04 – Il condensatore – it

Eccoci al quarto appuntamento dedicato all’elettronica di base. Oggi parleremo del condensatore, come sempre con parole semplici, senza eccessivi fronzoli. I condensatori, che in inglese troverete come “capacitor” sono dei componenti che permettono di accumulare cariche elettriche quando gliele forniamo e le restituisco quando cala il potenziale del circuito in cui sono inseriti.. Essi funzionano come una specie di serbatoio d’acqua: quando sono vuoti e c’è un buon flusso alla sorgente, tendono a riempirsi, quando invece si riduce il flusso che li ha riempiti tendono a svuotarsi cedendo il loro contenuto. Il simbolo usato negli schemi elettronici è quello qui a lato, invece per quanto riguarda la forma fisica, essa è variabile in base alla tipologia di condensatore per cui ne parleremo caso  per caso. Anche per quanto riguarda il simbolo, come vedete, in realtà sono due diversi, il primo con due barre parallele per i condensatori non polarizzati e  l’altro per quelli polarizzati, con una barra dritta al polo positivo e un’arco verso il negativo. 

Facciamo un esempio: prendiamo un condensatore e colleghiamolo ad una pila. Aspettiamo che il condensatore si carichi e stacchiamolo dalla pila stessa. E ora? Ora il condensatore ha dentro di sé una carica che trattiene sino a che non la sprigioniamo, come se fosse una minuscola batteria. In via teorica questa energia dovrebbe durare all’infinito, in via pratica invece si scarica lentamente anche all’aria (ricordate la differenza fra componente ideale e reale?). Ora, se colleghiamo il condensatore ad una lampadina (è un esempio puramente teorico, nella pratica non funzionerebbe), questa si accenderebbe, dapprima bella luminosa e poi, con la diminuzione della carica elettrica, sempre più flebile sino allo spegnimento. A questo punto il condensatore è del tutto scarico ed ha liberato tutta l’energia accumulata. Se inseriamo un condensatore in un circuito a tensione continua, perciò, il condensatore si carica all’accensione e si scarica allo spegnimento e di fatto non sembrerebbe servire a gran che. In realtà, come accennavamo, ci sono condensatori sia polarizzati che non polarizzati, i primi ovviamente funzionano su circuiti a corrente continua e quindi? Quindi la realtà è che la tensione non è mai una linea perfettamente piatta e anche quando la tensione è continua in relatà abbiamo sempre delle oscillazioni che i condensatori possono aiutare a contrastare.

La quantità di energia accumulabile dal condensatore (Q) è data dal rapporto della tensione di lavoro (V) per la capacità del condensatore stesso (C) Q=CV e si misura in Farad, anche se normalmente le unità in gioco sono di micro, nano o pico Farad. Maggiore è questa capacità e maggiore è il tempo necessario per caricarsi, allo stesso modo maggiore è la tensione che raggiunge il condensatore e minore è il tempo di carica dello stesso.

Per un attimo facciamo finta che il condensatore sia paragonabile ai nostri polmoni. Quando inspiriamo tratteniamo l’aria, ossia la carica elettrica. Se al momento dell’espirio teniamo la bocca aperta e facciamo uscire l’aria, ne esce un’alitata che non riuscirebbe nemmeno a spegnere una candelina di compleanno. Quindi il condensatore da solo si comporterebbe come il respiro a bocca aperta per cui in un istante si carica e si scarica senza nessun controllo. Se invece via via  chiudiamo la bocca, otterremo un flusso d’aria più durevole ed il tempo per riempire i polmoni e svuotali aumenta. A livello elettronico avrete capito che con il condensatore funziona alla stessa maniera per cui abbiamo bisogno di un resistore per controllare la carica e la scarica dello stesso. Poco sopra dicevo che “maggiore è la tensione che raggiunge il condensatore e minore è il tempo di carica dello stesso“. Come moduliamo la tensione che raggiunge il condensatore? Mettendoci un resistore a monte! Ed ecco che ci troviamo ad avere un resistore ed un condensatore in serie. Risulta molto importante sapere che il della resistenza del resistore per  la capacità del condensatore (RC da cui la definizione di “circuiti RC”) prende il nome di “costante di tempo” ed esprime un tempo in secondi che guarda caso è proprio il tempo necessario in quelle condizioni perché il condensatore si carichi , più precisamente indica il tempo affinché il condensatore raggiunga il 63% della sua carica (t=R*C dove t è la costante di tempo tau). La carica segue una legge logaritmica e non lineare, per cui la carica del condensatore viene completata in circa 5t, come meglio comprensibile nella tabellina qui sotto.

Tempo	% di carica	% di scarica
1t	63%	37%
2t	86%	14%
3t	95%	5%
4t	97%	3%
5t	99%	1%

Per quanto riguarda il processo di scarica, questo è speculare, per cui a 1t residueranno i 3/5 della carica e a 5t vi sarà la scarica pressoché completa.

 Ora cerchiamo di capire più nel dettaglio come funziona il condensatore. Osserviamo lo schema qui sotto:

Sull’asse verticale di sinistra troviamo la tensione in uscita dell’alimentatore, che corrisponde alla traccia verde. Sulla destra troviamo la scala della corrente che attraversa il condensatore, che corrisponde alla traccia blu. Sull’asse orizzontale c’è il tempo che scorre. Fate attenzione che lo zero del tracciato blu e verde sono su due piani diversi. Seguite con attenzione. Al tempo 0 sia la tensione in uscita dall’alimentatore che la corrente che attraversa il condensatore sono a zero e questa condizione si mantiene sino a 0.2 sec. Da questo punto la tensione si porta, in altri 0.2s, sino a 5V. Come vedete la corrente che attraversa il condensatore aumenta rapidamente descrivendo la curva logaritmica rappresentata nella tabella di prima. Finché la tensione continua ad aumentare, attraverso il condensatore continua ad assorbire corrente. Nel momento in cui la tensione si stabilizza, il condensatore stabilizza la sua carica per cui la corrente che lo transita rallenta con una curva logaritmica inversa a quella di prima. Ciò non significa che il condensatore si stà scaricando, ma semplicemente smette di assorbire ulteriori cariche per cui la corrente diminuisce. Quando però la tensione comincia a scendere, il condensatore comincia a scaricarsi, infatti vediamo che il grafico di corrente si inverte e diventa negativo. 

Ora andiamo a misurare la tensione fra la resistenza ed il condensatore. In questo punto riusciremo a vedere gli effetti del condensatore per capire meglio come agisce. Vi ripropongo lo stesso identico grafico di prima ma con l’aggiunta di una traccia rossa che che mostra l’effetto del circuito RC.

 

Se confrontiamo la traccia rossa con la blu vediamo quali sono le differenze. Più nel dettaglio si vede che la tensione inizia a crescere più lentamente ed in maniera più dolce, meno brusca, inoltre si vede come anche al raggiungimento della tensione massima vi è un arrotondamento della curva che rallenta ed addolcisce il passaggio al culmine della tensione. Quando la tensione comincia a scendere, il condensatore comincia a scaricarsi e fornisce cariche elettriche al circuito. Infatti si vede che nonostante (linea blu) la tensione cominci a scendere, la tensione (linea rossa) del circuito RC continua a mantenersi più alta con una discesa più graduale. Potremmo dire che il condensatore si “oppone ai bruschi cambiamenti”, infatti ogni volta che c’è un’improvvisa variazione di tensione, tende a contrastare la variazione stessa.

Il condensatore può essere usato in diversi modi. Un utilizzo tipico è quello legato alla riduzione di piccole irregolarità di tensione, ad esempio con i circuiti digitali, gran parte dei circuiti integrati possono creare delle irregolarità della tensione al momento in cui passano da uno stato di riposo ad uno di massimo carico o viceversa. Comunque, indipendentemente dalla causa, le piccole imperfezioni di tensione possono essere ridotte con l’uso di un condensatore. Vediamo il seguente grafico. 

La traccia verde rappresenta la tensione di alimentazione. Vediamo che a partire dallo zero si innalza per stabilizzarsi a 5V. Intorno agli 0.6sec, c’è un picco improvviso che porta la tensione a circa 7V per un periodo brevissimo. Nella traccia blu vediamo come agisce il condensatore, infatti pur essendoci un innalzamento di tensione corrispondente con lo sbalzo, questo è di neanche 0.5V contro il picco di 2. E’ intuitivo capire che più breve è il picco di tensione e meglio agisce il condensatore, infatti se allungassimo quel picco la tensione aumenterebbe di più, mentre se fosse più breve aumenterebbe di meno. Questo ci permette di iniziare a capire l’importanza del tempo che a sua volta ci porta al concetto di frequenza e all’uso dei condensatori come filtri di frequenza. Ma questo è un argomento più avanzato che lasciamo per gli articoli futuri. Nel prossimo articolo vediamo alcuni circuiti base che mostrano il funzionamento di resistori, condensatori e diodi insieme.