I condensatori sono un componente essenziale dei circuiti moderni e sono presenti in quasi tutti i dispositivi elettrici. Questi componenti passivi si possono trovare in sottosistemi elettronici fondamentali come circuiti RC (resistore/condensatore), circuiti RLC (resistore/induttore/condensatore), circuiti di potenza, alimentatori e molto altro.
Date le loro caratteristiche di versatilità, economicità e affidabilità, esistono tre tipi di condensatori particolarmente comuni: condensatori ceramici, a film sottile ed elettrolitici. Questo articolo analizza come vengono prodotti questi tre tipi di condensatori e ne evidenzia alcune differenze fondamentali.
Di cosa sono fatti i condensatori?
Fondamentalmente, i condensatori sono costituiti da due elettrodi (conduttori, spesso metallici) separati da un dielettrico (isolante). Quando a uno degli elettrodi viene applicato un segnale elettrico, l'energia viene immagazzinata nel campo elettrico tra i due elettrodi separati. La quantità di energia immagazzinata è denominata "capacità". Quando si progetta un condensatore, la capacità può essere controllata modificando tre caratteristiche fondamentali:
Le dimensioni delle piastre degli elettrodi. Maggiore è la superficie degli elettrodi, più energia può essere immagazzinata all'interno di quell'area, aumentandone così la capacità.
La vicinanza tra le piastre. Quando due elettrodi sono relativamente distanti, la loro capacità di creare un campo elettrico (per induzione) risulta ridotta. Se i due elettrodi si avvicinano l'uno all'altro, saranno in grado di formare un campo elettrico e la loro capacità potrà essere molto maggiore.
Il materiale isolante presente tra gli elettrodi. Vari materiali dielettrici possono aumentare la capacità, riducendo il campo elettrico tra gli elettrodi e consentendo l'accumulo di una carica maggiore sugli elettrodi pur mantenendo la stessa tensione.
Date queste tre variabili fondamentali dei condensatori, si utilizzano comunemente svariate tecniche di produzione per creare condensatori dotati di livelli diversi di capacità, capacità di tensione, soglie di temperatura, affidabilità, costo, sicurezza, dimensioni e perdita per dissipazione.
Scopri di più sull'uso dei dielettrici nei condensatori.
Come sono fatti i condensatori elettrolitici
I condensatori elettrolitici in alluminio sono noti per il loro costo limitato e la capacità di contenere grandi quantità di energia in un package ridotto rispetto ai condensatori ceramici o a film. Sebbene i condensatori elettrolitici siano molto popolari, sono più sensibili a tensioni e temperature indesiderate rispetto ad altri condensatori e presentano una dispersione di corrente relativamente elevata.
Il processo di produzione dei condensatori elettrolitici in alluminio inizia con l'incisione di un sottile foglio di alluminio tramite un bagno chimico. L'incisione forma un sottile strato di ossido di alluminio sull'anodo. Tale strato ossidato funge da dielettrico tra l'anodo e il catodo, che è rappresentato da un altro sottile foglio di alluminio.
L'anodo, costituito dal foglio di alluminio anodizzato, viene quindi avvolto insieme al catodo formato dal foglio di alluminio, con un sottile strato di carta a separarli. I terminali vengono collegati agli strati dell'anodo e del catodo sulla piastra dei terminali che viene infine utilizzata per il collegamento ai circuiti esterni.
L'avvolgimento foglio-carta-foglio viene quindi posizionato nell'alloggiamento esterno dell'unità condensatore, denominato "involucro". Successivamente, una soluzione elettrolitica viene fatta filtrare nell'avvolgimento attraverso lo strato di carta. L'involucro del condensatore viene quindi sigillato con la piastra e invecchiato termicamente per riparare eventuali guasti dielettrici e monitorare le proprietà elettriche. Una volta invecchiato e testato, il condensatore è pronto all'uso.
Consulta la nostra guida per scoprire come selezionare il giusto condensatore elettrolitico in alluminio.
Come sono fatti i condensatori ceramici
I condensatori ceramici (comunemente chiamati MLCC) sono i condensatori più comuni nell'elettronica moderna. Questi condensatori utilizzano un materiale ceramico come dielettrico isolante tra le piastre dell'anodo e del catodo. Una polvere ceramica, come il titanato di bario, viene miscelata con un materiale legante per formare una sorta di impasto. Un sottile strato di tale impasto viene quindi applicato a una lamina metallica. In alternativa, è possibile applicare una pasta metallica all'impasto ceramico.
Gli strati ceramici e metallici vengono quindi impilati insieme, pressati meccanicamente ad alte temperature e tagliati in piccoli dischi o rettangoli per formare le "piastrine" del condensatore. Le dimensioni esterne delle piastrine, così come le distanze tra gli strati, determinano i valori di capacità del condensatore.
Queste piastrine vengono cotte in un forno ad alte temperature per rimuovere il materiale legante, lasciando al loro interno solo i materiali ceramici e metallici. Il processo di cottura può ridurre le dimensioni delle piastrine del 30% o più, a seconda dei materiali utilizzati nel processo di fabbricazione.
Una volta cotte, le piastrine vengono sinterizzate con estremità a terminazione che collegano gli strati alternati degli elettrodi a ciascun terminale. Questi terminali vengono sottoposti a elettroplaccatura per dotarli di una superficie adatta per la saldatura finale e il posizionamento su un PCB. Dopo l'elettroplaccatura, i condensatori sono pronti per la verifica della loro capacità.
Scopri di più su come funzionano i condensatori ceramici e su ciò che sono in grado di fare.
Come sono fatti i condensatori a film
I condensatori a film tendono ad essere più costosi dei condensatori ceramici, ma hanno una durata molto maggiore e sono più adatti alle applicazioni ad alta tensione. Inoltre, i condensatori a film sopportano temperature d'esercizio massime molto più elevate rispetto ai condensatori ceramici ed elettrolitici e ciò li rende adatti a molti ambienti industriali e commerciali.
I condensatori a film utilizzano uno strato di film plastico come poliestere, polipropilene o carta impregnata con polimeri come isolante dielettrico tra gli elettrodi del condensatore. Il film è combinato con il metallo mediante metallizzazione a vapore o stratificazione su una lamina metallica estremamente sottile.
Il film metallizzato viene quindi "tagliato" e avvolto. Lunghezza e larghezza del film tagliato vengono accuratamente misurate per garantire la capacità richiesta. Questi rotoli avvolti vengono quindi combinati in un processo di co-avvolgimento per formare i due strati di elettrodi indipendenti.
Terminata l'operazione, gli avvolgimenti vengono compressi e sottoposti a trattamento termico per formare una struttura solida. Gli avvolgimenti vengono mascherati e incapsulati per essere isolati elettricamente dall'ambiente circostante e vengono loro collegati i terminali. L'avvolgimento del condensatore incapsulato viene quindi inserito in una struttura in plastica e sigillato con resina per garantire longevità e protezione dagli elementi. Una volta incapsulati, questi condensatori sono completi e pronti per la verifica e i test di qualità.
Produzione di diversi tipi di condensatori
Come succede per tutti i settori dell'elettronica, il costo e le funzionalità di un dispositivo sono determinati dai materiali utilizzati, dal processo di produzione impiegato e dalle capacità del dispositivo. I diversi processi illustrati consentono la produzione di vari tipi di condensatori che presentano caratteristiche differenti. Il miglior tipo di condensatore dipende dall'applicazione in cui verrà impiegato.
Scopri una vasta gamma di condensatori e accessori per condensatori di produttori leader del settore su Arrow.com. Scopri i condensatori più diffusi e più venduti qui di seguito.
