Condensatori: teoria e applicazione

May 26, 2023

I condensatori sono tra i componenti più comunemente utilizzati su un circuito. Con il numero sempre crescente di dispositivi elettronici (dai telefoni cellulari alle automobili), c'è stata una crescente domanda di condensatori. La pandemia di Covid 19 ha interrotto la catena di fornitura globale di componenti, dai semiconduttori ai componenti passivi, e i condensatori scarseggiano1.

Una discussione sul tema dei condensatori potrebbe facilmente diventare un libro o un dizionario. Per cominciare, esistono diversi tipi di condensatori come condensatori elettrolitici, a film, ceramici e così via. Quindi, all'interno della stessa tipologia, esistono materiali dielettrici diversi. Ci sono anche diverse classi. Per quanto riguarda la costruzione fisica, esistono tipi di condensatori a due e tre terminali. C'è anche un condensatore di tipo X2Y che essenzialmente è una coppia di condensatori Y confezionati in uno2. E i supercondensatori? Il fatto è che se ti siedi e inizi a leggere la guida alla selezione dei condensatori dei principali produttori, potresti facilmente passarci una giornata!

Poiché questo articolo riguarda i fondamenti, utilizzerò un approccio diverso rispetto a quello che farei normalmente. Come accennato in precedenza, è possibile trovare facilmente una guida alla selezione dei condensatori sui siti Web dei fornitori3,4 e i tecnici sul campo spesso possono rispondere alla maggior parte delle domande sui condensatori. In questo articolo, invece di ripetere ciò che puoi trovare su internet, utilizzerò esempi pratici per dimostrare come selezionare e utilizzare i condensatori. Verranno trattati anche alcuni aspetti meno noti della scelta dei condensatori, come il degrado della capacità. Dopo aver letto questo articolo, dovresti avere una buona idea dell'uso dei condensatori.

Ma prima rispondiamo alla domanda fondamentale: cos'è un condensatore?

Anni fa, quando lavoravo per un'azienda che produceva dispositivi elettronici, avevamo una domanda per un colloquio per ingegneri di elettronica di potenza. Sugli schemi di un prodotto esistente, potremmo chiedere ai potenziali candidati: “Qual è la funzione del condensatore elettrolitico del collegamento CC?” e "Qual è la funzione di un condensatore ceramico che si trova accanto a un chip?" Ci aspetteremmo che la risposta corretta sia che il condensatore del collegamento CC viene utilizzato per l'accumulo di energia e il condensatore ceramico viene utilizzato per il filtraggio.

Le risposte “corrette” che stavamo cercando mostravano in realtà che tutti i membri del team di progettazione vedevano un condensatore dal semplice punto di vista del circuito, non dalla teoria del campo. Non c'è niente di sbagliato nel punto di vista della teoria dei circuiti. A bassa frequenza (da pochi kHz a pochi MHz), la teoria dei circuiti spesso spiega le cose molto bene. Questo perché, alle frequenze più basse, i segnali sono prevalentemente in modalità differenziale. Utilizzando la teoria dei circuiti, possiamo visualizzare un condensatore come quello mostrato nella Figura 1, con un resistore in serie equivalente (ESR) e un induttore in serie equivalente (ESL) che fa sì che l'impedenza del condensatore cambi con la frequenza.

Figura 1: Modello Spice di un circuito equivalente di un condensatore ceramico e la sua curva di impedenza

Questo modello spiega adeguatamente le prestazioni del circuito quando il circuito commuta lentamente. Tuttavia, man mano che la frequenza aumenta, le cose diventano molto più complesse. Ad un certo punto, i componenti iniziano a mostrare non linearità. Un semplice modello LCR presenta i suoi limiti quando la frequenza aumenta.

Oggi, se mi venissero poste le stesse domande dell'intervista, indosserei gli occhiali per la teoria del campo e direi che entrambi i tipi di condensatori sono dispositivi di accumulo di energia. La differenza è che un condensatore elettrolitico può immagazzinare molta più energia di un condensatore ceramico. Ma quando si tratta di fornire energia, un condensatore ceramico può fornire l’energia molto più rapidamente. Ciò spiega perché i condensatori ceramici devono essere posizionati accanto al chip perché un chip ha una frequenza di commutazione e una velocità di commutazione molto più elevate rispetto al circuito di alimentazione principale.

Da questo punto di vista possiamo definire semplicemente due criteri prestazionali per un condensatore. Uno è la quantità di energia che un condensatore può immagazzinare, l'altro è la velocità con cui questa energia può essere consegnata. Entrambi dipendono da come è realizzato un condensatore, dai materiali dielettrici, dalla connessione al condensatore e altro ancora.