I condensatori fanno differenza [Pt.2]

Ed eccoci qui con la seconda parte sui condensatori! Senza indugio, vi tiro uno schiaffo virtuale mostrandovi il modello di un condensatore non ideale:

Paura eh? Ma sfruttando questo piccolo, importante schema, possiamo finalmente esplicitare I parametri fondamentali di un condensatore, necessari per identificare il tipo di condensatore appropriato allo scopo:

- Cnom: La capacità nominale di un condensatore, espressa in Farad (F), ma nel nostro caso quasi sempre espressa in picoFarad (pF), nanoFarad (nF) e microFarad (uF). Questo valore viene sempre accompagnato con una percentuale di tolleranza (quasi sempre tra il 10 ed il 20%), pertanto un condensatore da 270 uF potrebbe avere, con una tolleranza del 20%, una capacità REALE compresa tra I 216 ed I 324 Uf

- Resr detta anche ESR, ovvero Equivalent Series Resistance: è una resistenza parassita, in serie al condensatore, assolutamente inevitabile e il cui valore dipende principalmente da:

- Grandezza fisica del condensatore

- Tipo di condensatore

- Temperatura

Perchè è inevitabile?

Perchè ogni materiale capace di condurre, con eccezione dei superconduttori, ha una resistività superiore a 0.

Per descrivere il concetto di resistività, citiamo come sempre la nostra carissima Wikipedia:

La resistenza effettiva di qualsiasi cosa (cavi, tracce su PCB, elettrodi e poli dei condensatori, induttori etc.) è dipendente dal suo valore di resistività, dalla temperatura, dalla lunghezza del cavo/polo/etc.

Per fare un esempio rapido: un filo di un metro di rame ha una resistenza superiore ad un filo di 30cm di rame.

Tornando al nostro discorso principale, in che modo contribuisce questa resistenza equivalente ad un condensatore?

In tanti modi:

- Un condensatore con un valore elevato di ESR contribuisce al ripple (di cui abbiamo discusso in precedenza) della corrente in uscita ad un alimentatore

- Un condensatore con un valore elevato di ESR è un pessimo filtro, perchè all’aumentare dell’ESR si riduce la capacità di filtrare disturbi elettrici ad alta frequenza (> 100 KHz)

- L’ESR modifica la risposta in frequenza di un condensatore, causando potenzialmente comportamenti inaspettati in regolatori DC/DC. Un esempio è una oscillazione inaspettata del regolatore, di cui portiamo un esempio visivo:

La logica di base è che, un regolatore DC/DC ha sempre bisogno, alla sua uscita, di condensatori il cui valore di ESR sia compreso in un range specifico (o, alternativamente, il più piccolo possibile) per garantire il funzionamento adeguato e massimizzare l’efficienza del regolatore (ricordatevi, un condensatore dissipa in calore una potenza equivalente a I^2 * RESR!)

- Lesl detta anche ESL o Equivalent Series Inductance: la presenza di questa induttanza genera campi magnetici, seppur piccoli, all’interno di un condensatore. Senza entrare a fondo nella questione, la combinazione di ESL ed ESR contribuisce a come si comporta un condensatore alle alte frequenze.

In questo caso, l’ESL modifica il comportamento della corrente durante la fase di carica e scarica, e al suo aumentare peggiorano le condizioni di funzionamento alle alte frequenze, causando:

- Ripple maggiore

- Oscillazioni (qualora il valore sia troppo elevato)

- Perdita in efficienza e/o surriscaldamento del condensatore

- Incapacità di filtrare I disturbi in alta frequenza

In poche parole, ESR ed ESR sono IL MALE ASSOLUTO. E sebbene siano parametri che possiamo ignorare guardando, ad esempio, un condensatore da usare al primario (o ingresso) di un Alimentatore ATX, sono dettagli assolutamente fondamentali da tenere in considerazione al secondario (O uscita) dello stesso!

Altri parametri meno vitali, ma comunque importanti, sono:

- Rleak detta anche Leakage Resistance: è una piccola (ed inevitabile) dispersione di corrente ai capi di un condensatore. Anche questa contribuisce ad una piccola (ma significativa) dispersione di potenza in calore equivalente a I^2 * Rleak.

Contrariamente a ESR ed ESL, maggiore è Rleak, meglio è.

Prendiamo adesso la prima pagina di un condensatore a caso:

Osservando questo datasheet possiamo identificare un ulteriore numero di parametri fondamentali:

- Rated Voltage : La tensione MASSIMA con cui il condensatore può operare senza pericolo che faccia BOOM. Quando si progetta un circuito si tende sempre a prendere un condensatore la cui tensione massima sia almeno 20% più grossa di quella presente nel circuito (AKA:per un alimentatore da 12V, si tende a prendere un condensatore da 18V o 25V)

- Temperature Range: Il range di temperatura su cui può operare il condensatore garantendo I parametri di fabbrica. L’uso di un condensatore in condizioni estreme (ovvero, intorno ai suoi limiti di temperatura) riduce significativamente la vita del condensatore stesso.

Endurance o MTBF o Mean Time Between Failure: La vita media che ci si può aspettare da quel condensatore. Più è alto il valore e più a lungo dovrebbe (in teoria) durare il condensatore.

E con questo concludiamo questo articolo, nel prossimo parleremo dei vari tipi di condensatore e quali scegliere in base al contesto! Alla prossima!

-Lorenzo

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