Il condensatore

Il condensatore, detto comunemente anche capacitore, è un componente elettrico che immagazzina l'energia in un campo elettrostatico, accumulando al suo interno una certa quantità di carica elettrica. (Definizione di wikipedia)

Stando alla definizione, quando vado in negozio ad acquistare un condensatore ho in mente questo:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Quando però esco dal negozio in mano mi ritrovo questo:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Sono stato imbrogliato?
No, quello che mi ha dato è un condensatore reale e quello appena mostrato è il suo circuito equivalente.

Analisi del circuito equivalente del condensatore reale

Il condensatore reale è composto da 4 parti, una (il componente contrassegnato con C) è il condensatore ideale di cui avevamo bisogno, i restanti rappresentano i parassiti sempre presenti in un componente reale.
Il resistore R e l'induttore L rappresentano rispettivamente la resistenza e l'induttanza dei reofori, mentre il condensatore Cx rappresenta la piccolissima capacità parassita tra gli stessi.
Per analizzare il componente trascuro quest'ultima capacità perchè essendo molto piccola fa sentire il suo effetto solo a frequenze piuttosto elevate.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

L'impedenza di questo circuito è:

in cui ω = 2πf
Graficamente si ottiene la curva rappresentata qui sotto.

Per analizzare il grafico è comodo riscrivere la formula dell'impedenza [1] in questo modo:

Il modulo dell'impedenza ha un valore minimo quando ω²LC = 1.
A questa frequenza l'impedenza vale R.
A frequenze più basse l'impedenza è dovuta principalmente al condensatore C, a frequenze maggiori all'induttore L.

Il condensatore come serbatoio di energia

Molto spesso il condensatore è utilizzato come serbatorio di energia per gli utilizzatori lontani dalla fonte di alimentazione.
Cercherò con un esempio di spiegare il motivo per cui è utilizzato un condensatore in parallelo ai pin di alimentazione e come scegliere quello più adatto allo scopo.
Supponiamo di avere un microcontrollore a 64 bit, o perchè no, a 128 bit alimentato da una pista sulla board di alcuni centimetri. La board a sua volta è connessa all'alimentatore attraverso dei conduttori della lunghezza di alcune decine di centimetri.
Supponiamo inoltre che tutti i pin di uscita del microcontrollore commutino contemporaneamente e che quindi la corrente necessaria al microcontrollore aumenti improvvisamente.
Il sistema lo si può schematizzare in questo modo:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Nello schema sono evidenziate le componenti resistive e induttive dell'alimentatore e dei conduttori. E' stata volutamente trascurata la componente capacitiva perchè non necessaria per comprendere l'uso del condensatore.
La componente resistiva, per effetto della legge di Ohm, fa si che la tensione sui pin del microcontrollore sia inferiore a quella imposta dall'alimentatore, maggiore è la corrente e maggiore è la caduta di tensione.
Ma i guai più grossi sono causati dall'induttanza della linea che alimenta il microcontrollore. Per sua natura l'induttanza parassita reagisce all'improvviso aumento della corrente con un brusco aumento della propria impedenza, interrompendo di fatto la connessione tra alimentatore e microcontrollore per alcuni istanti.
Per evitare che il microcontrollore si possa spegnere, si mette in parallelo ai pin di alimentazione un condensatore per integrare l'energia che viene a mancare a causa dell'induttanza parassita della linea.
Dalla teoria dei segnali sappiamo che una brusca variazione corrisponde ad un segnale ad elevata frequenza quindi, dalla [2], si ricava che per avere un condensatore con impedenza minima ad alta frequenza, questo deve avere una capacità piccola.
Ma riducendo la capacità si riduce anche il tempo in cui si tiene in vita il microcontrollore!

Condensatori in parallelo

Nell'immagine qui sotto sono mostrati 3 grafici. Quello arancione rappresenta l'impedenza di un condensatore di capacità inferiore a quello blu. In verde è mostrato il parallelo tra le due.

parallelo.png

In questo modo è possibile ottenere una bassa impedenza su due diverse frequenze.

Soluzione al problema del microcontrollore

Per rispondere rapidamente ai picchi di corrente richiesti da parte del microcontrollore e mantenerlo alimentato per un tempo sufficientemente lungo è necessario un condensatore di grande capacità e bassa impedenza ad alta frequenza.
Per ottenere questo effetto si mettono in parallelo 2 o più condensatori di valore crescente, il più piccolo vicino ai pin di alimentazione per una risposta rapida, e via via più grandi man mano che ci si allontana dagli stessi.

Conclusioni

Come si è visto il condensatore reale ha un comportamento molto diverso da quello ideale. L'impedenza non è sempre decrescente come ci si aspetterebbe da un condensatore ideale ma diminuisce fino a raggiungere un valore minimo e poi risale di nuovo.
Per questo motivo non è possibile scegliere il condensatore di filtro con il famosissimo metodo "ad-catsum" ma, per particolari applicazioni è necessario conoscere nei dettagli il condensatore che si intende utilizzare.
Mettere in parallelo due o più condensatori aiuta a mitigare l'effetto delle componenti parassite e, con un po' di esperienza, ci tira fuori dai guai quando è necessario alimentare carichi sensibili a notevole distanza dall'alimentatore.