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Scopri tutto quello che devi sapere sui condensatori, compresa la capacità, la misurazione della carica elettrica e i diversi tipi di calotte.

I condensatori svolgono un ruolo significativo nella famiglia di componenti elettronici passivi e il loro uso è molto esteso.

Hai presente il flash nella tua fotocamera digitale? Funziona grazie ai condensatori. O i comandi per cambiare canale sul televisore? Anche in questo caso, funzionano grazie ai condensatori. Queste piccole batterie permettono di eseguire una serie di attività ed è pertanto fondamentale conoscerne caratteristiche e funzionamento prima di iniziare a lavorare ad un progetto elettronico.

Come un gelato biscotto

Per semplificare, un condensatore immagazzina una carica elettrica, proprio come una batteria. Noti anche come calotte, questi componenti sono presenti in applicazioni che richiedono l’immagazzinamento dell’energia, la soppressione della tensione e persino il filtraggio dei segnali. Com’è possibile riconoscerli? È facile!

Pensa ad un delizioso gelato biscotto! I biscotti sono disposti su due lati e al centro c’è uno strato di gelato alla vaniglia. Questa composizione con due strati esterni ed uno interno ricorda l’aspetto di un condensatore.

Ecco di cosa sono fatti:

• Partiamo dall’esterno. Nella parte superiore e inferiore di un condensatore è presente una serie di piastre metalliche, denominate anche conduttori. La carica elettrica viene attirata da queste piastre di metallo.
• Passiamo al centro. Al centro di queste due piastre di metallo è presente un isolante o un materiale che non attira l’elettricità. Questo isolante, comunemente definito dielettrico, può essere fatto di carta, vetro, gomma, plastica o altro materiale.
• L’elemento che unisce. Le due piastre in metallo nella parte superiore e inferiore di una calotta sono collegate da due terminali elettrici che le collegano al resto di un circuito. Un’estremità del condensatore è collegata all’alimentazione, mentre l’altra va a terra.

Condensatori di tutte le forme e dimensioni

I condensatori hanno diverse forme e dimensioni, che ne determinano la capacità di mantenere una carica. I tre tipi più comuni di condensatori sono condensatore ceramico, condensatore elettrolitico e supercondensatore:

Condensatori ceramici

Sono i condensatori che probabilmente utilizzerai nel tuo primo progetto elettronico utilizzando un breadboard. A differenza delle loro controparti elettrolitiche, i condensatori ceramici trattengono una carica minore ma perdono anche meno corrente. Sono anche i condensatori più economici del gruppo, quindi fanne scorta! Puoi identificare rapidamente un condensatore ceramico a foro passante cercando i piccoli bulbi gialli o rossi con due terminali che fuoriescono.

Condensatori elettrolitici

Questi componenti assomigliano alle piccole scatole di latta tipicamente presenti su una scheda elettronica e possono contenere un’enorme carica elettrica nel loro piccolo ingombro. Sono anche l’unico tipo di condensatore polarizzato, il che significa che funzionano solo se sono cablati con un determinato orientamento. Questi condensatori elettrolitici hanno un perno positivo, chiamato anodo, e un perno negativo, chiamato catodo. L’anodo deve essere sempre collegato ad una tensione superiore. Se il cablaggio avviene al contrario, con il catodo che riceve una tensione più alta, l’effetto sarà quello di un tappo che esplode!

Nonostante la capacità di trattenere una grande quantità di carica elettrica, è noto che le calotte elettrolitiche perdono corrente più rapidamente rispetto alle calotte in ceramica. Per questo motivo, non sono la scelta migliore quando è necessario immagazzinare energia.

Supercondensatori

I supercondensatori sono i supereroi della famiglia dei condensatori perché possono immagazzinare un’elevata quantità di energia. Purtroppo, non gestiscono molto bene le tensioni in eccesso e possono esplodere quando si supera la tensione massima indicata nella loro scheda tecnica.

A differenza dei condensatori elettrolitici, i supercondensatori vengono utilizzati per immagazzinare e scaricare energia, proprio come una batteria. Ma diversamente da una batteria, i supercondensatori rilasciano tutta la loro carica nello stesso momento e non possono garantire la durata di una batteria normale.

Simboli dei condensatori

Identificare un condensatore nel tuo primo schema è molto semplice perché possono essere solo due tipi, ovvero standard o polarizzati. Osserva il simbolo del condensatore standard di seguito. Come puoi notare, è costituito da due semplici linee con uno spazio al centro, ovvero le due piastre di metallo che si trovano sulla parte superiore e inferiore di un condensatore fisico.

Il condensatore polarizzato, che appare leggermente diverso, include una linea ad arco nella parte inferiore e un terminale positivo nella parte superiore. Questo terminale positivo è estremamente importante e indica come deve essere cablato il condensatore polarizzato. Il lato positivo viene sempre collegato all’alimentazione, mentre il lato dell’arco è collegato a terra.

Chi ha inventato queste cose?

Anche se molti attribuiscono al chimico inglese Michael Faraday il merito di essere stato il pioniere dell’attuale condensatore, non è stato lui ad inventarlo. Quello che ha fatto Faraday è stato importante. Nei suoi esperimenti ha infatti illustrato i primi esempi pratici del condensatore e come utilizzarlo per immagazzinare una carica elettrica. Grazie a Faraday, oggi siamo in grado di misurare la carica che un condensatore può immagazzinare, nota come capacità e misurata in Farad.

Prima di Michael Faraday, alcuni dati indicano come inventore del primo condensatore, nel 1745, lo scienziato tedesco Ewald Georg von Kleist. Mesi dopo, un professore olandese di nome Pieter van Musschenbroek propose un progetto simile, oggi noto come Bottiglia di Leida. Strano tempismo, vero? Si è trattato di una semplice coincidenza ed entrambi gli scienziati hanno ricevuto lo stesso riconoscimento per aver inventato i primi modelli di condensatore.

Il famoso Benjamin Franklin successivamente ha migliorato il progetto della Bottiglia di Leida creato da Musschenbroek. Franklin ha anche scoperto che l’utilizzo di un pezzo di vetro piatto era un’ottima alternativa all’utilizzo di una bottiglia. È così che è nato il primo condensatore piatto, soprannominato quadro di Franklin.

Condensatori in azione

Vediamo nel dettaglio come funzionano questi potenti condensatori con un esempio pratico. Hai già usato una macchina fotografica digitale, giusto? Allora saprai che passano alcuni brevi momenti tra quando premi il pulsante per scattare una foto e quando il flash si spegne.

Che cosa succede in questo lasso di tempo? Il flash è dotato di un condensatore che si ricarica dopo aver premuto il pulsante per scattare una foto. Quando il condensatore viene completamente caricato dalla batteria della fotocamera, tutta l’energia esplode producendo un lampo di luce accecante!

Funzionamento

Come si spiega questo fenomeno? Osserviamo il misterioso mondo dei condensatori dall’interno:

1. Tutto inizia con una carica. La corrente elettrica proveniente da una fonte di alimentazione fluisce in un condensatore e si blocca sulla prima piastra. Perché si blocca? Perché c’è un isolante che non lascia passare particelle elettroniche con carica negativa.
2. Le cariche si accumulano. Man mano che un numero sempre maggiore di elettroni si blocca sulla prima piastra, questa si carica negativamente e inizia a spingere tutti gli elettroni in eccesso che non riesce a gestire verso l’altra piastra. La seconda piastra si carica quindi positivamente.
3. La carica viene immagazzinata. Mentre le due piastre del condensatore continuano a caricarsi, gli elettroni negativi e positivi cercano freneticamente di unirsi, ma il fastidioso isolante collocato al centro non glielo permette e questo crea un campo elettrico. La tensione non risolta tra il lato negativo e quello positivo delle due piastre è il motivo per cui la calotta continua a trattenere e immagazzinare una carica.
4. La carica viene liberata. Prima o poi, le due piastre del nostro condensatore non riescono più a trattenere la carica perché sono al limite della capacità. Cosa succede a questo punto? Se nel circuito è presente un percorso che permette alla carica elettrica di fluire altrove, tutti gli elettroni nella calotta si scaricheranno ponendo fine alla tensione mentre cercano un altro percorso.

Misurazione della carica

In che modo è possibile misurare la quantità di carica immagazzinata in un condensatore? Ogni calotta è realizzata per contenere una determinata capacità misurata in Farad, dal nome del chimico inglese Michael Faraday. Poiché un Farad trattiene una tonnellata di carica elettrica, i condensatori vengono generalmente misurati in picofarad o microfarad. Di seguito è disponibile un’utile tabella che mostra la suddivisione di queste unità di misura:

Ora, per capire quanta carica sta immagazzinando un condensatore, è necessaria questa equazione:

Q = CV

In questa equazione, la carica totale è rappresentata da (Q) e il rapporto di tale carica può essere trovato moltiplicando la capacità di un condensatore (C) e la tensione applicata (V). Una cosa da notare è che la capacità di un condensatore ha una relazione diretta con la sua tensione. Quindi, più aumenta o diminuisce la fonte di tensione in un circuito, maggiore o minore sarà la carica del condensatore.

Capacità nei circuiti in parallelo e in serie

Quando i condensatori vengono collegati in parallelo in un circuito, è possibile calcolare la capacità totale sommando tutte le singole capacità.

Quando invece vengono collegati in serie, la capacità totale del circuito è uguale al rapporto tra il prodotto dei condensatori e la loro somma. Ecco un esempio rapido: se due condensatori da 10 F sono collegati in serie, produrranno una capacità totale di 5 F.

Esempio pratico di funzionamento

Ora che sappiamo cosa sono i condensatori, come funzionano e come si misurano, diamo un’occhiata a tre applicazioni comuni dei condensatori, ovvero condensatori di disaccoppiamento, accumulo di energia e sensori tattili capacitivi.

Condensatore di disaccoppiamento

Oggi è difficile trovare un circuito che non includa un circuito integrato o IC. In questi tipi di circuiti, i condensatori hanno un compito fondamentale: eliminare tutti i disturbi ad alta frequenza presenti nei segnali di alimentazione di un circuito integrato.

Perché questo compito è necessario per il nostro condensatore? Qualsiasi fluttuazione di tensione può essere fatale per un circuito integrato e può persino provocare lo spegnimento imprevisto del chip. Posizionando i condensatori tra il circuito integrato e l’alimentazione è possibile ridurre le fluttuazioni di tensione e creare inoltre una seconda fonte di alimentazione nel caso in cui l’alimentazione primaria si abbassi al punto da spegnere un circuito integrato.

Immagazzinamento di energia

I condensatori hanno molte caratteristiche simili alle batterie, tra cui la capacità di immagazzinare energia. Tuttavia, a differenza della batteria, i condensatori non sono in grado di trattenere la stessa quantità di energia. Compensano tuttavia questa loro mancanza con la capacità di scaricare energia il più rapidamente possibile. I condensatori possono fornire energia molto più velocemente di una batteria, il che li rende perfetti per alimentare il flash di una fotocamera, sintonizzare una stazione radio o cambiare i canali di un televisore.

Sensori tattili capacitivi

Uno dei progressi più recenti nelle applicazioni dei condensatori riguarda l’esplosione delle tecnologie touchscreen. Gli schermi di vetro che compongono questi sensori tattili hanno un rivestimento metallico trasparente molto sottile. Quando il dito tocca lo schermo, si crea una caduta di tensione che identifica la posizione esatta del dito.

Indicazioni pratiche: come scegliere un condensatore

Torniamo ora nel mondo reale e proviamo a capire concretamente quali caratteristiche dovrai cercare nel tuo prossimo condensatore. Le variabili da considerare sono cinque, ovvero:

• Dimensioni: questo dato comprende sia le dimensioni fisiche del condensatore sia la sua capacità totale. Non stupirti se il condensatore scelto occupa la maggior parte della scheda elettronica, perché più capacità ti serve, più grande sarà il condensatore.
• Tolleranza: proprio come i resistori, ovvero le loro controparti, anche i condensatori hanno una tolleranza variabile. La tolleranza dei condensatori è compresa tra ±1% e ±20% del valore dichiarato.
• Tensione massima: ogni condensatore è in grado di gestire una determinata tensione massima. Altrimenti esplode. Le tensioni massime sono comprese tra 1,5 e 100 V.
• Resistenza in serie equivalente (ESR): come qualsiasi altro materiale fisico, i terminali di un condensatore hanno una resistenza molto limitata. Questo può diventare un problema se si deve fare attenzione al calore e alla perdita di energia.
• Corrente di dispersione: a differenza delle batterie, i condensatori perdono la carica accumulata. Anche se si scarica lentamente, è consigliabile prestare attenzione a quanto perde il condensatore, se la sua funzione principale è quella di immagazzinare energia.

Il tuo pieno di energia

Questo è tutto ciò che devi sapere sui condensatori, per fare il pieno di energia per il tuo prossimo progetto di elettronica! I condensatori sono un piccolo insieme affascinante, in grado di immagazzinare una carica elettrica per diverse applicazioni, e possono persino fungere da fonte secondaria di alimentazione per questi circuiti integrati sensibili. Quando utilizzi i condensatori, fai molta attenzione alla tensione massima supportata. Altrimenti, rischierai di provocare l’esplosione delle calotte, come illustrato nel video:

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