Condensatori Elettrolitici: Polarizzazione, Applicazioni e Simboli
Dietro il simbolo schematico ingannevolmente semplice del condensatore polarizzato (vedi Figura 1) si nasconde un componente sofisticato e fondamentale di molti circuiti elettronici. Questo condensatore, spesso chiamato condensatore elettrolitico o semplicemente "elettrolitico" a causa della sua costruzione, svolge un ruolo essenziale nel garantire che l'uscita di un'alimentazione possa fornire la corrente necessaria, e al valore nominale della tensione di alimentazione DC.
Figura 1: Il simbolo più comune per il condensatore polarizzato in a) U.S.A. e b) Europa; ci sono molte varianti.
Polarità del Condensatore Elettrolitico Spiegata
Perché utilizzare un condensatore di questo tipo e perché è polarizzato? Il ruolo principale di questo condensatore è quello di agire come un serbatoio di riserva per l'energia elettrica destinata al carico, anche quando l'uscita dell'alimentatore stesso, solitamente un alimentatore AC/DC, presenta ondulazioni a 60/120 Hz (50/100 Hz in alcune regioni del mondo) a causa della natura del circuito di regolazione dell'alimentazione.
Un condensatore in alluminio da 33uF di Lelon Electronics.
Il condensatore è analogo a un serbatoio: il nucleo dell'alimentazione sta pompando energia (acqua) nel serbatoio, ma non a un ritmo costante. Il carico (gli utenti) preleva acqua a ritmi variabili, a volte con cambiamenti lenti e altre volte con aumenti repentini e transitori della domanda. Devono farlo nonostante le fluttuazioni nella conduttura principale proveniente dall'impianto di depurazione dell'acqua. Non vogliono vedere fluttuazioni nella pressione dell'acqua (voltaggio) nonostante i cambiamenti nel flusso (corrente) alla fonte o al carico.
Il condensatore è una sorta di cuscinetto o tampone di energia elettrica e svolge quindi due funzioni: smorza le ondulazioni nell'uscita del regolatore di base quando il carico è costante e fornisce energia secondo necessità quando il carico stesso varia. Per queste ragioni, i condensatori elettrolitici di grande valore utilizzati all'uscita degli alimentatori sono spesso chiamati componenti di "memorizzazione di massa" e funzionano come filtri di base contro le fluttuazioni indesiderate della tensione di uscita dell'alimentazione, nonostante i cambiamenti nella tensione di ingresso del regolatore o nella domanda del carico.
Come vengono realizzati i condensatori elettrolitici?
In linea di principio, un condensatore è formato da due superfici conduttive separate da un dielettro. Questo dielettro può essere aria, carta, ceramica o una pellicola chimica elettrolitica specializzata. La maggior parte dei condensatori elettrolitici è costruita da due strati molto sottili di lamina di metallo (alluminio, tantalio o niobio) con uno strato di ossido dielettrico che viene rivestito su uno degli strati, e quindi l'intero assemblaggio viene arrotolato (Figura 2).
Figura 2: La costruzione interna di un condensatore elettrolitico a base di alluminio mostra gli strati separati da un dielettrico, successivamente arrotolati in un contenitore cilindrico. (Fonte: Nichicon Corp.)
L'unità finale è sigillata con un rivestimento specializzato che può essere in plastica, epossidico, metallo o altro materiale per impedire l'ingresso di umidità, confinando il materiale elettrolitico all'interno nel caso di "perdite" chimiche o guasto della custodia (Figura 3).
Figura 3: Un condensatore elettrolitico completato pronto all'uso; questo è classificato 10.000 μF (0,1 F), 15 VDC ed è alto 40 mm con un diametro di 18 mm. (Fonte: Kemet Corp.)
Perché Usiamo il Condensatore Elettrolitico nell'Alimentatore
Con un dielettrico non chimico, il condensatore risultante non è polarizzato e può essere utilizzato con forme d'onda AC; inoltre, può essere inserito in entrambi i versi nel circuito. Tuttavia, a causa della natura chimica del film e della costruzione utilizzata per i condensatori elettrolitici, esiste una polarità per l'installazione e l'uso. Invertire la tensione su un dispositivo di questo tipo lo degraderà e successivamente lo danneggerà.
Dato questo vincolo, perché utilizzare comunque condensatori elettrolitici polarizzati? La risposta è semplice: per ottenere un’elevata densità capacitiva e il valore correlato. La maggior parte degli alimentatori AC/DC necessita di una capacità dell'ordine di qualche centinaio fino a diecimila microfarad (μF), e ciò può essere ottenuto in un componente di dimensioni ragionevoli solo utilizzando la costruzione mediante condensatori elettrolitici. Utilizzare ceramica o aria come dielettrico richiederebbe un volume del condensatore facilmente compreso tra 100× e 1000× più grande.
Il costo è anche una considerazione: un condensatore più grande richiederebbe più materiale, quindi ci saranno costi diretti più elevati oltre al maggiore "costo" derivante dall'uso di più spazio sulla scheda PC o di un alimentatore generale di dimensioni maggiori. I supercondensatori potrebbero sembrare un'alternativa migliore e più compatta, poiché possono facilmente offrire capacità 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.
Scegliere un Condensatore Elettrolitico: Parametri di Progettazione
Il parametro principale per questi dispositivi di archiviazione di massa è, naturalmente, la loro capacità. I valori dei condensatori elettrolitici iniziano intorno a 1 μF e arrivano a migliaia di μF. Se è necessaria una capacità maggiore rispetto a quella che un singolo componente può fornire, naturalmente, i condensatori possono essere utilizzati in parallelo.
Il prossimo parametro che il progettista deve selezionare è la tensione di lavoro, solitamente indicata come WVDC (tensione di lavoro in corrente continua). Questo rappresenta il valore massimo della tensione di corrente continua a cui il condensatore può funzionare in modo affidabile ed è una funzione del design e dell'alloggiamento. Una WVDC più alta richiede un dispositivo di dimensioni fisiche maggiori per resistere all'arco interno e alla perforazione ed è più costosa, quindi il progettista deve fare attenzione a non sovradimensionare questo parametro. La maggior parte dei progettisti utilizza un margine di sicurezza del 2× sulla WVDC per compensare eventuali ondulazioni o transitori sul condensatore derivanti dalla rete di alimentazione; pertanto, un condensatore con WVDC di 25 V verrebbe utilizzato con un alimentatore nominale di 12 V DC.
Sebbene idealmente un condensatore dovrebbe essere semplicemente tale, nella realtà ogni condensatore ha una certa resistenza serie equivalente (ESR) e autoinduttanza. L'ESR di un condensatore di alta qualità è dell'ordine di 0.1 a 1 Ω; quanto più alta è l'ESR, tanto meno il condensatore si comporterà come un dispositivo ideale, e potrebbe persino causare il malfunzionamento del circuito regolatore. Nei condensatori elettrolitici di qualità inferiore, l'ESR aumenterà nel tempo e con la temperatura, e potrebbe raggiungere decine di ohm, con conseguenze dannose. I condensatori hanno anche una piccola quantità di corrente di dispersione a causa del dielettrico non perfetto.
Inoltre, ogni componente reale ha ovviamente un'induttanza parassita; per i condensatori, questa induttanza è dell'ordine di pochi millihenry (mH). Sebbene questo valore basso non sia generalmente un problema alle frequenze della linea AC, può diventare un problema con l'aumento della frequenza operativa dell'alimentatore, causando instabilità nel circuito e persino guasti.
Tolleranza dei Condensatori Elettrolitici
I condensatori elettrolitici hanno anch'essi delle classificazioni di tolleranza, come tutti i componenti; una tolleranza di ±20 percento è comune, sebbene alcuni siano specificati con tolleranze più strette. Anche se ciò può sembrare un margine di tolleranza ampio, è accettabile nell'applicazione.
Per supportare l'analisi delle prestazioni e della stabilità del progettista, la maggior parte dei fornitori di condensatori fornisce modelli che includono l'ESR, l'induttanza, la resistenza alle perdite e qualsiasi altro attributo non ideale (Figura 4). Questi possono essere mostrati sia alla frequenza di linea che a frequenze più alte, oltre che a diverse temperature.
Figura 4: Un modello semplificato a bassa frequenza di un condensatore elettrolitico mostra il condensatore di base insieme alla resistenza di perdita, la resistenza equivalente in serie e l'induttanza; per l'uso RF, il modello aggiungerebbe vari parassiti interni, nonché induttanza e capacità parassite dei terminali.
Tolleranza del Condensatore Elettrolitico
I condensatori elettrolitici sono generalmente progettati per funzionare secondo le specifiche per molte migliaia di ore, sebbene vengano spesso utilizzati oltre la loro durata massima "secondo specifica" con risultati accettabili. (Pensate a un alimentatore in un PC desktop che rimane acceso per gran parte del tempo.)
Oltre al funzionamento evidente al di fuori delle valutazioni stabilite, ogni componente elettronico è soggetto a fattori che ne influenzano l'affidabilità e la durata operativa, e i condensatori elettrolitici non fanno eccezione.
Il calore è il fattore più comune che influisce sulla durata di vita: un condensatore progettato per 10.000 ore a 25⁰C avrà bisogno di una derating man mano che la temperatura aumenta e potrebbe essere valutato per sole 1.000 ore a 85⁰C e persino meno a 105⁰C. Poiché la maggior parte di questi condensatori viene utilizzata con alimentatori, che generalmente funzionano a temperature elevate e presentano un aumento di temperatura localizzato rispetto alla temperatura complessiva dell'involucro, questi dispositivi di accumulo vedranno una durata di vita più breve. I fornitori offrono condensatori progettati per una lunga durata a temperature più elevate per superare questo problema. (Nota che anche una temperatura di immagazzinamento non operativa elevata è un problema che influisce sulla loro durata di vita, ma si tratta di uno scenario diverso e ha una specifica distinta.)
Il secondo fattore che accorcia la durata dei condensatori elettrolitici è la corrente ondulatoria che devono sopportare. Questa corrente rappresenta l'inevitabile fluttuazione nell'uscita del regolatore di tensione che il condensatore è incaricato di livellare. Per ragioni elettrochimiche complesse, la corrente ondulatoria degrada la durata del condensatore e del suo elettrolita; più alta è la corrente ondulatoria, maggiore e più rapida sarà la degradazione. La sensibilità alla corrente ondulatoria dipende dalla struttura e dai materiali utilizzati; i fornitori specificano la durata operativa con diversi valori di corrente ondulatoria.
C'è un fattore non tecnico che i progettisti devono tenere a mente, dopo aver selezionato il condensatore appropriato e il corrispondente modello del fornitore. È relativamente facile che parti di qualità inferiore, sostitutive o addirittura contraffatte si insinuino nel flusso di produzione e assemblaggio. Questo perché è relativamente semplice realizzare un condensatore adeguato che funzionerà abbastanza bene, almeno per un certo periodo. Tuttavia, il prodotto stesso avrà una durata sulla campo ridotta, ma a quel punto sarà troppo tardi e diventerà un grosso problema.
Ricorda che è anche allettante per il gruppo di acquisti dell'impianto di produzione sostituire un condensatore "simile" a quello specificato nella BOM dal progettista, ma con le stesse specifiche principali: capacità, WVDC e dimensioni. Tuttavia, potrebbe avere specifiche secondarie, ma comunque importanti, diverse, come ESR o tolleranza alla corrente di ripple, e la modifica della BOM potrebbe influenzare le prestazioni o l'affidabilità del sistema. È fondamentale che gli ingegneri collaborino con la catena di approvvigionamento della produzione per garantire l'integrità e la tracciabilità del condensatore fino al fornitore di origine specificato.
I condensatori elettrolitici posizionati tra il regolatore dell'alimentazione e il carico possono sembrare banali e persino di routine. Tuttavia, sono essenziali per fornire una linea DC stabile al circuito. Di conseguenza, i progettisti devono specificarli e selezionarli in base ai loro parametri primari e secondari e alla situazione operativa, tenendo anche conto di problematiche meno evidenti della catena di approvvigionamento.
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