Il condensatore è un componente elettrico costituito, nella sua forma più semplice, da 2 lamine metalliche chiamate armature separate da un isolante.
Esso è in grado di accumulare e mantenere cariche elettriche tra le sue armature: se viene collegato ad un generatore, nello spazio tra le 2 lamine, si forma un campo elettrico diretto dalla piastra positiva a quella negativa.
Si definisce capacità C il rapporto tra la carica Q e la differenza di potenziale V tra le armature:
C = Q/V
in cui:
l'unità di misura è il Farad [F], ma generalmente si utilizzano campi di valori dal pF (picofarad) al mF (millifarad).
Esiste anche un'altra relazione che lega la capacità alle sole caratteristiche geometriche del condensatore:
C = ε0 · εr · S/d
in cui:
- ε0 è la costante dielettrica del vuoto pari a 8,86 · 10-12 F/m
- εr è la costante dielettrica del materiale tra le 2 armature
- S è la superficie delle piastre
- d è la distanza
Quindi la capacità elettrica dipende:
- dalla superficie delle piastre; maggiore è la superficie, maggiore è il numero di cariche elettriche che può immagazzinare e maggiore è la capacità
- dalla forma; un condensatore piano ha una capacità maggiore rispetto ad una forma diversa
- dal dielettrico nel quale è immerso
Un condensatore è in grado di immagazzinare energia elettrostatica quando le armature sono sottoposte ad una differenza di potenziale V; il valore di tale energia è dato dalla formula:
\( W = \frac{1}{2} \cdot C \cdot V^2 \)
Il condensatore si comporta come un circuito aperto in continua (dopo un eventuale transitorio iniziale) e in alternata ha una reattanza che varia in funzione della frequenza in modo inversamente proporzionale.
La corrente che attraversa il condensatore è descritta dalla seguente formula:
\( i_c(t) = C \cdot \frac{\Delta V_c (t)}{ \Delta t} \)
e questa esprime chiaramente il fatto che solo se sottoposto a tensioni variabili il condensatore può essere attraversato da corrente; infatti se la tensione è continua, la corrente è nulla.
A parità di valore capacitivo è utile che i condensatori abbiano un volume ridotto per una maggiore efficienza volumetrica; quest'ultima viene ottimizzata con 2 tipologie costruttive:
- struttura cilindrica con avvolte più strisce di materiale isolante poste fra 2 strati di materiale conduttore; più le strisce sono lunghe, maggiore è la capacità
- struttura multilayer in cui si alternano armature e dielettrico; le armature con posto pari vengono poi collegate insieme e così quelle di posto dispari: in tal modo è come avere n condensatori in parallelo le cui capacità si sommano.
I parametri caratteristici di un condensatore sono:
- la capacità
- la tolleranza di fabbricazione
- la tensione nominale
- la resistenza di isolamento
- il coefficiente di temperatura
- le perdite in continua (espresse dalla resistenza di isolamento)
- le perdite in alternata (fattore di perdita)
Il valore di capacità nominale è impresso dal produttore sul contenitore e può essere espresso come codice colori o mediante codice numerico.
La tolleranza di fabbricazione è un valore percentuale che esprime quanto si può discostare il valore reale di capacità dal valore dichiarato.
La tensione nominale è il valore massimo applicabile al condensatore a temperatura ambiente senza danneggiarlo.
Il coefficiente di temperatura viene espresso in grafico dal costruttore poiché non è lineare ed esprime la dipendenza del valore di capacità dalla temperatura. In alcuni tipi di condensatori, invece, la relazione è lineare esprimibile come la dipendenza resistiva:
\( C = C_o (1 + \alpha \Delta T) \)
in cui C è la capacità a temperatura T, Co è il valore capacitivo riferito a 0°C, ΔT è il valore T° - 0° e α è il coefficiente di temperatura [°C-1 ].
La resistenza di isolamento è la resistenza del dielettrico nella quale viene dissipata la potenza, vale in genere qualche MΩ.
