Tipi di condensatori e prestazioni

I condensatori sono componenti passivi che immagazzinano la carica elettrica. Questa singola funzione, tuttavia, può essere utilizzata in molti modi all’interno di un’ampia varietà di applicazioni – AC e DC, analogiche e digitali. Gli esempi includono circuiti di temporizzazione e modellazione dell’onda, accoppiamento e disaccoppiamento, filtri per forme d’onda e smussamento, sintonizzazione TV e radio, oscillatori e, con i supercondensatori, immagazzinamento della carica per dispositivi come le lampadine del flash della macchina fotografica. Questa diversità, unita alla scalabilità per adattarsi a vari livelli di potenza, corrente e tensione, significa che i condensatori sono disponibili in molte forme, dimensioni e tecniche di costruzione.

Questo articolo esamina i condensatori, e il significato di capacità elettrica. Esamina poi le proprietà – oltre alla capacità – che definiscono le prestazioni dei componenti e l’impatto sui circuiti di destinazione. Successivamente, mostra come queste proprietà sono variamente esibite dai diversi tipi di condensatori attualmente disponibili, e come influenzano le scelte di un progettista del tipo di condensatore.

A volte, tuttavia, l’apparente prima scelta per un progetto può non essere la strada migliore da seguire; può essere desiderabile sostituire una tecnologia di condensatore per un altro per qualche motivo. Di conseguenza, l’articolo termina con un breve esempio di come i condensatori polimerici possono sostituire i tipi ceramici multistrato.

Cos’è un condensatore?

Come mostra la Fig.1, un condensatore comprende due piastre conduttive in prossimità l’una dell’altra, separate da un isolante o dielettrico. Applicando una corrente continua attraverso le piastre, esse accumuleranno cariche uguali e opposte; negative su una piastra e positive sull’altra. Rimuovi la fonte di alimentazione e le piastre manterranno la loro carica, a parte le perdite. Poi, se le piastre sono collegate attraverso un carico come la lampadina di una macchina fotografica, rilasceranno tutta la loro energia in esso per alimentare il flash.

Nota che il design di un condensatore significa che blocca la corrente DC, ma conduce la corrente AC. In generale, più alta è la frequenza della tensione AC, meglio il condensatore conduce la corrente AC.

La quantità di energia che un condensatore può immagazzinare è definita dalla sua capacità, misurata in farad. Poiché un farad è un’unità di capacità impraticabilmente grande (ad eccezione dei supercondensatori), i componenti reali sono classificati in uno dei seguenti intervalli SI, come appropriato:

• 1 mF (millifarad, un millesimo (10-3) di un farad)
• 1 μF (microfarad, un milionesimo (10-6) di un farad)
• 1 nF (nanofarad, un miliardesimo (10-9) di farad)
• 1 pF (picofarad, un trilionesimo (10-12) di farad)

In ogni caso, la capacità C in farad è data dall’equazione

Dove q è la carica in coulomb (+q e -q cariche sulle piastre) e V è la tensione in volt attraverso le piastre.

Questo dà un rapporto tensione/corrente di

Dove i = corrente in ampere.

L’energia immagazzinata in un condensatore si trova integrando il lavoro W (Watts)

La prima delle equazioni di cui sopra ci dice che aumentando la capacità si può immagazzinare più carica per una data tensione sul condensatore. La capacità può essere aumentata aumentando la dimensione delle piastre, spostando le piastre più vicine, o migliorando le proprietà di isolamento del dielettrico. I condensatori di tutti i tipi raggiungono i loro valori di capacità di destinazione regolando queste tre variabili in modo adeguato. Quindi, se un valore di capacità richiesto può essere ottenuto con vari tipi di condensatori, come facciamo a decidere quale tipo è il migliore per una data applicazione?

La risposta è che mentre i condensatori ideali avrebbero solo la capacità, i dispositivi reali hanno anche molti altri parametri e caratteristiche che influenzano le loro prestazioni all’interno, e l’idoneità per la loro applicazione target. Questi fattori dipendono dalla tecnologia del condensatore utilizzato, e tutti devono essere considerati quando si sceglie una soluzione ottimale.

I criteri includono la tensione di funzionamento, le dimensioni del dispositivo, la risposta in frequenza, l’invecchiamento (essiccazione dell’elettrolita bagnato) che causa la perdita di capacità, la massima temperatura operativa raccomandata, l’infiammabilità e le proprietà di auto-riparazione. A volte, una resistenza parassita estremamente bassa (nota come resistenza serie equivalente o ESR) è necessaria per minimizzare le perdite I2R in applicazioni ad alta corrente.

Prossimo, guardiamo più da vicino queste e altre proprietà dei condensatori, e poi come si riflettono nei vari tipi di condensatori.

Proprietà dei condensatori

La pubblicazione KEMET ‘Introduzione alle tecnologie dei condensatori’ contiene molte informazioni utili, e ha fornito il background per la discussione delle proprietà dei condensatori riportata di seguito.

Caratteristiche dielettriche e CV dei condensatori

Le proprietà dielettriche influenzano l’efficienza volumetrica dei condensatori, cioè la quantità di capacità per un dato volume. Questo è espresso come valore CV, dove C = capacità e V è la tensione. I valori di CV sono considerazioni importanti quando si progettano sistemi portatili o schede di circuito molto densamente popolate dove è essenziale un’alta capacità in un volume minimo.

Alcuni dielettrici, come il tantalio, sono noti per le loro elevate proprietà CV. Il CV può anche essere aumentato massimizzando la superficie utilizzabile dell’elettrodo e minimizzando le spese generali del pacchetto.

Problemi pratici di capacità

La capacità utilizzabile di un condensatore può differire dal suo valore nominale a causa di diversi fattori. Questi includono:

• Temperatura
• Umidità
• Tensione CA e CC
• Frequenza del segnale
• Età del condensatore
• Meccanica
• Effetto piezoelettrico

Quando si seleziona un condensatore per una applicazione, le sue valutazioni per questi fattori devono essere prese in considerazione.

Le tolleranze sono un’altra importante considerazione. I condensatori sono codificati in base alle tolleranze, e i codici più comuni sono:

• ± 20% = M
• ± 10% = K
• ± 5% = J
• ± 2.5% = H
• ± 2% = G
• ± 1% = F

Corrente di dispersione vs resistenza di isolamento

I materiali dielettrici nei condensatori non sono isolanti ideali; possono lasciar passare una piccola corrente di dispersione DC per varie ragioni specifiche ad ogni tipo di dielettrico. Questo causerà una lenta caduta della tensione terminale di un condensatore carico man mano che la corrente di dispersione drena la sua carica.

Generalmente, la resistenza di isolamento tende a diminuire con l’aumento dei valori di capacità. La corrente di dispersione aumenta con l’aumento della temperatura.

La relazione tra la corrente di dispersione (LC) e la resistenza di isolamento (IR) del dielettrico del condensatore è data dalla semplice formula:

I(LC) = V/R(IR)

Comportamento di carica/scarica

Quando una tensione continua viene applicata a un condensatore in serie con una resistenza, il condensatore si carica a una velocità stabilita dalla tensione applicata, lo stato di carica rispetto al suo valore finale, la resistenza in serie e la sua stessa capacità. Il prodotto resistenza-capacità, RC, è noto come la costante di tempo del circuito. Per essere precisi, la costante di tempo RC è il tempo necessario per caricare il condensatore del 63,2% della differenza tra il valore iniziale e quello finale. Lo stesso valore RC regola anche il tempo necessario per scaricare il condensatore attraverso la resistenza in serie.

Resistenza dielettrica

Se la tensione attraverso un condensatore viene aumentata a sufficienza, il campo elettrico alla fine causerà la rottura del dielettrico e la conduzione della corrente. Con alcuni dielettrici, l’effetto è permanente, quindi il condensatore viene distrutto.

Alcuni dielettrici, tuttavia, possono autorigenerarsi. Per esempio, i condensatori a pellicola e carta con elettrodi molto sottili possono autorigenerarsi perché la grande corrente di guasto riscalda gli strati di elettrodi facendo evaporare e ossidare i metalli dalla zona interessata, isolando così il percorso di cortocircuito dal resto del condensatore. Questo processo può verificarsi anche in applicazioni di altissima potenza fino a diversi kilowatt.

Dissipazione di energia

Quando la tensione CA viene applicata attraverso un condensatore, la corrente scorre attraverso il suo materiale dielettrico e le parti conduttive. In pratica, una parte di questa corrente viene dissipata nella piccola quantità di resistenza all’interno del condensatore. Questa dissipazione si manifesta come un aumento della temperatura nel condensatore. La resistenza complessiva del condensatore, chiamata Resistenza Serie Equivalente (ESR) è una somma di due elementi:

• Resistenza del materiale dielettrico
• Resistenza delle parti conduttive

Induttanza

Gli elettrodi e i fili di piombo o terminazioni di un condensatore sono conduttori metallici, che hanno una certa induttanza associata a loro. Questa induttanza tende a resistere alle variazioni della corrente AC attraverso il condensatore. È conosciuta come Induttanza Serie Equivalente o ESL.

Descrizione del circuito equivalente del condensatore

Le parti conduttive di un condensatore hanno una resistenza ohmica associata che si combina con la resistenza dielettrica per formare una Resistenza Serie Equivalente (ESR). Un condensatore pratico può essere descritto usando un cosiddetto circuito equivalente come in Fig.2, dove un resistore (ESR) e un induttore (ESL) sono in serie con una capacità pura messa in parallelo con una resistenza uguale alla resistenza di isolamento del dielettrico.

Diversi tipi di condensatori

La figura 3 riassume i diversi tipi di condensatori attualmente disponibili. Rivediamo i tipi di condensatori fissi qui sotto.

Caoacitorguide.com fornisce spiegazioni approfondite dei diversi tipi di condensatori e della loro costruzione; le informazioni sui tipi di condensatori che seguono (ad eccezione di Glass e Feedthru) sono basate su questo contenuto.

Film

I condensatori a film utilizzano un sottile film plastico come dielettrico; questo può essere metallizzato o lasciato non trattato, a seconda delle proprietà richieste dal condensatore. Questi tipi offrono stabilità, bassa induttanza e basso costo. Le diverse versioni di film includono poliestere, metallizzato, polipropilene, PTFE e polistirene. Le capacità variano da meno di 1nF a 30µF.

Questi tipi di condensatori non sono polarizzati, il che li rende adatti ad applicazioni di segnale e di potenza AC. I condensatori a film possono avere valori molto precisi, che mantengono più a lungo di altri tipi di condensatori. Sono molto affidabili con una lunga durata di conservazione e di servizio, con un processo di invecchiamento che è generalmente più lento di altri tipi come gli elettrolitici. Hanno bassi valori ESR ed ESL, quindi fattori di dissipazione molto bassi. Possono essere fatti per resistere a tensioni nell’intervallo di kilovolt e possono fornire impulsi di corrente di picco molto elevati.

Sono disponibili condensatori a film di potenza che possono resistere a una potenza reattiva superiore a 200 volt-ampere. Questi sono utilizzati in dispositivi elettronici di potenza, sfasatori, flash di raggi X e laser pulsati. Le varianti a bassa potenza sono utilizzate come condensatori di disaccoppiamento, filtri e nei convertitori A/D. Altre applicazioni degne di nota sono i condensatori di sicurezza, la soppressione delle interferenze elettromagnetiche, i reattori per luci fluorescenti e i condensatori snubber.

Ceramica

I condensatori in ceramica utilizzano un materiale ceramico come dielettrico. Il condensatore a chip multistrato (MLCC) e il condensatore a disco ceramico sono i tipi più comunemente usati nell’elettronica moderna. I MLCC sono fatti in forma di tecnologia a montaggio superficiale (SMT), e ampiamente utilizzati a causa delle loro piccole dimensioni. I valori di capacità sono tipicamente tra 1 nF e 1 µF, anche se sono disponibili valori fino a 100 µF. Non sono polarizzati, quindi possono essere usati in circuiti AC. Hanno una grande risposta in frequenza grazie ai bassi effetti parassiti resistivi e induttivi.

Ci sono due classi di condensatori ceramici disponibili oggi: classe 1 e classe 2. I condensatori ceramici di classe 1 sono utilizzati dove sono richieste alta stabilità e basse perdite. Sono molto precisi e il valore di capacità è stabile rispetto alla tensione applicata, alla temperatura e alla frequenza.

I condensatori di classe 2 hanno un’alta capacità per volume e sono utilizzati per applicazioni meno sensibili. La loro stabilità termica è tipicamente ±15% nell’intervallo di temperatura operativa, e le tolleranze del valore nominale sono intorno al 20%.

MLCCs offrono alte densità di imballaggio per il montaggio su PCB, anche se sono disponibili anche componenti ceramici di potenza fisicamente grandi che possono resistere a tensioni da 2 kV fino a 100 kV, con potenze superiori a 200 VA.

Elettrolitico

I condensatori elettrolitici utilizzano un elettrolita per fornire un valore di capacità maggiore rispetto ad altri tipi di condensatori. Quasi tutti i condensatori elettrolitici sono polarizzati, quindi devono essere utilizzati in circuiti DC e correttamente polarizzati. I condensatori elettrolitici possono essere sia a elettrolita bagnato che a polimero solido. Sono comunemente fatti di tantalio o alluminio. I condensatori in alluminio hanno tipicamente capacità tra 1 µF e 47 mF, con una tensione operativa fino a qualche centinaio di volt DC. Tuttavia, i supercondensatori, a volte chiamati condensatori a doppio strato, sono disponibili anche con capacità di centinaia o migliaia di farad.

Gli svantaggi includono grandi correnti di perdita, ampie tolleranze di valore, tipicamente del 20%, resistenza in serie equivalente e una durata limitata. Anche i valori di capacità vanno alla deriva nel tempo. I condensatori possono surriscaldarsi o addirittura esplodere se sottoposti a tensioni di polarità inversa.

I condensatori elettrolitici sono utilizzati in applicazioni che non hanno bisogno di tolleranze strette e polarizzazione AC, ma richiedono grandi valori di capacità. Alcuni esempi sono gli stadi di filtraggio negli alimentatori per rimuovere l’ondulazione AC, o per lo smoothing di ingresso e uscita come filtro passa basso per segnali DC con una debole componente AC.

Supercondensatori

I supercondensatori sono un tipo di elettrolitico, come descritto sopra. Possono immagazzinare quantità estremamente grandi di energia elettrica utilizzando due meccanismi: capacità a doppio strato e pseudocapacità. Il primo è elettrostatico, mentre il secondo è elettrochimico, quindi i supercondensatori combinano le caratteristiche dei normali condensatori con quelle delle batterie ordinarie.

In effetti, sono utilizzati come alternativa alle batterie in molte applicazioni, tra cui i sistemi di recupero dell’energia cinetica (KERS) delle automobili, il flash fotografico e la memoria RAM statica. Le possibilità future includono telefoni cellulari, computer portatili e auto elettriche; il loro vantaggio più eccitante è la loro velocità di ricarica molto veloce, il che significa che un’auto elettrica potrebbe essere ricaricata in pochi minuti.

Questa tecnologia può raggiungere valori di capacità fino a 12000 F. Hanno tempi di carica e scarica molto veloci, paragonabili ai normali condensatori, grazie alla loro bassa resistenza interna. Al contrario, le batterie possono impiegare fino a diverse ore per essere completamente caricate. I supercondensatori hanno anche una potenza specifica da 5 a 10 volte superiore a quella delle batterie; per esempio, 10 kW/Kg contro 1 – 3 kW/Kg per le batterie agli ioni di litio. I supercapacitori non si riscaldano tanto quanto le batterie quando vengono maltrattati, e hanno una vita ciclica virtualmente illimitata, rispetto agli oltre 500 cicli tipici delle batterie.

Gli svantaggi dei supercapacitori includono una bassa energia specifica (Wh/Kg), una caratteristica di tensione di scarica lineare (un supercapacitore valutato per 2,7 V in uscita scende a 1,35 V al 50% di scarica, per esempio) e costi elevati. Questi hanno impedito ai supercondensatori di sostituire finora le batterie nella maggior parte delle applicazioni.

Mica

I condensatori in mica oggi sono condensatori in argento, fatti mettendo a sandwich fogli di mica rivestiti di metallo su entrambi i lati. I valori di capacità sono piccoli, di solito da pochi pF fino a pochi nF, anche se i tipi di mica più grandi possono raggiungere 1 µF. I valori di tensione sono tipicamente da 100 a 1000 volt, anche se alcuni condensatori sono valutati fino a 10 kV per applicazioni di trasmettitori RF. Sono anche utilizzati in altre applicazioni ad alta tensione, a causa della loro alta tensione di breakdown.

Sono a bassa perdita, permettendo l’uso ad alte frequenze, affidabili, e il loro valore rimane stabile nel tempo. I condensatori sono anche stabili su ampie gamme di tensione, temperatura e frequenza. Di solito hanno un valore capacitivo relativamente piccolo. Offrono precisione, con tolleranze fino a +/- 1%. Tuttavia, i condensatori sono ingombranti e costosi.

Vetro

I condensatori in vetro sono usati nei circuiti RF dove sono richieste le massime prestazioni. Offrono un basso coefficiente di temperatura senza isteresi, tasso di invecchiamento zero, nessun rumore piezoelettrico, tasso di invecchiamento zero e perdita estremamente bassa. Hanno anche una grande capacità di corrente RF, con alte temperature operative, spesso fino a 200°C.

Feedthru

AVX offre una linea di condensatori feed-through, che sono disponibili sia in una dimensione standard 0805 e 1206. Questi condensatori sono le scelte ideali per la soppressione EMI, il filtraggio I/O a banda larga, o il condizionamento della linea di alimentazione Vcc. La costruzione unica di un condensatore di feedthru fornisce una bassa induttanza parallela e offre un’eccellente capacità di disaccoppiamento per tutti gli ambienti ad alta di/dt e fornisce una significativa riduzione del rumore nei circuiti digitali fino a 5 GHz. AVX offre condensatori di feedthru di grado automobilistico qualificati secondo AEC-Q200. Questi condensatori sono disponibili nei dielettrici NP0 e X7R con opzioni di terminazione tra cui Ni placcato e Sn.

Intercambiabilità dei tipi di condensatori

Anche se i vari tipi di condensatori sono ottimizzati per diverse applicazioni, può essere possibile o desiderabile sostituire un tipo con un altro. Per esempio, Panasonic ha scritto un approfondito white paper che mostra come i condensatori polimerici possono sostituire gli MLCC in varie applicazioni.

I moderni sviluppi dei circuiti integrati, e le relative aspettative sulle loro prestazioni, hanno imposto requisiti più rigorosi sui relativi componenti, compresi i condensatori. Questa tendenza è evidente, per esempio, nei progetti di convertitori DC-DC. Questi stanno spingendo verso una maggiore efficienza di potenza, correnti di carico crescenti, miniaturizzazione e frequenze di commutazione più elevate. Queste tendenze richiedono condensatori che possano far fronte a carichi di corrente più elevati da un volume più piccolo. C’è una crescente necessità di bilanciare alte prestazioni e densità di potenza contro la resistenza a lungo termine, l’alta affidabilità e la sicurezza.

I condensatori d’uscita sono essenziali per i convertitori DC-DC perché, insieme all’induttore principale, forniscono un serbatoio di energia elettrica per l’uscita, e uniformano la tensione di uscita. I condensatori d’ingresso devono funzionare bene in termini di dissipazione di potenza e prestazioni di ripple. Dovrebbero mantenere la tensione e garantire che la tensione di rete rimanga stabile per l’inverter.

Vari tipi di condensatori possono essere utilizzati per questi ruoli di ingresso e uscita del convertitore DC-DC. La Fig.8 mostra alcune opzioni, tra cui condensatori elettrolitici, OSCON, SP-Caps, POS-Caps, condensatori a film e condensatori ceramici multistrato (MLCC), e classifica le loro prestazioni secondo ogni caratteristica. Mentre la scelta migliore dipende dall’applicazione, possiamo confrontare le caratteristiche relative di ogni tipo.

Mentre i condensatori elettrolitici forniscono la maggiore ESR, la loro capacità e le prestazioni della corrente di perdita degradano significativamente a temperature e frequenze più elevate. L’ESR e l’ESL molto bassi dei condensatori ceramici forniscono grandi prestazioni transitorie, ma hanno limitazioni sul declassamento della capacità. Possono anche funzionare a correnti di ripple molto elevate, ma sono inclini a guasti da invecchiamento e richiedono campi elettrici operativi più bassi.

I condensatori elettrolitici polimerici sono popolari negli alimentatori per circuiti IC per funzioni di buffer, bypass e disaccoppiamento, soprattutto all’interno di dispositivi dal design piatto o compatto. Sono quindi in concorrenza con i MLCC, ma offrono valori di capacità più elevati e, a differenza dei condensatori ceramici di classe 2 e 3, non mostrano alcun effetto microfonico.

Per i filtri di ingresso e uscita dei convertitori DC-DC, i condensatori MLCC sono stati il tipo più utilizzato grazie ai loro bassi costi e alla bassa ESR ed ESL. Tuttavia, hanno degli svantaggi, tra cui:

• Piccola capacità per volume, specialmente per materiali dielettrici di classe 1 (NO/COG)
• Grandi dimensioni del corpo inclini a incrinarsi con la flessione del PCB
• Instabilità della polarizzazione DC
• Effetto Pizo (Singing)

Ecco dove i condensatori polimerici trovano un ruolo. Panasonic produce condensatori polimerici solidi in alluminio: SP-Caps e OS-CON, condensatori polimerici al tantalio (POS-CAP), e tecnologie di condensatori elettrolitici polimerici ibridi in alluminio. Questi tipi di condensatori polimerici hanno esteso la loro gamma di applicazioni. Hanno una grande capacità ed eccellenti caratteristiche di polarizzazione, di gran lunga superiori a quelle dei MLCC, oltre a presentare caratteristiche ESR e ESL estremamente basse.

Inoltre, i condensatori polimerici raggiungono un’affidabilità molto elevata e prestazioni superiori alle basse temperature utilizzando materiali polimerici solidi come elettrolita.

Il circuito in Fig. 9 mostra un paio di esempi di come diversi condensatori polimerici possono migliorare le prestazioni dei condensatori MLCC.

Sourcing condensatori

I vari tipi di condensatori, con una vasta gamma di variabili di prestazioni, possono essere trovati sul sito web di Farnell element14.

Conclusione

Questo articolo ha spiegato cos’è un condensatore e come funziona una capacità pura in un circuito elettrico. Tuttavia, riconosce anche che non esiste un condensatore puro nel mondo reale. Di conseguenza, ha esplorato le varie caratteristiche fisiche ed elettriche che inevitabilmente costituiscono un componente condensatore reale, e ha discusso la vasta gamma di tipi di condensatori e le loro diverse caratteristiche ora disponibili per diverse applicazioni.

Ha anche esaminato come un tipo di condensatore può a volte essere sostituito da un altro, utilizzando la sostituzione del condensatore polimerico per MLCC come esempio.

Si tratta di un articolo che ha spiegato cosa sia un condensatore e come funzioni all’interno di un circuito elettrico.