Condensatori – i guasti e gli effetti parassiti

Condensatori - i guasti e gli effetti parassiti

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

 

Tabella concessa da Tony van Roon

Tabella concessa da Tony van Roon

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.

Grafico Kemet
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.

condensatore

C è la capacità principale.
RL è la resistenza di isolamento, responsabile del parametro leakage.

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.

40 Comments

  1. Alex87ai 2 febbraio 2011
  2. giuskina 3 febbraio 2011
  3. giuskina 2 febbraio 2011
  4. Alex87ai 2 febbraio 2011
  5. linus 3 febbraio 2011
  6. Vittorio Crapella 14 novembre 2011
  7. stewe 2 febbraio 2011
  8. linus 2 febbraio 2011
  9. ubgen 2 febbraio 2011
  10. Fabrizio87 2 febbraio 2011
  11. linus 2 febbraio 2011
  12. Giuseppe.Faliero 2 febbraio 2014
  13. Alex87ai 3 febbraio 2011
  14. giuskina 2 febbraio 2011
  15. Cosimo Candita 2 febbraio 2011
  16. Cosimo Candita 2 febbraio 2011
  17. Cosimo Candita 2 febbraio 2011
  18. Vittorio Crapella 3 febbraio 2014
  19. Alex87ai 2 febbraio 2011
  20. Alex87ai 3 febbraio 2011
  21. Giuseppe.Faliero 3 febbraio 2014
  22. linus 2 febbraio 2011
  23. linus 3 febbraio 2011
  24. Wales8686 3 febbraio 2011
  25. Cosimo Candita 2 febbraio 2011
  26. Wales8686 3 febbraio 2011
  27. Wales8686 3 febbraio 2011
  28. Francesco12-92 3 febbraio 2011
  29. Alex87ai 2 febbraio 2011
  30. Alex87ai 3 febbraio 2011
  31. Alex87ai 2 febbraio 2011
  32. Alex87ai 2 febbraio 2011
  33. giuskina 2 febbraio 2011
  34. Alex87ai 2 febbraio 2011
  35. Cosimo Candita 2 febbraio 2011
  36. Cosimo Candita 2 febbraio 2011
  37. Alex87ai 2 febbraio 2011
  38. giuskina 4 febbraio 2011
  39. linus 3 febbraio 2011
  40. linus 3 febbraio 2011

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