Condensatori - i guasti e gli effetti parassiti
In un articolo precedente (Condensatori: Condensatori elettrolitici, condensatori ceramici ed altri) abbiamo introdotto i condensatori: i loro principi di funzionamento (processo di carica e scarica), alcuni concetti base quali la capacità, la costante di tempo e la permittività (nel linguaggio comune, anche se non è corretto, viene usato il termine " costante dielettrica " invece di permittività.
La costante dielettrica k è data dal rapporto tra la permittività del dielettrico e quella del vuoto:
k = εd / ε0
dove εd è la permittività del dielettrico e ε0 è la permittività del vuoto).
Abbiamo inoltre parlato di alcuni dei più comuni condensatori ed evidenziato alcune delle loro caratteristiche. Adesso vogliamo affrontare altri aspetti, come i loro guasti e gli effetti parassiti.
Condensatori: Guasti
Un condensatore (o qualunque altro dispositivo) si considera guasto quando non soddisfa più i requisiti voluti. Un condensatore si può guastare per diversi motivi, diamo loro uno sguardo.
Condensatori - Temperatura
La temperatura costituisce un grosso problema per qualunque condensatore (specialmente quelli in alluminio), così non bisognerebbe mai posizionarli vicino a fonti di calore. In applicazioni con elevate temperature, per evitare che si guastino, si dovrebbero usare i condensatori con le perdite più basse, le dimensioni più grandi e le temperature più elevate. Pertanto la scelta del dielettrico è fondamentale per la stabilità termica del condensatore.
Ogni dielettrico ha un gradiente di temperatura differente: può variare da ± 15 ppm/°C per speciali condensatori RF alla porcellana fino a migliaia di ppm/°C per i condensatori elettrolitici e alcuni a film plastico. Ad ogni modo la deriva termica, per un dato dielettrico, può variare da produttore a produttore. Per l'alto costo dei condensatori al tantalio, quelli più comuni nel mercato sono quelli ceramici (in termini di dimensioni, costo e disponibilità). Questi ultimi si possono classificare, secondo la costante dielettrica k, in tre classi: I, II e III.
I dielettrici della Classe I hanno valori bassi di k ed un'ottima stabilità in temperatura. Questa classe comprende i condensatori ceramici NPO: NPO significa " Negativo-Positivo-Zero" (quello che si legge come "O" in realtà è uno zero) e significa, in poche parole, che la capacità non varia con la temperatura (i coefficienti positivi e negativi del condensatore sono zero). Come abbiamo già detto questi dielettrici hanno una eccellente stabilità in temperatura e si ottengono mescolando titanato di magnesio (con un coefficiente positivo) e titanato di calcio (con coefficiente negativo). In particolare hanno coefficienti di temperatura ultra stabili di 0 ± 30 ppm/°C nel range -55 ÷ 125 °C e non reagiscono a variazioni di tensione sia della corrente alternata (AC) che continua (DC). Solo i condensatori che hanno la parte superiore nera possono qualificarsi come NPO e i valori sono nel range 1.8 pF ÷ 120pF.
Qualche volta è possibile trovare il codice "COG" nella parte superiore degli NPO. Questo codice è stato dato dall'EIA (Electronic Industrial Association) che ha un set di specifiche ben definito per le caratteristiche di temperatura dei condensatori (EIC 384/class 1B). I condensatori della Classe I hanno, per la capacità, un coefficiente di tensione basso , il che è un importante requisito nei circuiti di processo dei segnali nei quali viene richiesta una bassa distorsione. I condensatori ceramici multistrato (MLCs), con basso valore di k , vengono usati nei circuiti risonanti e nei filtri.
I dielettrici della Classe II hanno valori di k elevati, efficienza volumetrica ma stabilità in temperatura più bassa. Questo dielettrico è ferro-elettrico, costituito da titanio di bario e offre range di capacità più alti della Classe I. Nella tabella sottostante viene mostrata la Classe II della EIA:
EIA CLASS II - CODICI DEI CONDENSATORI
Secondo la tabella sovrastante un condensatore etichettato Y5P ha ± 10% di tolleranza sulla variazione della capacità in un range -30°C ÷ 85°C. Questa classe comprende i condensatori per scopi generali (general purpose) X7R e Z5U. X7R è un condensatore stabile, ma la sua capacità può variare del ± 15% nel range di temperatura -55 ÷ 125°C. Inoltre la capacità diminuisce con la tensione della corrente continua (DC) e aumenta con quella della corrente alternata ( AC ). Il condensatore Z5U mostra la massima variazione della capacità in funzione della temperatura, di + 22% e di -56%, nel range 10 ÷ 85°C. Nel grafico sottostante si possono vedere le variazioni della capacità rispetto alla temperatura dei condensatori X7R, X6S e X5R.
Variazione della capacità Vs. temperatura - Grafico concesso dalla Kemet
I dielettrici della Classe III vengono preparati per i condensatori ceramici a disco più economici e per quelli a tubo. Questa classe fornisce una elevata efficienza volumetrica, ma a scapito di una alta resistenza di leakage e di un alto fattore di dissipazione. I condensatori con i dielettrici della Classe III hanno tensioni di lavoro basse.
Condensatori ed Alta Energia
Generalmente aumenti improvvisi di energia con bassi valori non hanno effetti negativi, al contrario quelli con alti valori possono avere effetti catastrofici. Nei condensatori ceramici un'ondata di alta energia può creare crepe nella ceramica e permettere la penetrazione dell'umidità, creando un percorso conduttivo. Nei condensatori elettrochimici a doppio strato, se la tensione è molto alta, il processo di elettrolisi decompone l'elettrolita. Ciò produce gas che aumenta la pressione interna. Se la pressione diventa troppo alta nel condensatore si possono creare delle crepe. Nei condensatori a film metallizzato correnti elevate possono causare il loro guasto per l'evaporazione della connessione tra la metallizzazione e la parte terminale del contatto.
Per evitare tutto questo si devono usare condensatori a film/lamina con valore infinito del rapporto dV/dT (massima variazione consentita, in volt su microsecondo, della tensione nel tempo) o serie complesse di condensatori metallizzati con alto valore dV/dT. Anche i condensatori al tantalio si possono danneggiare, anzi si possono danneggiare in maniera definitiva in seguito ad un declassamento (derating) improprio di tensione, a tensioni inverse, a shock termici estremamente forti o a riscaldamenti dovuti ad una corrente di ripple eccessiva.
Stoccaggio e trasporto - Condensatori
I condensatori si possono danneggiare durante il trasporto e persino durante lo stoccaggio, in questo caso c'è un'alta probabilità che si possano guastare. Durante il trasporto dei componenti le scatole si possono danneggiare per una movimentazione poco accorta, per cadute accidentali, per i carrelli elevatori o soltanto perchè stoccati in maniera impropria. A causa degli eventi suddetti nei condensatori, all'interno delle scatole, i reofori si possono piegare e le distanze dei collegamenti possono andare fuori specifica, entrambi questi eventi sono dannosi. Un lungo stoccaggio causa una perdita di capacità nei condensatori ceramici e, in quelli ad alluminio, per lo strato di ossido di alluminio che si dissolve lentamente nell'elettrolita liquido, causa un aumento della corrente di leakage. Se la corrente di leakage è abbastanza elevata il condensatore si può guastare.
Assemblaggio - Condensatori
I condensatori SMT ad alluminio su trovano nella parte alta della scheda durante il processo di saldatura e sono quindi esposti alle elevate temperature di questo processo. Questa temperatura elevata può causare guasti. I condensatori possono essere danneggiati anche da un montaggio o maneggio sbagliato. Talvolta i condensatori di grandi dimensioni vengono (in maniera impropria) utilizzati come maniglie per la movimentazione delle schede e anche questo può danneggiarli internamente. I condensatori polarizzati, come quelli al tantalio e gli elettrolitici ad alluminio, necessitano di una particolare attenzione. Per esempio i condensatori ad alluminio sono solo a corrente continua, se venisse applicata una corrente alternata i risultati sarebbero catastrofici.
Effetti parassiti - Condensatori
In realtà un condensatore ideale non esiste, un condensatore reale è caratterizzato da componenti parassiti e comportamenti non ideali, sotto forma di elementi induttivi e resistivi, non linearità e memoria del dielettrico. Nella figura sottostante possiamo vedere un modello di un condensatore reale. Questo modello è utile per capire il comportamento di un condensatore in molte situazioni, ma ad ogni modo non mostra la dipendenza dei vari elementi dalla temperatura e dalla frequenza. Spieghiamo i vari componenti del modello.
C è la capacità principale.
RL è la resistenza di isolamento, responsabile del parametro leakage.
In un condensatore ideale, la carica Q varia solo in conseguenza di una corrente che scorre esternamente. In un condensatore reale invece la resistenza di leakage consente alla carica Q di scaricarsi molto lentamente con un andamento determinato dalla costante di tempo R-C. Il leakage è un importante parametro nelle applicazioni di accoppiamento in corrente alternata, nelle applicazioni di stoccaggio, quali integratori analogici e sample-holds, e quando i condensatori vengono usati in circuiti ad alta impedenza.
ESR (resistenza in serie equivalente) è generalmente costituita da tre componenti: i reofori, la resistenza dell'elettrodo e la perdita del dielettrico. A causa della ESR il condensatore dissipa potenza (e quindi ha delle perdite) quando sono in gioco correnti alternate elevate. Ciò può avere delle conseguenze serie alle frequenze radio (RF) e nell'alimentazione di condensatori di disaccoppiamento che trasportano correnti con ripple elevati, ma è improbabile che ciò abbia molto effetto nei circuiti analogici di precisione ad alta impedenza e basso livello.
ESL (induttanza in serie equivalente) è un valore di induttanza che rappresenta le induttanze distribuite, associate ad un condensatore reale. L'ESL non è un problema alle basse frequenze, ma diventa importante alle alte frequenze (RF). Ciò rende indispensabile il fatto che, alle alte frequenze, i terminali dell'alimentatore dei circuiti analogici di precisione siano disaccoppiati opportunamente. Il condensatore ceramico monolitico è una scelta appropriata per il disaccoppiamento alle alte frequenze in quanto ha una induttanza in serie veramente bassa. E' costituito di un sandwich multistrato di film metallici e dielettrico ceramico e i film sono collegati in parallelo ai bus-bar piuttosto che essere arrotolati in serie.
DA (assorbimento del dielettrico o memoria del condensatore) è l'incapacità del condensatore a scaricarsi completamente, fino allo zero. Ciò succede perché il dielettrico del condensatore conserva una carica. Tutti i condensatori hanno un certo assorbimento del dielettrico, ma, se questo diventa eccessivo, può influenzare il funzionamento del circuito.
Dopo l’articolo sull’isolamento galvanico, questo sulle componenti parassite delle capacità è davvero azzeccato.!
Grazie al link in cima all’articolo si può (provo) a capire questo articolo ! Ottimo
Ti stimo tantissimo per la tua voglia di imparare. L’elettronica è una mia passione da sempre e all’inizio anche io facevo difficoltà a capire schemi elettronici o il loro funzionamento, ma col tempo vedrai che le nozioni bene o male si ripropongono uguali, anche se il circuito è complesso. Ti posso dare un consiglio? Leggi delle riviste di elettronica, come farelelettronica o elettronicain…oltre a progetti un pò più complessi trovi anche ottimi corsi strutturati in puntate che ti spiegano in maniera molto basilare i principi dell’elettronica. Io ho iniziato così ad appassionarmi all’elettronica e ora sono in procinto di laurearmi in ingegneria elettronica.
Altra cosa che puoi fare, visto che abbiamo a disposizione un forum così ricco di informazioni e gente competente come Elettronica Open Source di leggere gli articoli/tutorial/corsi sui fondamenti di elettronica…vedrai che se fai una ricerca nel forum di roba ne trovi davvero tanta, e un esempio è proprio questo articolo sui condensatori e sugli effetti parassiti.
L’elettronicaa, come tutte le passioni, arriva a darti delle vere soddisfazioni!! 😉
Grazie per l’articolo… interessante da cima a fondo!
vedere un grafico della degradazione nel tempo di un condensatore, visto che molte schede muoiono proprio a causa dei condensatori, forse troppo economici o forse sovrautilizzati.
Davvero ben trattato, ora manca soltanto un trattato sulla variazione delle capacità dei materiali in base alle frequenze
quello è un problemaquasi esclusivamente dei condensatori elettrolitici,
o sbaglio?
di quelli elettrolitici, si evince dall’articolo, se lo hai letto bene.
io credo che grazie a gente come te e lo staff credo che imparerò moltissimo ! Cmq mi sono segnato la rivista farelelettronica domattina andrò dall’edicolante sotto casa e spero che ce l’abbia o me la ordini !
Per esperienza personale acquistare le riviste può essere una bella spesa, e a volte, molti concetti non li capisci. Io li compro solo quando propongono qualche articolo che mi interessa particolarmente. Io invece suggerisco di seguire i forum e siti come questo, dove se hai dubbi domandi e la gente è felice di risponderti. Quanto amo l’Open Source…
Prima di comprare leggi la mia risposta sopra…
Vorrei chiedere al sig Arag61 dove ha trovato le info ( bibbliografia ), sono molto interessato ad approfondire il discorso.
La dinamica di invecchiamento del dielettrico è talmente lenta che risulta difficile da misurare sperimentalmente. Ci possono essere, forse, dei modelli matematici che descrivono come varia la costante dielettrica relativa con il passare del tempo ma forse sarebbe anche di scarso interesse visto che i vari tipi di dielettrici sono garantiti nel valore e nella tolleranza per un certo lasso di tempo. Si arriva a parlare di decine di anni prima chel a costante dielettrica del condensatore più scadente possa variare di qualche punto percentuale il suo valore iniziale.
che hanno dopo un paio di anni già i condensatori di livellamento gonfi, non sto parlando di decenni.
Cosa sono i condensatori di livellamento?
Ma se i condensatori si gonfiano non è dovuto all’invecchiamento naturale. Significa che il condensatore, per due anni di seguito, è stato sottoposto a condizioni operative estreme, come la tensione al limite massimo. Oppure, il dielettrico adoperato (come negli elettrolitici) è di una qualità talmente bassa che ha un tempo di vita estremamente ridotto. La cosa strana è che per una scheda madre abbiano adottato condensatori di fscia bassa, però mi informerò e ti saprò dire. Attenzione,non sto affatto mettendo in dubbio la tua parola. Ti credo ovviamente, anzi ti rignrazio per avermi stimolato ad approfondire l’argomento! Non si finisce mai di imparare!! 😉
Sono condensatori posti all’ingresso di alimentazione dei circuiti elettronici per livellare la tensione e rendererla quanto più continua possibile. Questo perchè, tipicamente,la tesione continua che alimenta un circuito è ricavata livellando la tensione di rete oppure tramite alimentatore switching. La tensione che si ottiene da queste modalità di conversione non è prefettamente continua e può essere affetta da una sovrapposizione di “ripple” (oscillazione sulla tensione) residuo. I condensatori di livellamento fanno si che tale ripple residuo rientri in un determinato range di specifica.
Ti do ragione semplicemente perchè la qualità degli articoli sulle riviste attuali non è più quella di una volta…una volta l’elettronica delle riviste era molto più mirata verso i principianti proponendo schemi e lezioni di elettronica di base. Con l’avvento dei microcontrollori, sulle rivieste odierne non si fa altro che pubblicare progetti che si possono realizzare solo nell’hardware ma che non funzioneranno mai se non si possiede il firmware del microcontrollore. Però ti dico che ho notato in farelettronica un ritorno alle lezioni sui fondamenti di elettronica, quindi se c’è un articolo che può interessare anche quello fa per ampliare il proprio bagaglio culturale. Io avrei proposto anche EPE magazine se non fosse che è totalmente scritta in inglese, ma fidati che vale davvero la pena leggerla (ammesso di conoscere l’inglese…!!!). Io leggo i numeri che arrivano in abbonamento all’università e su ogniuno di essi si va dall’elettronica diciamo non sofisticatissima che ti fa capire come funzionano i circuiti, ai microcontrollori (soprattutto pic) alle proposte e alle domande dei lettori circa vari temi riguardanti l’elettronica, la programmazione e la tecnologia.
… acquistare una rivista scritta tutta in inglese ma se c’è in italiano perchè no ? E poi spero che con questo sito e con la comunity (non chi cerca spudoratamente un punto) di imparare qualcosa
Per chi volesse approfondire sui condensatori, sulla polarizzazione e sui test per capire ad esempio lo stato di deterioramento, propongo il seguente link: http://www.microst.it/tutorial/cond_elettro.htm
Ma stai parlando di alimentazione alternata dalla rete, o anche la classica 5V?
http://www.epemag3.com/
Ci do volentieri un’occhiata. Magari trovo qualche free sample sul web.
Proponevo la rivista inglese per la qualità degli articoli, a mio avviso n-volte più diretti di quelli che trovi sulle riviste italiane. Comunque se segui la community, di articoli e temi di elettronica su cui riflettere ne trovi ogni giorno e per tutti i gusti. Elettronica Open Source è a mio avviso il progetto meglio riuscito per quanto riguarda l’apprendimento dell’elettronica e la crescita con essa tremite gli scambi di idee. Se si mantiene saldo questo obbiettivo si riesce a crescere, se si divaga spudoratamente solo per prendere un punto in + (come giustamente hai eveidenziato tu) allora questo meccanismo serve davvero a ben poco e a nessuno.
La maggior parte dei dispositivi vengono alimentati dalla rete e quindi dopo la riduzione della tensione si ha bisogno del raddrizzamento di questa, qualsiasi sia il dispositivo alimentato. Ogni alimentatore ha un suo ripple detto anche residuo di AC che si tende a diminuire ancora successivamente con condensatori detti di livellamento, in modo tale da non creare interferenze sul circuito.
dovrebbero essere dei buoni condesatori, Low ESR e 105°, che non sono facilmente reperibili sul mercato (leggi rivenditori di medie/grandi città, probabile che non rispecchino le specifiche dichiarate visto che non sono di marche top nel settore della costruzione di condensatori.
Stammattina sono andato in edicola a prendere la rivista che mi è stata cnsigliata e non c’è l’aveva!Adesso provo ad andare in altre edicole!
ma non dice nulla sul decadimento nel suo funzionamento ‘normale’ ovvero entro le specifiche del prodotto.
Come ho già risposto in precedenza, il degrado della struttura capacitiva nel tempo non è facilmente misurabile, dati i tempi appunto lunghi. Per poter escludere ad esempio l’influenza della temperatura nella misura del degrado sarebbe necessario sottoporre il componente in un ambiente a temperatura altamente costante per un tempo che è dell’ordine degli anni…impossibile o troppo costoso!
Puoi già leggere il sommario degli argomenti trattati nei vari mesi direttamente dal sito delle riviste (su google cerca farelettronica e elettronicain)
mi spieghi che vuol dire questa tabella relativamente alla riga 12?
Per non saper leggere ne scrivere interpreto che tale condensatore varierà le sue caratteristiche al massimo fino al 1,5% nell’arco di 10 anni.
Concordo. Anch’io prima compravo riviste d’elettronica e non ci capiva mai granchè. Sicchè ho cominciato a leggere roba sui siti, su libri e a smanettare da me e piano piano ho capito come funzionano le cose. Per questo mi sento di sconsigliare l’acquisto di riviste di elettronica che si pagano caro (io per esempio spendevo 5 euro al mese) e che vendono i circuiti stampati integrati e roba varia per fare i loro progetti a prezzi esorbitanti (alcune cose arrivavano anche a 180- 200 euro). Meglio l’OpenSource.
W L’OPEN SOURCE
Ecco perchè alcuni l’ho trovati rigonfiati anch’io . . . E li ho trovati addirittura su vecchie schede madri. Spiegata la causa ad3ss0.
Interessante leggerò entrambe le riviste. Cosa ne pensate della rivista Nuova Elettronica, io l’ho abbandonata perchè cara, 5 euro a volume e proponeva progetti assurdi.
Tutorrial molto interessante ed utile a chiarire le idee. Se non ci hai già pensato, puoi pubblicare qualche cosa riguardo i condensatori integrati?
Appunto, la variazione dal valore iniziale di capacità è così lento e quasi impercettibile che è difficile darne una misurazione accurata. Questa è solo una stima, una media della variazione sul valore della capacità nel tempo perché certamente il coefficiente di invecchiamento è funzione della temperatura, dell’umidità e dei cicli di polarizzazione del componente, tutti parametri tempovarianti. La cosa che consola è che su un lasso di tempo così ampio la variazione, per questo tipo di capacità, è veramente irrisoria.
Sì non sarebbe male un tutorial anche per i condensatori integrati!
Può sempre servire
http://www.avxcorp.com/docs/catalogs/cx5r.pdf
Salve ragazzi vorrei una dritta con il capacimetro ho trovato un’elettrolitico con capacità nominale di 470 microF ma da capacimetro mi dà solo 418 microF è da considerarsi guasto? Grazie a tutti
Normale .. un la tolleranza degli elettrolitici del 10% o 20%
è abbastanza normale …
Ok io cmnq l’ho sostituito con uno di pari valore nominale ma da capacimetro mi dava 500 microF , in pratica vi spiego meglio il difetto così magari mi potete aiutare meglio.. In pratica il mio tv lcd philips stenta ad accendersi lo schermo mentre l’audio và bene parte subito, per fare accendere lo schermo devo fare numerose volte accendi e spegni il tv per poi riuscire a far partire lo schermo. Girando per i vari forum mi hanno detto di controllare gli elettrolitici dell’alimentatore e controllandoli tutti solo uno mi dava esito differente dai suoi valori.. Cambindolo il difetto si è attenuato moltissimo ma cmnq rimane 🙁