Nonostante il simbolo schematico apparentemente semplice del condensatore polarizzato (vedere Figura 1), questo è un sofisticato componente essenziale di molti circuiti elettronici. Questo condensatore, spesso chiamato condensatore elettrolitico o semplicemente "elettrolitica" per la sua costruzione, svolge un ruolo essenziale nel garantire che l'uscita di un alimentatore fornisca la corrente necessaria alla tensione di alimentazione DC nominale.
Figura 1: Il simbolo più comune di un condensatore polarizzato negli USA (a) e in Europa (b): esistono molte variazioni.
Perché usare tale condensatore e perché è polarizzato? Il ruolo primario di questo condensatore è di agire come un contenitore per la conservazione di una riserva di energia elettrica per il carico, anche se l'uscita dell'alimentatore stesso, di solito un alimentatore AC/DC, ha ondulazioni a 60/120 Hz (50/100 Hz in alcune regioni del mondo) a causa della natura della circuiteria di regolazione dell'alimentazione.
Un condensatore in alluminio da 33uF di Lelon Electronics.
Il condensatore è simile a un serbatoio: l'alimentatore sta pompando energia (acqua) nel serbatoio, ma non ad un tasso costante. Il carico (gli utenti) preleva acqua a velocità variabili, a volte con cambiamenti lenti e talvolta con improvvisi aumenti transitori della domanda. Gli utenti hanno bisogno di fare ciò, nonostante le fluttuazioni del tubo di alimentazione principale che proviene dall'impianto di purificazione dell'acqua. Non vogliono vedere fluttuazioni della pressione dell'acqua (tensione) nonostante i cambiamenti della portata (corrente) alla fonte o al carico.
Il condensatore è un cuscino o buffer di energia elettrica e fa due cose: appiana le ondulazioni nell'uscita del regolatore di base quando il carico è costante, e fornisce l'energia necessaria quando il carico stesso varia. Per queste ragioni, i condensatori elettrolitici con valori elevati utilizzati in uscita dagli alimentatori sono spesso chiamati componenti "bulk storage", e agiscono come filtri di base contro le fluttuazioni indesiderate della tensione di alimentazione in uscita nonostante le variazioni nella tensione di ingresso del regolatore o nella richiesta del carico.
In linea di principio, un condensatore è formato da due superfici conduttive separate da un dielettrico. Questo dielettrico può essere aria, carta, ceramica, o una pellicola chimica elettrolitica specializzata. La maggior parte dei condensatori elettrolitici è costituita da due strati molto sottili di lamina metallica (alluminio, tantalio o niobio) con uno strato di ossido dielettrico di rivestimento su uno strato, quindi l'intero gruppo viene avvolto (Figura 2).
Figura 2: La costruzione interna di un condensatore elettrolitico a base di alluminio mostra gli strati separati da un dielettrico, e quindi avvolti e inseriti in un contenitore cilindrico. (Fonte: Nichicon Corp.)
L'unità finale viene sigillata con un rivestimento speciale che può essere di plastica, resina epossidica, metallo o altro materiale per isolare dall'umidità esterna e racchiudere il materiale elettrolitico interno in caso di "perdita" chimica o di rottura del contenitore (Figura 3).
Figura 3: Un condensatore elettrolitico completato pronto per l'uso; questo ha un valore nominale di 10.000 μF (0,1 F), 15 V CC con un'altezza di 40 mm e un diametro di 18 mm. (Fonte: Kemet Corp.)
Con un dielettrico non chimico, il condensatore risultante non è polarizzato e può essere utilizzato con le forme d'onda CA; inoltre, può essere inserito in qualunque direzione nel circuito. Tuttavia, a causa della natura chimica del film e della costruzione usata per i condensatori elettrolitici, c'è una polarità di installazione ed uso. Invertendo la tensione sul un tale dispositivo lo si degrada e lo si danneggia.
Considerando questo vincolo, perché dunque utilizzare condensatori elettrolitici polarizzati? La risposta è semplice: per ottenere alta densità capacitiva e relativo valore. La maggior parte degli alimentatori AC/DC ha bisogno di capacitanza nell'ordine delle diverse centinaia fino a decine di migliaia di microfarad (μF) e ciò può essere ottenuto solo in un componente di dimensioni ragionevoli con costruzione elettrolitica del condensatore. L'uso di ceramica o aria come dielettrico richiederebbe un volume del condensatore compreso tra 100 volte e 1000 volte maggiore.
Anche il costo è un argomento da considerare: un condensatore grande richiederebbe più materiale, quindi ci sarebbe un costo diretto più elevato nonché un maggiore "costo" dall'uso di più spazio sulla scheda del PC o una maggiore alimentazione. I supercondensatori potrebbero sembrare un'alternativa migliore e più piccola, in quanto possono fornire facilmente valori di diversi farad, ma non sono in grado di gestire la corrente di ripple o la natura di carica/scarica di un regolatore di alimentazione e del suo carico.
Parametri chiave di selezione
Il parametro primario di questi dispositivi bulk storage è naturalmente la loro capacitanza. I valori dei condensatori elettrolitici iniziano da 1 μF e raggiungono le migliaia di μF. Se è necessaria più capacitanza di quella che un singolo componente può fornire, i condensatori possono naturalmente essere utilizzati in parallelo.
Il parametro successivo che il progettista deve selezionare è la tensione di funzionamento, di solito indicata come WVDC (tensione di funzionamento in CC). Si tratta della massima tensione nominale in CC a cui il condensatore funziona in modo affidabile, ed è funzione del progetto e dell'alloggiamento. Una WVDC elevata necessita di un dispositivo fisico di grandi dimensioni per sopportare l'arco interno e il punch-through ed è più costosa, per cui il progettista deve fare attenzione a non specificare in eccesso questo fattore. La maggior parte dei progettisti utilizza un margine di sicurezza di 2 × sulla WVDC per lasciare spazio a qualsiasi ondulazione o transitorio sul condensatore dalla rete; pertanto, un condensatore con WVDC a 25 V sarebbe utilizzato con alimentazione nominale a 12 V CC.
Anche se idealmente un condensatore dovrebbe essere solo questo, nella realtà ogni condensatore ha una certa resistenza di serie equivalente (ESR) e induttanza di serie equivalente. La ESR di un condensatore di alta qualità è dell'ordine di 0,1 - 1 Ω; maggiore è la ESR, minore è la probabilità che il condensatore funzioni come un dispositivo ideale, e può effettivamente causare un malfunzionamento del circuito regolatore. In condensatori elettrolitici di bassa qualità, l'ESR aumenterà con il tempo e la temperatura, e può raggiungere anche decine di ohm, con conseguenze dannose. Oltre a ciò, i condensatori hanno una piccola quantità di corrente di dispersione dovuta al dielettrico non perfetta.
Inoltre, ogni componente reale ha naturalmente un'induttanza parassita; per i condensatori questa induttanza è nell'ordine di pochi millihenry (mH). Mentre questo basso valore non è generalmente un problema a frequenze della linea in CA, può essere un problema quando la frequenza d'esercizio dell'alimentatore aumenta, e può causare instabilità nel circuito e persino un guasto.
Come tutti gli altri componenti, i condensatori elettrolitici hanno anche valori di tolleranza; una tolleranza di ± 20 per cento è comune, anche se alcuni sono specificati a tolleranze più strette. È possibile che questi valori possano sembrare una grande tolleranza, ma sono accettabili nell'applicazione.
Per supportare le prestazioni del progettista e l'analisi della stabilità, la maggior parte dei fornitori di condensatori fornisce modelli che comprendono ESR, induttanza, resistenza di dispersione e tutti gli altri attributi non ideali (Figura 4). Tali modelli mostrano questi valori alla frequenza di linea nonché a frequenze più alte, e anche a temperature diverse.
Figura 4: Un modello semplificato a bassa frequenza di un condensatore elettrolitico mostra il condensatore di base insieme con la resistenza di dispersione, la resistenza di serie equivalente e l'induttanza; per l'uso RF, il modello aggiungerebbe vari parassiti interni nonché induttanza e capacitanza parassite del conduttore.
Degradazione dei condensatori elettrolitici
Normalmente dai condensatori elettrolitici ci si aspetta che si comportino secondo le specifiche per molte migliaia di ore, anche se sono spesso utilizzati oltre la loro durata massima di vita prevista dalle specifiche, con risultati accettabili. (Pensate a un alimentatore di un PC desktop vecchiotto che è acceso per gran parte del tempo.)
Oltre a funzionare com'è ovvio anche al di fuori dei valori stabiliti, ogni componente elettronico è soggetto a fattori che influenzano la sua affidabilità e durata operativa, e i condensatori elettrolitici non sono diversi.
Il calore è il fattore più comune della riduzione della loro durata: un condensatore classificato per 10.000 ore a 25 ⁰C si declasserà all'aumento della temperatura, fino a raggiungere solo 1.000 ore a 85 ⁰C e ancor meno a 105 ⁰C. Poiché la maggior parte di questi condensatori viene utilizzata con alimentatori che generalmente producono calore e hanno un aumento di temperatura localizzato maggiore di quello del loro alloggiamenti, questi dispositivi di bulk storage avranno vita più breve. I fornitori offrono condensatori previsti per durare a lungo a temperature più elevate per superare questo problema. (Si noti che anche una temperatura di stoccaggio elevata, non di esercizio, ne influenza la durata, ma questo è uno scenario diverso e ha una specifica diversa.)
Il secondo fattore che accorcia la vita di condensatori elettrolitici è la corrente di ripple che devono sopportare. Questa corrente è la fluttuazione inevitabile nell'uscita del regolatore di tensione che il condensatore ha il compito di appianare. Per motivi elettrochimici complessi, la corrente di ripple degrada la durata del condensatore e il suo elettrolita; maggiore è la corrente di ripple, la maggiore e più rapida sarà la degradazione. La sensibilità alla corrente di ripple è funzione della costruzione e dei materiali utilizzati; i fornitori specificano la durata operativa con diversi valori di correnti di ripple.
Vi è inoltre un fattore non tecnico che i progettisti devono tenere a mente, dopo aver selezionato il condensatore appropriato e il modello del fornitore corrispondente. È relativamente facile avere parti scadenti, sostitute o realmente contraffatte che funzionano bene nel flusso di produzione e assemblaggio. Questo perché è relativamente facile fare un condensatore adeguato che funzioni abbastanza bene, almeno per un po'. Tuttavia, il prodotto stesso avrà una durata ridotta sul campo, ma a quel punto sarà troppo tardi e questo fatto causerà grandi preoccupazioni.
Tenete a mente che anche per l'ufficio acquisti dello stabilimento di produzione è allettante sostituire con un condensatore "simile" quello indicato sulla distinta dal progettista, ma con le stesse specifiche di alto livello: capacitanza, WVDC e dimensioni. Ma vi sono diverse caratteristiche secondarie comunque importanti, quali l'ESR o la tolleranza alla corrente di ripple, e la modifica rispetto alla distinta potrebbe influenzare le prestazioni o l'affidabilità del sistema. È di vitale importanza per gli ingegneri lavorare con la catena di approvvigionamento per la produzione, al fine di garantire l'integrità e la tracciabilità del condensatore fino al fornitore fonte specificato.
I condensatori elettrolitici situati tra il regolatore di alimentazione e il carico possono sembrare banali e anche di routine. Tuttavia, essi sono essenziali per la fornitura di una linea in CC stabile per il circuito. Come risultato, i progettisti devono specificarli e selezionarli in base ai loro parametri primari e secondari e alla situazione operativa, e tenere presente i problemi meno ovvi della catena di approvvigionamento.