Un condensatore è un componente elettronico passivo utilizzato per immagazzinare energia elettrica. La sua struttura centrale è costituita da due conduttori (di solito lamiere metalliche) isolati l’uno dall’altro e collocati l’uno accanto all’altro. Quando si applica una tensione cc alle estremità di un condensatore, su ciascuna delle due piastre si accumulano cariche positive e negative che creano un campo elettrostatico. Questo processo di separazione della carica e lo stabilimento di campo elettrico realizza lo stoccaggio dell’energia elettrica e la capacità del condensatore determina la sua capacità di stoccaggio dell’energia. I condensatori possono reagire rapidamente ai cambiamenti di tensione durante il caricamento e lo scaricamento, una caratteristica che li rende preziosi per un’ampia gamma di applicazioni nei circuiti elettronici.
Classificazione dei condensatori
1. Condensatori di uso generale
Sono inclusi principalmente i condensatori in ceramica (come i circuiti ad alta frequenza nella CLM), i condensatori a pellicola (come i condensatori in poliestere, polistirene, ecc.), con buona stabilità e bassa perdita dielettrica, ampiamente utilizzati nei circuiti di accoppiamento, bypass, oscillazione e altri circuiti convenzionali.
2. Condensatori elettrolitici
Rappresentati da condensatori elettrolitici all’alluminio e al tantalio, hanno i vantaggi di grandi capacità e piccoli volumi. Essi sono utilizzati principalmente in scenari quali il filtraggio dell’alimentazione (ad esempio, l’uscita di un alimentatore di commutazione), l’immagazzinamento dell’energia e l’accoppiamento di segnali a bassa frequenza.
3. Condensatori regolabili
Mediante una regolazione meccanica per modificare la spaziatura tra le placche o la zona efficace per ottenere cambiamenti nei valori di capacità, utilizzati tipicamente nei circuiti di sintonizzazione (come selezionatori radio tradizionali), nella corrispondenza di impedenza ad alta frequenza e in altre occasioni che richiedono una regolazione precisa.
4. Supercondensatore (condensatore a doppio strato)
Tra il condensatore tradizionale e i dispositivi di accumulo dell’energia della batteria, con una densità di potenza molto elevata e caratteristiche di carica e scarica veloci, adatti ai veicoli nuovi ' Sistema di avvio/arresto, stoccaggio dell’energia di rete e altre applicazioni ad alta potenza.
5. Condensatori di sicurezza
Compresi i condensatori X (al di là della linea per sopprimere l’interferenza di modo differenziale) e Y (tra la linea e il suolo per sopprimere l’interferenza di modo comune), utilizzati specificamente per il filtraggio EMI dell’alimentazione elettrica, per garantire che il materiale elettrico sia conforme agli standard di compatibilità elettromagnetica.
6. Condensatori di potenza
Componenti elettronici di potenza utilizzati nei condensatori a corrente continua, nei condensatori con filtro a corrente alternata, ecc., utilizzati principalmente nei convertitori di frequenza, negli invertitori e in altri dispositivi di conversione di potenza di alta potenza.
Il ruolo dei condensatori
1. Stoccaggio dell’energia e ricarica e scarico veloci
I condensatori possono immagazzinare energia elettrica sotto forma di campo elettrostatico e sostenere la ricarica e lo scarico ad alta velocità. Rispetto alle batterie chimiche, la sua velocità di carica e di scarica è più veloce (millisecondi) e la durata del ciclo può essere superiore a decine di migliaia di volte, per cui ha un vantaggio unico sulla scena che richiede una conversione istantanea ad alta corrente o rapida dell’energia (ad esempio accelerazione del veicolo elettrico, recupero dell’energia frenante, sistema ad impulsi).
2. Isolamento mediante la croce (accoppiamento e disaccoppiamento)
I condensatori presentano un’impedenza elevata a cc, bloccando la componente cc e permettendo il passaggio dei segnali ca. Questa caratteristica la rende ampiamente utilizzata nei circuiti di accoppiamento (come la trasmissione di segnali audio nel condensatore di isolamento) e nei circuiti di disaccoppiamento (per eliminare l’interferenza del rumore di alimentazione).
3. Filtraggio e stabilizzazione della tensione
Nei circuiti di alimentazione, i condensatori possono filtrare efficacemente i componenti pulsanti rettificati In uscita da una tensione continua regolare (come i condensatori elettrolitici utilizzati nel filtraggio dell’alimentazione). Inoltre, nel trattamento del segnale, i condensatori possono essere utilizzati con resistori o induttori per formare un filtro passa-basso e passa-alto per eliminare il rumore ad alta frequenza e migliorare la qualità del segnale.
4. Sintonizzazione e risonanza (circuito LC)
I condensatori e gli induttori possono essere combinati per formare circuiti risonanti LC per la selezione delle frequenze, la sintonizzazione e altre applicazioni, come i circuiti di ricezione radio FM, gli oscillatori ele reti di allineamento RF.
5. Compensazione di avviamento e di fase
Nei motori a corrente alternata monofase, i condensatori aiutano l’avviamento del motore (ad esempio i condensatori di avviamento) generando una differenza di fase per formare un campo magnetico rotante. Inoltre, nei sistemi di potenza, i condensatori sono utilizzati per correggere il fattore di potenza al fine di migliorare l’efficienza di utilizzazione dell’energia.
Queste proprietà dei condensatori li fanno svolgere un ruolo chiave nei circuiti elettronici, nei sistemi di potenza, nelle nuove tecnologie energetiche e nelle apparecchiature di comunicazione.
Condensatori di prova per guasti
1. aspetto
L’involucro del condensatore di potenza è intatto, l’espansione, la deformazione, le incrinature e altri fenomeni non sono evidenti. Se si verifica la situazione di cui sopra significa che il condensatore ha un guasto grave, vale a dire che non può continuare ad usare.
Se la connessione terminale del condensatore è stabile, con o senza difetti, corrosione e altri problemi. Problemi con i terminali possono portare a cattivo contatto e influire sul normale funzionamento del condensatore.
2. Prova capacità
Misurare la capacità del condensatore di potenza per vedere se la capacità effettiva del condensatore corrisponde alla capacità nominale. Se la capacità effettiva è troppo inferiore alla capacità nominale, significa che il condensatore è invecchiato e ha fallito.
3. Prova di resistenza dell’isolamento
Misurare la resistenza dell’isolamento del condensatore con gli strumenti appropriati. In circostanze normali, la resistenza all’isolamento dovrebbe essere superiore a 10 megohms. Se la resistenza all’isolamento è inferiore a questo valore, ciò significa che le prestazioni di isolamento del condensatore possono essere state danneggiate ed è necessaria un’ulteriore ispezione.
4. Tensione e prova della corrente
Misurare il valore di tensione del condensatore durante il funzionamento. Se il valore di tensione varia notevolmente, ciò significa che il condensatore può avere problemi.
Misurare il valore corrente del condensatore alla tensione nominale. Se il valore corrente effettivo supera quello indicato nella guida, il condensatore può essere sovraccarico.
5. Prova temperatura
Verificare se la temperatura di funzionamento del condensatore rientra nell’intervallo specificato. Di norma, il condensatore deve funzionare in condizioni di temperatura adeguate. Se la temperatura è troppo elevata, ciò dimostra che il condensatore può avere un guasto, deve smettere immediatamente di usarlo.
Questo è il metodo per determinare se il condensatore è difettoso. Durante il funzionamento effettivo, i condensatori devono essere ispezionati regolarmente e, qualora si riscontrino anomalie, devono essere fermati In tempo per evitare pericoli per la sicurezza.
Metodi di prova dei condensatori
1. Metodo di prova multimetrico digitale
Procedura operativa:
Assicurarsi che il condensatore sia completamente scaricato
Impostare il multimetro alla resistenza (si raccomanda di scegliere livello1 o più alto)
Collegare le penne di prova alle due estremità del condensatore.
Osservare la modifica di lettura:
Prestazioni normali: la lettura viene visualizzata brevemente e quindi si ritorna rapidamente allo stato "OL" (circuito aperto)
Prestazioni in caso di avaria: indicazione continua di un valore di resistenza fisso o di resistenza zero.
Attenzione:
Assicurarsi che la prova sia completamente terminata prima della prova
10 secondi o più tra una prova e l’altra
Ripetere la prova 3 volte per confermare la coerenza dei risultati
2. Metodo di prova analogico multimetro
Processo di rilevamento:
Selezionare il livello di resistenza adeguato (raccomandato al punto 100 o al punto 1k)
Collegare la penna di prova e osservare il movimento del puntatore:
Buona capacità: il puntatore oscilla bruscamente a destra e poi lentamente indietro a destra!
Guasto del corto circuito: il puntatore si ferma nella posizione a bassa resistenza
Errore del circuito aperto: il puntatore non si muove affatto
Punti tecnici:
I condensatori elettrolitici devono prestare attenzione alla polarità (penna nera al polo positivo)
I condensatori di grande capacità (> 10 gradi F) oscillano più facilmente
Dopo la prova è necessario attendere che il puntatore ritorni alla posizione completa
3. Metodo di misurazione diretta con reticolazione
Applicare la specifica:
Scegliere un multimetro digitale con funzione di misura della capacità.
Scelta del campo di misura:
Capacità ridotta (livello pF): utilizzare la speciale clip di prova.
Grande capacitanza (livello soglia F): prova di connessione diretta
Criteri di valutazione del risultato
Passaggio: valore misurato entro il 20% del valore nominale.
Nota: i condensatori elettrolitici permettono uno scarto di +50%/-20%.
Guasto: display "0" o molto al di sotto del valore limite inferiore nominale
4. Metodo di prova della tensione
Guida operativa professionale:
Costruire il circuito di prova:
Tensione di alimentazione tensione nominale condensatore
Resistore limite di corrente in serie (1-10k cc)
Processo di misurazione:
All’inizio della ricarica: la tensione dovrebbe aumentare rapidamente
Dopo la stabilizzazione: la tensione deve essere vicina alla tensione di alimentazione
Caratteristiche del guasto:
La tensione aumenta lentamente: decadimento della capacità
La tensione non può essere mantenuta: corrente di fuga eccessiva
Tensione di Zero: avaria completa
5. Misurazioni costanti nel tempo
Programma di misurazione di precisione:
Circuito di prova Standard:
Resistore di precisione noto R (1k raccomandati)
Oscilloscopio per monitorare la curva di carica
Metodo di calcolo:
Misurare il tempo al 63,2% tensione di alimentazione (corrente continua)
Calcolare la capacità: C = costante /R
Suggerimento di applicazione ingegneristica:
Adatto per un intervallo di capacità di 1 m3 F-1000 m3
Considerare l’effetto della resistenza interna del multimetro
Si raccomanda di usare sorgente di segnali a onde quadrate per migliorare l’accuratezza
Suggerimenti completi sui test:
Assegnare priorità all’uso della misurazione diretta della capacità
Avarie difficili con metodi multipli di verifica incrociata
I condensatori ad alta tensione devono essere collaudati con apparecchiature specializzate
L’istituzione di registri di prova per seguire la tendenza al deterioramento
Nota: tutte le prove devono essere conformi ai codici di sicurezza elettrica, i condensatori ad alta tensione devono essere completamente evacuati prima delle prove!
Apositori in PCB
Funzione accoppiamento
I condensatori agiscono come componenti di accoppiamento nei circuiti, trasmettendo efficacemente segnali a bassa frequenza e consentendo l’amplificazione dei segnali isolando i punti di funzionamento cc di fasi di circuito adiacenti per evitare interferenze reciproche. Per garantire una trasmissione efficiente dei componenti per segnali a bassa frequenza, in fase di progettazione sono comunemente utilizzati condensatori elettrolitici di grande capacità (di norma nel campo delle batterie F) come condensatori di accoppiamento.
Funzione filtro
Nei circuiti di alimentazione elettrica, i condensatori filtrano il rumore ad alta frequenza dai segnali ca, fornendo un’uscita continua regolare. In particolare, i grandi condensatori elettrolitici stabilizzano la tensione a corrente continua pulsante attraverso i processi di scarica della carica. Per migliorare la stabilità dell’alimentazione, i condensatori elettrolitici che variano da decine a centinaia di microfarinde sono spesso collegati in parallelo alla potenza in uscita e al carico in entrata per eliminare le fluttuazioni di tensione causate dalle variazioni di carico.
Funzione di accumulo dell’energia
I condensatori servono come componenti per l’immagazzinamento dell’energia, per immagazzinare la carica e rilasciarla rapidamente quando necessario per fornire corrente elevata istantanea o per fungere da fonte di energia di riserva. Inoltre, i condensatori possono formare circuiti di temporizzazione RC con resistori per ottenere precisi ritardi o funzioni di temporizzazione, ampiamente utilizzati nei circuiti di controllo sequenziali.
Utilizzazione e ottimizzazione della capacità parassitaria
Nella progettazione di PCB ad alta velocità, la capacità parassitaria può essere sfruttata strategicamente per migliorare le prestazioni del circuito. Ad esempio:
Regolazione della disposizione delle tracce per utilizzare la capacità parassita per la corrispondenza dell’impedenza.
La struttura a piastra parallela formata dai piani di terra meccanica crea una capacità distribuita, che consente lo stoccaggio di carica di bassa impedenza per componenti ad alta velocità al fine di soddisfare le esigenze istantanee di alta corrente.
conclusioni
I condensatori presentano una multifunzionalità nella progettazione di PCB. La loro scelta e il loro posizionamento devono essere ottimizzati in base a specifiche esigenze di circuito (ad esempio caratteristiche di frequenza, esigenze di immagazzinamento dell’energia, soppressione del rumore) per ottenere prestazioni ottimali.