Condensatori elettrolitici: Indispensabili in elettronica

Tecnologia intelligente compatta: I condensatori elettrolitici non sono necessari solo nell'industria e in elettronica in quantità elevate. Anche per gli appassionati di elettronica e gli appassionati di hobbistica, i più svariati tipi di condensatori sono elementi indispensabili della loro dotazione elettronica di base.

• Che cos'è un condensatore elettrolitico?

• Come è strutturato un condensatore elettrolitico?

• Quali tipi di condensatori elettrolitici sono disponibili?

• Schema di ricambio di un condensatore elettrolitico in alluminio

• Interessanti campi di applicazione

• Domande frequenti: Le domande più comuni sui condensatori elettrolitici

• Conclusione: Come acquistare il prodotto giusto

  

Che cos'è un condensatore elettrolitico?

Un condensatore è composto da due piastre elettricamente conduttive, che si trovano a una distanza minima. Una piastra è chiamata anodo e l'altra piastra è chiamata catodo. Affinché le due piastre non entrino in contatto conduttivo l'una con l'altra, vengono isolate elettricamente l'una dall'altra dal dielettrico.

Quando sono richieste elevate capacità di condensatori, gli elettronici si attaccano spesso e volentieri ai condensatori elettrolitici, in breve: Gli elco.

Un elco è un condensatore il cui anodo è costituito da un metallo su cui è stato applicato un sottile strato di ossido isolante elettricamente. Questo strato forma il dielettrico del condensatore. Il catodo del condensatore elettrolitico è costituito da un elettrolita (liquido o solido) che circonda l'anodo.

La capacità dei condensatori elettrolitici è normalmente indicata in µF (microfarad). Analogamente al condensatore a piastre, la capacità è determinata dalla geometria della superficie anodica e dallo spessore dello strato di ossido e quindi dalla spaziatura delle piastre.

Il segnale di commutazione di un elco

La capacità dipende dalla frequenza. Poiché non può essere misurata in modo efficiente a tensione continua, viene misurata con una tensione alternata di 0,5 V e una frequenza di 100/120 Hz a temperatura ambiente. Il valore di capacità così misurato è di circa il 10% inferiore al valore corrispondente alla carica memorizzata.

 

Come è strutturato un condensatore elettrolitico?

La struttura di un condensatore elettrolitico può essere facilmente visualizzata con un condensatore in alluminio.

La pellicola anodica ruvida per l'ingrandimento della superficie con lo strato dielettrico (3) viene arrotolata tra un materiale assorbente (ad es. Carta). La carta (2) assorbe successivamente l'elettrolita liquido e garantisce un contatto di grande superficie con la pellicola anodica. Il contatto con l'elettrolita a sua volta assume anche una pellicola di alluminio (1), che funge quindi da collegamento a catodo. Le strisce di contatto di entrambe le pellicole vengono instradate verso l'esterno attraverso i fili di collegamento (4).

La bobina finita viene bagnata con l'elettrolita e installata in una calotta. Un tappo in gomma attraverso il quale i fili di collegamento vengono guidati chiude il contenitore.

Per ottenere un effetto ottimale, l'elettrolita deve coprire la superficie anodica nel modo più completo possibile. Per questo motivo anche gli elettroliti solidi vengono prima introdotti in forma liquida e poi solidificati

La particolarità dei condensatori elettrolitici è il loro strato di ossido estremamente sottile ma estremamente resistente alla tensione (circa 10−9 m/V). Insieme alla struttura anodica ruvida (cioè un'ampia area anodica) questo porta al fatto che i condensatori elettrolitici hanno una capacità relativamente elevata rispetto alle altre forme di condensatori. Tuttavia, la loro capacità è notevolmente inferiore rispetto ai supercondensatori elettrochimici.

Quasi tutti i condensatori elettrolitici sono polari, il che significa che devono essere correttamente polarizzati e possono funzionare solo con tensione continua. L'anodo è sempre il polo positivo. Una polarità errata o tensioni troppo elevate possono danneggiare il dielettrico. I condensatori elettrolitici in alluminio possono esplodere e i condensatori al tantalio si possono incendiare. Per questo motivo è sempre necessario prestare attenzione alla corretta polarità dei condensatori.

Per ridurre al minimo il rischio di inversione di polarità, su tutti gli elco è stampata un'etichetta di polarità.

Per i condensatori al tantalio a forma di goccia, un piccolo segno più è stampato sul collegamento Positivo.

Nei condensatori assiali/radiali e snap-in, una barra o un anello indica il collegamento negativo.

Nei condensatori elettrolitici in alluminio SMD, la barra indica il collegamento negativo.

Per i condensatori al tantalio SMD, la barra indica il collegamento Positivo.

Inoltre, per i condensatori cablati, il collegamento più è solitamente realizzato con un filo di collegamento leggermente più lungo.

Nelle casse acustiche con crossover vengono utilizzati condensatori elettrolitici bipolari. Questi condensatori sono progettati in modo che la tensione applicata possa essere rivestita senza danneggiare i condensatori.

Pertanto, se si considera con maggiore precisione il crossover, si nota che i condensatori elettrolitici utilizzati non hanno un'etichetta di polarità. In questo modo è esclusa una polarità errata.

Importante:
In caso di danni, non si possono utilizzare condensatori polarizzati al posto di condensatori elettrolitici bipolari!

 

Quali tipi di condensatori elettrolitici sono disponibili?

In base al materiale anodico utilizzato (o al suo ossido come dielettrico) ci sono tre gruppi principali di condensatori elettrolitici.

Materiale anodo	Alluminio	Tantalio	Niob
Intervallo di capacità	0,1 - 2.700.000 µF	0,1 - 15.000 µF	1 - 1500 µF
Tensione nominale	2,0 - 630 V	2,5 - 150 V	2,5 - 10 V
Proprietà	Ampia varietà di modelli; particolarmente convenienti	Massima capacità per superficie di base; prevalentemente in forma SMD	Simile al tantalio, ma molto costoso; principalmente per applicazioni militari

Le proprietà dello strato di ossido sull'anodo determinano la resistenza alla tensione di un elco. In questo modo la tensione nominale è la tensione che mantiene per tutta la durata senza che si verifica una deviazione. La resistenza alla tensione dello strato di ossido (cioè la tensione alla quale si verifica una scarica) diminuisce con l'aumentare della temperatura. Con i condensatori è possibile realizzare tensioni nominali molto più piccole rispetto ai condensatori a film o in ceramica. Ciò li rende ottimi per i circuiti moderni con un'elevata densità di componenti.

La nostra buona pratica

Se si utilizza il condensatore elettrolitico in modo permanente al di sotto della tensione nominale specificata, ciò influisce positivamente sulla sua durata o sul tasso di guasto previsto.

I seguenti dati sono normalmente stampati sui condensatori elettrolitici, i primi quattro dati quasi sempre disponibili:

• Polarità (importante, in quanto in caso di polarità errata i condensatori vengono danneggiati)
• Capacità nominale o valore di capacità (eventualmente con tolleranza)
• Tensione nominale (tensione continua massima ammissibile)
• Intervallo di temperatura nominale
• Logo del produttore
• Denominazione della serie di costruzione

Il passo per condensatori elettrolitici con cablaggio radiale indica la distanza dei fili di collegamento.

Il valore di capacità stampato su un condensatore elettrolitico è un valore di stima, che è vero solo tenendo conto di un'elevata tolleranza. Per questo motivo i valori di tolleranza dei condensatori elettrolitici sono molto elevati.

Per i modelli più piccoli, la capacità e la tolleranza sono indicate in conformità con IEC/DIN EN 60062 con etichette brevi:

• µ85 = 0,85 µF o 8µ5 = 8,5 µF o 85µ = 85 µF
• In una notazione breve alternativa, le prime due cifre indicano il valore in Pikofarad, il terzo indica l'esponente di dieci. Il numero 384 significa 38∙104 pF = 0,38 µF.
• La tolleranza è indicata con una lettera: K = ± 10 % (per condensatori al tantalio), M = ± 20 %
  
  

Una caratteristica speciale dei condensatori elettrolitici è che vengono convogliati da una cosiddetta corrente di dispersione (Leaked) quando si utilizza una tensione continua con la corretta polarità. La causa della corrente di dispersione è la contaminazione e i danni meccanici del dielettrico. La corrente di dispersione dipende dalla capacità, dalla tensione, dalla temperatura e dal tempo e viene influenzata anche dai materiali utilizzati. Di solito viene specificato tramite il prodotto CR ∙ UR la capacità nominale e la tensione nominale.

Anche se la corrente di dispersione dei condensatori moderni è molto piccola, sono notevolmente più elevate rispetto ad altre forme di condensatore. Per questo motivo, i condensatoi elettrolitici non sono adatti per circuiti, con il cui ausilio vengono eseguite misurazioni precise del tempo o per la stabilizzazione di fonti di tensione ad alta resistenza.

 

Schema di ricambio di un condensatore elettrolitico in alluminio

In caso di condensatore elettrolitico in alluminio, le "piastre" vengono alloggiate in un contenitore in alluminio come un avvolgimento preimbevuto di elettrolita e quindi chiuse con un tappo in gomma. A causa di questa struttura si ottiene il seguente schema:

In parallelo a un condensatore ideale (C) è necessario immaginare una resistenza molto alta (RLeak), attraverso la quale scorre la corrente di dispersione. La resistenza RESR (Equivalent Series Resistance = corrispondente resistenza in serie) rappresenta la resistenza di perdita interna del condensatore. Questo è influenzato dalla struttura, dal contatto, dal materiale utilizzato e, in ultima analisi, dalla conduttività dell'elettrolita (catodo). Per alcune applicazioni, ad esempio nei circuiti di alimentazione, è necessario che i condensatori elettrolitici utilizzati abbiano una bassa resistenza alle perdite. In questo caso vengono utilizzati speciali condensatori a bassa ESR.

Tuttavia, grazie alla struttura a spirale di un condensatore elettrolitico in alluminio, si ottiene anche una certa induttanza LESL (Equivalent Series induttivity = induttanza di serie corrispondente), che è collegata in serie al condensatore. Grazie al contatto multiplo delle pellicole in alluminio si cerca di mantenere questa induttanza indesiderata il più bassa possibile. Per questo motivo i condensatori elettrolitici in alluminio non sono adatti anche per applicazioni ad alta frequenza.

 

Interessanti campi di applicazione

Grazie alla loro grande capacità, i condensatori elettrolitici sono particolarmente adatti

• Per disaccoppiare frequenze indesiderate (fino ad alcuni megahertz)
• Per l'accoppiamento e lo disaccoppiamento di segnali di tensione alternata (Level Shifting)
• Per regolare le tensioni raddrizzate negli alimentatori
• Per il buffering di tensioni di alimentazione in caso di picchi di carico improvvisi (condensatore di supporto)
• Come accumulatore di corrente o di energia (ad esempio in alimentatori continui)
  
  

L'ampia capacità ha anche una bassa resistenza reattiva per tensioni alternate. Per questo motivo, i condensatori sono adatti anche come elemento di accoppiamento per segnali a bassa frequenza.

 

Domande frequenti: Le domande più comuni sui condensatori elettrolitici

Qual è la differenza tra i condensatori SMD e SMT?

Non c'è differenza tra questi due tipi di elco. SMD sta per "surface mount device” (Componente montato in superficie). La tecnologia con cui viene montato il componente è chiamata "surface mounting technology" o SMT (Montaggio superficiale). SMD si riferisce quindi a una proprietà del condensatore, mentre SMT si riferisce alla tecnologia sottostante.

Che cos'è un condensatore elettrolitico in polimero?

Nei condensatori elettrolitici in polimero i polimeri conduttivi, la cui conducibilità si avvicina a quella dei metalli, fungono da elettrolita. Con l'aiuto di questi condensatori all'avanguardia è possibile realizzare dimensioni ancora più piccole e perdite ohmiche interne ancora più ridotte o induttanze interne.

 

Conclusione: come acquistare il condensatore giusto

Se avete abbastanza spazio per il vostro circuito e/o avete bisogno di tensioni superiori a 50 V, non sbaglierete con un condensatore elettrolitico in alluminio con elettrolita liquido. Questi componenti vengono utilizzati in innumerevoli componenti elettronici. Condensatori al tantalio e Niob entrano in gioco se avete poco spazio a disposizione, ad esempio in apparecchi elettrici molto piatti. Inoltre, questi utimi funzionano in modo estremamente stabile su un ampio intervallo di temperatura. Pertanto, se state pensando alle applicazioni militari e spaziali, meglio scegliere condensatori al tantalio o al niob.