I condensatori fanno differenza [Pt.1]

Ah, I condensatori, nati come simpatici barattoli per ammazzare la gente a furia di scariche elettriche, fino a diventare uno dei componenti più importanti dopo le resistenze e le imprecazioni dei progettisti.

Non esiste circuito elettronico serio che possa farne a meno (No, studenti del terzo anno di elettronica, voi non contate), e vengono in varie forme, valori e dimensioni.

Ma andiamo più a fondo sulla questione, cos’è un condensatore? Citando Wikipedia: “Il condensatore (noto anche come capacitore) è un componente elettrico che immagazzina l'energia in un campo elettrostatico, che crea una differenza di potenziale.”

In poche parole, altro non è che due conduttori (di forma variabile) separati da un materiale isolante (dielettrico) che, quando sottoposti a corrente, raccolgono ai loro poli (solitamente due: Positivo e negativo) un numero di cariche equivalenti e di segno opposto. Ecco uno schema (sempre da Wikipedia) per farvi capire in grandi linee cosa succede all’interno di un condensatore quando viene applicata una tensione:

Questo articolo sì dedicherà a spiegare però, l’importanza dei condensatori nel campo degli SMPS (Switch-Mode Power Supply) e quanto le loro caratteristiche possano modificare la tensione di uscita di questi ultimi. Non tratteremo il discorso dei filtri che meritano un articolo a parte.

Partiamo dalle basi: Che uso facciamo, principalmente, dei condensatori? Ecco qui un esempio base di un alimentatore non stabilizzato:

In ingresso abbiamo una corrente alternata (Tensione 230V 50 Hz) (1), questa viene ridotta da un trasformatore a un valore più basso (Solitamente tra i 12 ed I 24V AC, 50Hz), e viene passata attraverso un ponte di diodi (a destra), che inverte la semionda negativa della corrente alternata in una semionda positiva, raddoppiando effettivamente la frequenza del segnale presente nel punto 3. Infine, in uscita al ponte di diodi viene collegato in parallelo uno o più condensatori e poi ad un carico (ZL), ottenendo quindi il risultato desiderato (4): Una tensione ridotta rispetto alla 230V e a corrente continua.

Eppure, se qualcuno di voi è stato attento, vi renderete conto che la corrente era già continua nella figura 3! Difatti la corrente continua può essere definita in due modi diversi:

1) Un flusso di corrente che scorre in una singola direzione (Polarità costante)

2) un flusso di corrente che scorre in una singola direzione e non varia nell’asse curva del tempo (Polarità e intensità costanti)

Normalmente, quando si parla di corrente continua, si preferisce usare la seconda definizione. E voi vi chiederete “e che forma ha? A cosa somiglia?” ebbene, rimarrete stupiti:

Sì, altro non è che una linea dritta. In un mondo in cui tutto è perfetto la corrente continua altro non sarebbe che una linea dritta, perfetta e senza interferenze. Quindi tornando all’immagine di prima, se avete seguito fino ad ora avrete notato che il segnale presente in figura 4 non è dritto!

Perchè? Proviamo a fare una simulazione! Prendiamo in riferimento questo simpatico circuito (che altro non è che lo stesso circuito mostratovi prima, su un software di simulazione chiamato MultiSIM), che prende in ingresso una corrente alternata di 230V 50Hz e butta fuori una corrente continua tra i 15 ed i 19V:

Usando l’oscilloscopio XSC1 vediamo il seguente segnale:

Qualcosa non torna! La linea è perfettamente dritta, quando nella figura (4) non lo è!

Questo perchè stiamo esaminando un circuito assolutamente teorico, in cui non ci sono resistenze, capacità o induttanze parassite, ma la cosa più importante di tutte…

DOVE STA IL CARICO?

se adesso modifichiamo il circuito con una piccola resistenza di soli 100 Ohm otteniamo la seguente curva:

Cosa diavolo è successo alla nostra bella linea continua di 15V?

La deformazione del segnale che avete appena avuto modo di vedere, è quella che viene comunemente chiamata RIPPLE, citando nuovamente Wikipedia:

Nella fattispecie, cosa causa il ripple?

Osserviamo questa parte del grafico:

Quando il segnale arancione (ovvero, l’onda raddrizzata in uscita dal ponte di diodi) è superiore al segnale blu (ovvero, la tensione rilevata ai capi del condensatore), il condensatore tende a caricarsi alla tensione del segnale in ingresso (nel caso del circuito in esame, circa 17V). In contrapposizione, quando la tensione precipita ad un livello inferiore a quella presente sul condensatore, il condensatore, nel tentativo di mantenere stabile la tensione, rilascia parte della carica accumulata in precedenza. Nel rilasciare la carica accumulata, la tensione ai capi del condensatore scende, finchè la tensione in ingresso non diventa nuovamente superiore a quella del condensatore stesso, e il ciclo si ripete.

Pertanto il ripple viene identificato come la differenza tra il punto di maggiore tensione ai capi del condensatore e il punto di minore tensione ai capi del condensatore, ovvero così:

In questo caso, abbiamo un ripple di ben 4.58 V! Questo vuol dire che tra la tensione massima e la tensione minima ai capi del condensatore, c’è una escursione di quasi 5V! Una simile escursione è qualcosa che piace veramente poco al 100% dei componenti elettronici. E si possono usare vari modi per MITIGARE (ma mai risolvere) questo problema:

1) Usare un condensatore più grosso 2) Usare più condensatori in parallelo

Perchè usare più condensatori in parallelo? Guardiamo questo schema:

Si può evincere che, due condensatori messi in parallelo hanno la stessa capacità di un singolo condensatore più grosso. Pertanto la formula della capacità totale tra due capacità in parallelo equivale a:

CTotale = C1 + C2
Se quindi aggiungiamo un altro condensatore da 270 uF in parallelo, otterremo il seguente risultato:

La capacità totale del circuito sarà di 270*2 uF, ovvero 540 uF. Se adesso esaminiamo il ripple:

Notiamo che è ancora presente, ma è quasi dimezzato: Solo 2.58V rispetto ai precedenti 4.58V!

In un alimentatore ATX, possiamo trovare una moltitudine di condensatori (Figura E)

Perchè allora usare così tanti condensatori e non singoli condensatori più grossi? Beh, questo lo scoprirete nella seconda parte di questo articolo!

-Lorenzo

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