezione dei transistor e dei microcircuiti, vengono utilizzati condensatori. In alcuni circuiti ce ne sono molti, in altri meno, ma praticamente non ci sono circuiti elettronici senza condensatori.

In questo caso, i condensatori possono eseguire una varietà di attività nei dispositivi. Prima di tutto, si tratta di contenitori nei filtri di raddrizzatori e stabilizzatori. Con l'aiuto di condensatori, viene trasmesso un segnale tra gli stadi dell'amplificatore, vengono costruiti filtri a bassa e alta frequenza, vengono impostati intervalli di tempo nei ritardi e viene selezionata la frequenza di oscillazione in vari generatori.

I condensatori portano da banche leidenche a metà del XVIII secolo fu utilizzato nei loro esperimenti dallo scienziato olandese Peter van Mushenbrook. Ha vissuto nella città di Leida, quindi è facile indovinare perché è stata chiamata questa banca.

In realtà, si trattava di un normale barattolo di vetro, rivestito all'interno e all'esterno con una lamina di metallo - staniol. Fu usato per gli stessi scopi dell'alluminio moderno, ma l'alluminio non era ancora aperto.

L'unica fonte di elettricità in quei giorni era una macchina elettroforica, in grado di sviluppare una tensione fino a diverse centinaia di kilovolt. Fu da lei che caricarono un barattolo di Leida. Nei libri di testo di fisica, un caso è descritto quando Mushenbrook ha scaricato la sua lattina attraverso una catena di dieci guardie che si tengono per mano.

A quel tempo, nessuno sapeva che le conseguenze potevano essere tragiche. Il colpo si rivelò piuttosto sensibile, ma non fatale. Non è arrivato a questo, poiché la capacità del vaso Leyden era insignificante, l'impulso si è rivelato di breve durata, quindi il potere di scarica era piccolo.

Come è il condensatore

Il dispositivo del condensatore non è praticamente diverso dal vaso Leyden: tutte e due le stesse piastre, separate da un dielettrico. Ecco come vengono rappresentati i condensatori sui moderni circuiti elettrici. La Figura 1 mostra una struttura schematica di un condensatore piatto e la formula per il suo calcolo.

Figura 1. Dispositivo a condensatore piatto

Qui S è l'area della piastra in metri quadrati, d è la distanza tra le piastre in metri, C è la capacità in farad, ε è la costante dielettrica del mezzo. Tutti i valori inclusi nella formula sono indicati nel sistema SI. Questa formula è valida per il condensatore piatto più semplice: puoi semplicemente posizionare due piastre metalliche accanto a loro, da cui trarre conclusioni. L'aria può servire da dielettrico.

Da questa formula si comprende che il condensatore è più grande, maggiore è l'area delle piastre e minore è la distanza tra di esse. Per condensatori con una geometria diversa, la formula può essere diversa, ad esempio, per la capacità di un singolo conduttore o cavo elettrico. Ma la dipendenza della capacità dall'area delle piastre e la distanza tra loro è uguale a quella di un condensatore piatto: maggiore è l'area e minore è la distanza, maggiore è la capacità.

In effetti, i piatti non sono sempre piatti. Per molti condensatori, ad esempio la carta, le piastre sono in un foglio di alluminio arrotolato con un dielettrico di carta in una sfera stretta, a forma di una custodia di metallo.

Per aumentare la resistenza elettrica, la carta sottile del condensatore è impregnata di composizioni isolanti, spesso olio per trasformatori. Questo design consente di realizzare condensatori con una capacità fino a diverse centinaia di microfarad. I condensatori con altri dielettrici sono disposti in modo simile.

La formula non contiene alcuna restrizione sull'area delle piastre S e sulla distanza tra le piastre d.Se supponiamo che le piastre possano essere distribuite molto lontano e allo stesso tempo rendere l'area delle piastre abbastanza insignificante, allora una certa capacità, seppur piccola, rimarrà comunque. Questo ragionamento suggerisce che anche solo due conduttori situati nelle vicinanze hanno una capacità elettrica.

Questa circostanza è ampiamente utilizzata nella tecnologia ad alta frequenza: in alcuni casi, i condensatori sono realizzati semplicemente sotto forma di tracce di circuiti stampati, o anche solo due fili intrecciati insieme in isolamento in polietilene. Anche i normali tagliatelle o cavi hanno una capacità e con l'aumentare della lunghezza aumenta.

Oltre alla capacità C, qualsiasi cavo ha anche una resistenza R. Entrambe queste proprietà fisiche sono distribuite lungo la lunghezza del cavo e quando trasmettono segnali a impulsi, funzionano come una catena RC integrata, mostrata in Figura 2.

Figura 2

Nella figura, tutto è semplice: qui c'è il circuito, qui c'è il segnale in ingresso, ma qui è in uscita. L'impulso è distorto oltre il riconoscimento, ma ciò viene fatto apposta, per il quale il circuito è assemblato. Nel frattempo, stiamo parlando dell'effetto della capacità del cavo sul segnale a impulsi. Invece di un impulso, una tale "campana" apparirà sull'altra estremità del cavo, e se l'impulso è corto, potrebbe non raggiungere affatto l'altra estremità del cavo, scomparirà del tutto.

Fatto storico

Qui è del tutto appropriato ricordare la storia di come è stato posato il cavo transatlantico. Il primo tentativo nel 1857 fallì: i punti del telegrafo - i trattini (impulsi rettangolari) furono distorti in modo che nulla potesse essere smontato dall'altra parte della linea dei 4000 km.

Un secondo tentativo fu fatto nel 1865. A questo punto, il fisico inglese W. Thompson aveva sviluppato la teoria della trasmissione dei dati su linee lunghe. Alla luce di questa teoria, il passaggio dei cavi si è rivelato più efficace e siamo stati in grado di ricevere segnali.

Per questa impresa scientifica, la regina Vittoria concesse allo scienziato il titolo di cavaliere e il titolo di Lord Kelvin. Questo era il nome della piccola città sulla costa dell'Irlanda, dove iniziò la posa dei cavi. Ma questa è solo una parola, e ora torniamo all'ultima lettera nella formula, vale a dire, alla costante dielettrica del mezzo ε.

Un po 'di dielettrici

Questo ε è nel denominatore della formula, quindi il suo aumento comporterà un aumento della capacità. Per la maggior parte dei dielettrici utilizzati, come aria, lavsan, polietilene, fluoroplastico, questa costante è quasi la stessa di quella del vuoto. Ma allo stesso tempo, ci sono molte sostanze la cui costante dielettrica è molto più alta. Se il condensatore d'aria viene riempito con acetone o alcool, la sua capacità aumenterà ogni 15 ... 20.

Ma tali sostanze, oltre all'elevato ε, hanno anche una conduttività sufficientemente elevata, quindi un tale condensatore non terrà bene una carica, si scaricherà rapidamente da solo. Questo fenomeno dannoso si chiama corrente di dispersione. Pertanto, vengono sviluppati materiali speciali per i dielettrici che, con un'elevata capacità specifica dei condensatori, forniscono correnti di dispersione accettabili. Ciò spiega la diversità di tipi e tipi di condensatori, ognuno dei quali è progettato per condizioni specifiche.

Condensatore elettrolitico

La più grande capacità specifica (rapporto capacità / volume) condensatori elettrolitici. La capacità di "elettroliti" arriva fino a 100.000 microfarad e la tensione di funzionamento è fino a 600 V. Tali condensatori funzionano bene solo a basse frequenze, molto spesso nei filtri degli alimentatori. I condensatori elettrolitici sono accesi in polarità.

Gli elettrodi in tali condensatori sono un sottile film di ossido di metallo, quindi spesso questi condensatori sono chiamati ossido. Un sottile strato di aria tra tali elettrodi non è un isolante molto affidabile, pertanto tra le piastre di ossido viene introdotto uno strato di elettrolita. Molto spesso si tratta di soluzioni concentrate di acidi o alcali.

La Figura 3 mostra uno di questi condensatori.

Figura 3. Condensatore elettrolitico

Per valutare la dimensione del condensatore, accanto ad esso è stata fotografata una semplice scatola di fiammiferi. Oltre a una capacità sufficientemente grande nella figura, puoi anche vedere la tolleranza percentuale: non meno del 70% del valore nominale.

In quei giorni in cui i computer erano grandi e chiamati computer, tali condensatori erano nelle unità (nel moderno HDD). La capacità di informazione di tali unità ora può solo provocare un sorriso: 5 megabyte di informazioni sono state memorizzate su due dischi con un diametro di 350 mm e il dispositivo stesso ha pesato 54 kg.

Lo scopo principale dei supercondensatori mostrati nella figura era il ritiro delle testine magnetiche dall'area di lavoro del disco durante un'interruzione improvvisa di corrente. Tali condensatori potrebbero accumulare una carica per diversi anni, che è stata testata in pratica.

Un po 'più in basso con condensatori elettrolitici verrà offerto per fare alcuni semplici esperimenti per capire cosa può fare un condensatore.

Per funzionare nei circuiti CA, vengono prodotti condensatori elettrolitici non polari, per alcuni motivi è molto difficile ottenerli. Al fine di aggirare in qualche modo questo problema, gli "elettroliti" polari ordinari includono un contro-sequenziale: più-meno-meno-più.

Se il condensatore elettrolitico polare è incluso nel circuito a corrente alternata, si riscalda prima e quindi si sente un'esplosione. I vecchi condensatori domestici sono sparsi in tutte le direzioni, mentre quelli importati hanno un dispositivo speciale che evita colpi forti. Di solito si tratta di una tacca a croce sul fondo del condensatore o di un foro con un tappo di gomma situato nello stesso punto.

A loro non piacciono i condensatori elettrolitici di tensione aumentata, anche se si osserva la polarità. Pertanto, non inserire mai "elettroliti" in un circuito in cui è prevista una tensione prossima al massimo per un determinato condensatore.

A volte in alcuni forum, anche rispettabili, i principianti pongono la domanda: "Il condensatore 470µF * 16V è indicato sul diagramma e ho 470µF * 50V, posso metterlo?" Sì, certo che puoi, ma la sostituzione inversa è inaccettabile.

Il condensatore può immagazzinare energia

Per gestire questa affermazione, sarà di aiuto un semplice diagramma mostrato in Figura 4.

Figura 4. Circuito con condensatore

Il protagonista di questo circuito è un condensatore elettrolitico C con una capacità sufficientemente grande in modo che i processi di carica-scarica procedano lentamente e persino in modo molto chiaro. Ciò consente di osservare visivamente il funzionamento del circuito usando una luce convenzionale proveniente da una torcia. Queste luci hanno lasciato il posto ai moderni LED, ma le lampadine per loro vengono ancora vendute. Pertanto, è molto facile assemblare un circuito e condurre semplici esperimenti.

Forse qualcuno dirà: “Perché? Dopotutto, tutto è ovvio, e anche se leggi la descrizione ... " Sembra che non ci sia nulla da discutere qui, ma qualsiasi, anche la cosa più semplice, rimane a lungo nella testa se la sua comprensione viene attraverso le mani.

Quindi, il circuito è assemblato. Come lavora?

Nella posizione dell'interruttore SA, mostrato nello schema, il condensatore C viene caricato dalla fonte di alimentazione GB attraverso la resistenza R nel circuito: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. La corrente di carica nel diagramma è indicata da una freccia con l'indice i. Il processo di caricamento di un condensatore è mostrato nella Figura 5.

Figura 5. Processo di carica del condensatore

La figura mostra che la tensione sul condensatore aumenta lungo una curva, in matematica chiamata esponente. La corrente di carica rispecchia direttamente la tensione di carica. All'aumentare della tensione attraverso il condensatore, la corrente di carica diventa sempre meno. E solo al momento iniziale corrisponde alla formula mostrata in figura.

Dopo qualche tempo, il condensatore verrà caricato da 0 V alla tensione della fonte di alimentazione, nel nostro circuito a 4,5 V. L'intera domanda è: come è tempo di determinare per quanto tempo attendere, quando si caricherà il condensatore?

Costante di tempo di Tau τ = R * C

In questa formula, la resistenza e la capacità di un resistore e un condensatore collegati in serie vengono semplicemente moltiplicati.Se, senza trascurare il sistema SI, sostituisci la resistenza in Ohm, la capacità in Farads, il risultato sarà in secondi. È questa volta che è necessario che il condensatore si carichi fino al 36,8% della tensione della fonte di alimentazione. Di conseguenza, per una carica di quasi il 100%, sarà richiesto un tempo di 5 * τ.

Spesso, trascurando il sistema SI, la resistenza in Ohm viene sostituita nella formula, e la capacità è in microfarad, quindi il tempo passerà in microsecondi. Nel nostro caso, è più conveniente ottenere il risultato in pochi secondi, per il quale devi semplicemente moltiplicare i microsecondi per un milione o, più semplicemente, spostare la virgola di sei caratteri a sinistra.

Per il circuito mostrato in Figura 4, con un condensatore di 2000 μF e una resistenza di resistenza di 500 Ω, la costante di tempo sarà τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 di microsecondi o esattamente un secondo. Pertanto, dovrai attendere circa 5 secondi fino a quando il condensatore è completamente carico.

Se, trascorso il tempo specificato, l'interruttore SA viene ruotato nella posizione corretta, il condensatore C viene scaricato attraverso la lampadina EL. In questo momento, si verificherà un breve lampo, il condensatore si scaricherà e la luce si spegnerà. La direzione di scarica del condensatore è indicata da una freccia con indice ip. Il tempo di scarica è anche determinato dalla costante di tempo τ. Il grafico di scarica è mostrato in Figura 6.

Figura 6. Grafico di scarica del condensatore

Il condensatore non passa corrente continua

Per verificare questa affermazione, uno schema ancora più semplice, mostrato nella Figura 7, sarà di aiuto.

Figura 7. Circuito con un condensatore nel circuito CC

Se si chiude l'interruttore SA, seguirà un breve lampo della lampadina, che indica che il condensatore C viene caricato attraverso la lampadina. Qui viene mostrato anche il grafico di carica: al momento in cui l'interruttore si chiude, la corrente è massima, poiché il condensatore si carica, diminuisce e dopo un po 'si arresta completamente.

Se il condensatore è di buona qualità, ad es. con una piccola corrente di dispersione (autoscarica), la chiusura ripetuta dell'interruttore non provoca un lampo. Per ottenere un altro flash, il condensatore dovrà essere scaricato.

Condensatore in filtri di potenza

Il condensatore viene solitamente posizionato dopo il raddrizzatore. Molto spesso, i raddrizzatori sono realizzati a semionda. I circuiti raddrizzatori più comuni sono mostrati nella Figura 8.

Figura 8. Circuiti del raddrizzatore

I raddrizzatori a semionda vengono anche usati abbastanza spesso, di regola, nei casi in cui la potenza di carico è insignificante. La qualità più preziosa di tali raddrizzatori è la semplicità: solo un diodo e un avvolgimento del trasformatore.

Per un raddrizzatore a semionda, la capacità del condensatore del filtro può essere calcolata con la formula

C = 1.000.000 * Po / 2 * U * f * dU, dove C è il condensatore μF, Po è la potenza di carico W, U è la tensione all'uscita del raddrizzatore V, f è la frequenza della tensione CA Hz, dU è l'ampiezza dell'ondulazione V.

Un gran numero nel numeratore di 1.000.000 converte la capacità del condensatore dal sistema Farad a microfarad. I due nel denominatore rappresentano il numero di mezze periodi del raddrizzatore: per una semionda al suo posto, apparirà un'unità

C = 1.000.000 * Po / U * f * dU,

e per un raddrizzatore trifase, la formula assumerà la forma C = 1.000.000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercapacitor - Ionistor

Di recente, una nuova classe di condensatori elettrolitici, il cosiddetto ionistor. Nelle sue proprietà, è simile a una batteria, tuttavia, con diverse limitazioni.

Lo ionistore si carica alla tensione nominale in breve tempo, letteralmente in pochi minuti, quindi è consigliabile utilizzarlo come fonte di alimentazione di backup. In effetti, lo ionistor è un dispositivo non polare, l'unica cosa che determina la sua polarità è la ricarica in fabbrica. Per non confondere questa polarità in futuro, è indicato dal segno +.

Un ruolo importante è svolto dalle condizioni operative degli ionistori. A una temperatura di 70 ° C ad una tensione di 0,8 della durata nominale garantita non superiore a 500 ore.Se il dispositivo funzionerà a una tensione di 0,6 dal valore nominale e la temperatura non supera i 40 gradi, è possibile un corretto funzionamento per 40.000 ore o più.

Le applicazioni a ionistori più comuni sono fonti di alimentazione di backup. Questi sono principalmente chip di memoria o orologi elettronici. In questo caso, il parametro principale dello ionistore è una corrente di dispersione bassa, la sua autoscarica.

Abbastanza promettente è l'uso di ionizzatori in combinazione con pannelli solari. Influisce anche sulla non criticità delle condizioni della carica e su un numero quasi illimitato di cicli di carica-scarica. Un'altra proprietà preziosa è che lo ionistore non richiede manutenzione.

Finora si è scoperto come e dove funzionano i condensatori elettrolitici, e principalmente nei circuiti CC. Il funzionamento dei condensatori nei circuiti CA sarà descritto in un altro articolo - Condensatori per installazioni elettriche CA..

Boris Aladyshkin 

Post scriptum Un caso d'uso interessante per i condensatori: saldatura a condensatore