UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA I CONDENSATORI IN

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA
Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali (DTG)
Corso di Laurea Triennale in Meccanica e Meccatronica
Curriculum Meccatronico
I CONDENSATORI IN AMBITO EMC
Relatore:
Ing. Alessandro Sona
Laureando:
Nicola Cazzador 591607-IMM
Anno accademico 2015/2016
Indice
1 Introduzione
4
2 La compatibilità elettromagnetica
6
2.1
L'importanza della EMC
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2
Interferenze e suscettibilità
6
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.3
Interferenze condotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.3.1
Disturbi di modo comune
8
2.3.2
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Disturbi di modo dierenziale . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.4
L'EMC e le discipline ad esso collegate . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.5
Come si può intervenire per risolvere i problemi di EMC . . . . .
10
2.6
2.5.1
Le interfacce elettriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.5.2
Le interfacce meccaniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.5.3
Schermi
2.5.4
I cavi e i connettori
2.5.5
Altri metodi di riduzione EMI
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
12
. . . . . . . . . . . . . . . .
14
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
Normative EMC e organi normatori
2.6.1
Le prove EMC
11
12
3 Il condensatore
17
3.1
Il condensatore ideale
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.2
Il condensatore reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
. . . . . . . . . . . . .
21
3.3
Tecnologie di costruzione dei condensatori . . . . . . . . . . . . .
23
3.2.1
3.3.1
Comportamento ad alte frequenze
Condensatori ceramici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
3.3.1.1
Condensatori ceramici multistrato (MLCC) . . .
24
3.3.1.2
Condensatori ceramici a singolo strato . . . . . .
26
3.3.2
Condensatori a lm
3.3.3
Condensatori elettrolitici
3.3.4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
28
3.3.3.1
Condensatori elettrolitici ad alluminio
. . . . .
28
3.3.3.2
Condensatori elettrolitici al tantalio
. . . . . . .
29
3.3.3.3
Condensatori elettrolitici al niobio . . . . . . . .
30
Supercondensatori
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
3.4
Il valore del mercato dei condensatori
. . . . . . . . . . . . . . .
31
3.5
Parametri di merito dei condensatori . . . . . . . . . . . . . . . .
32
1
2
INDICE
3.5.1
Capacità nominale (capacitance)
3.5.2
Tolleranza (tollerance)
. . . . . . . . . . . . . .
3.5.3
Tensione di lavoro (rated DC voltage)
3.5.4
Peak Impulse Voltage
3.5.5
Frequenza di lavoro
3.5.6
ESR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
3.5.7
ESL
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
3.5.8
Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
3.5.9
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
. . . . . . . . . . .
32
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
DA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.5.10 DF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.5.11 Tensione di isolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.5.12 Capacità di corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
3.5.13 Insulation Resistance
37
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.14 Temperatura di impiego . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
3.5.15 Invecchiamento (ageing) o MTBF . . . . . . . . . . . . . .
37
4 I ltri
39
4.1
Un comune ltro: l'RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
I ltri in ambito EMC
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1
Propagazione dei disturbi
4.2.2
Struttura fondamentale
4.2.2.1
Il ltro EMI
39
41
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.2.3
Soppressione singola o combinata . . . . . . . . . . . . . .
44
4.2.4
Filtri per linee di alimentazione e per linee di segnale . . .
44
4.2.5
Caratteristiche di attenuazione
45
4.2.6
Installazione ottimale
4.2.7
Corrente di dispersione
4.2.8
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
Condensatore in funzione di ltro . . . . . . . . . . . . . .
46
5 Il condensatore in ambito EMC
47
5.1
Utilizzo del condensatore in ambito EMC
5.2
Modalità di funzionamento dei condensatori EMC
5.3
32
. . . . . . . . . . . . .
47
. . . . . . . .
51
5.2.1
Condensatori di disaccoppiamento e di bypass . . . . . . .
52
5.2.2
Condensatori di Bulk
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
55
Le classi di soppressione X e Y
5.3.1
La classe X
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2
La classe Y
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3
Proprietà elettriche dei condensatori di classe X e Y
56
. . .
58
5.3.3.1
Autorigenerazione (autocicatrizzazione) . . . . .
58
5.3.3.2
Tensione nominale . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.3.3.3
Test di tensione
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.3.3.4
Resistenza all'eetto corona . . . . . . . . . . . .
59
3
INDICE
6 I condensatori EMC presenti sul mercato
6.1
6.2
Il mercato dei condensatori di classe X e classe Y . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
61
6.1.1
Polifenilsolfuro
6.1.2
Ceramici a strato singolo
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
6.1.3
Ceramici multistrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
6.1.4
Carta
6.1.5
Poliestere
6.1.6
Polipropilene
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
65
70
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
Il mercato dei condensatori elettrolitici . . . . . . . . . . . . . . .
77
6.2.1
Alluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
6.2.2
Tantalio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
7 Conclusioni
80
Capitolo 1
Introduzione
Il mondo è ormai totalmente dipendente dall'elettronica, infatti sembra assurdo
uscire di casa senza cellulare, oppure non avere a disposizione un tablet per
una veloce ricerca o una semplice lavatrice per pulire i panni.
Eppure, tutto
ciò, sarebbe impossibile senza alcuni accorgimenti riguardanti la compatibilità elettromagnetica (EMC). Risulta infatti abbastanza comprensibile come un
elevato numero di apparecchiature elettroniche, siano esse per uso domestico
oppure industriale, inuenzino inevitabilmente il proprio ambiente elettromagnetico, attraverso i disturbi che generano e che possono alterare o addirittura
inibire il funzionamento delle stesse. Da queste premesse nasce, di conseguenza,
l'esigenza pressante di porre massima attenzione nello studio dell'ambiente elettromagnetico, cercando di evitare che le apparecchiature subiscano interferenze
(suscettibilità) e allo stesso tempo ne emettano, poichè, tali disturbi potrebbero inuenzare le apparecchiature circostanti. In questa tesi si cerca quindi di
inquadrare le tematiche inerenti la compatibilità elettromagnetica, per orire i
prerequisiti al lettore per poter così capire la trattazione successiva.
Per eliminare i disturbi elettromagnetici descritti, esistono vari tipi di intervento, dai più innovativi come gli
spike killers, no ai più comuni ed usati come
i condensatori, oggetto di questo eleborato.
Il condensatore, protagonista di questa tesi, viene presentato, dapprima attraverso un ripasso delle nozioni base riguardanti il condensatore ideale, per poi
iniziare a studiarlo dal punto di vista reale e quindi tenendo conto di tutte quelle
non idealità.
Dopo questa iniziale presentazione del componente, si
espone una classicazione dei diversi tipi di condensatore, ltrata attraverso le
tecnologie di costruzione del dielettrico. Si arriva quindi alla presentazione dei
parametri di merito del condensatore, la cui conoscenza risulta fondamentale ai
ni della scelta del componente più opportuno.
Un capitolo viene poi dedicato ai ltri dal punto di vista del loro utilizzo,
nalizzato ad eliminare le interferenze. I condensatori stessi vengono utilizzati
con funzioni di ltraggio o sono utilizzati all'interno dei cosiddetti ltri EMI,
capaci di ltare i disturbi elettromagnetici.
4
CAPITOLO 1.
INTRODUZIONE
5
Gli ultimi due capitoli di questa tesi trattano l'argomento centrale dell'enunciato, ovvero, il condensatore in ambito EMC, sia dal punto di vista tecnologico
e sia dal punto di vista delle tipologie presenti sul mercato. Questi capitoli mettono ancor più in luce come non sia solo la capacità il parametro più importante
nella scelta del condensatore, ma evidenziano come i parametri, prima presentati, siano di primaria importanza nella scelta del componente adatto. Vengono
poi presentati i condensatori per la soppressione EMI nelle classi X e Y, che
risultano conformi alla normativa EN/IEC 60384-14:2005; questi componenti,
che spesso risultano sconosciuti se non agli addetti ai lavori, hanno peculiarità
interessanti come l'autocicatrizzaione.
Nell'ultimo capitolo, si è inne voluto
sondare il mercato dell'elettronica attuale, per presentare alcuni modelli di condesantori presenti sul mercato e cercando così di mettere in luce il confronto,
sia attraverso i parametri che li contraddistinguono e sia attraverso gli ambiti e
le caratteristiche di impiego.
Capitolo 2
La compatibilità
elettromagnetica
Le interferenze elettromagnetiche (Electromagnetic Interference EMI) sono fenomeni dovuti all'interazione fra apparecchiature elettriche che possono compromettere il corretto funzionamento delle stesse o di altre nelle vicinanze. Negli
ultimi anni l'industria elettronica di consumo, sia domestico che commerciale,
è sempre più attenta ai problemi causati dalle EMI. Se da un lato, i precursori
nello studio di questa materia sono stati gli ambienti militari, dall'altro, l'evolversi di normative via via più stringenti, ha imposto, anche in ambito civile, un
interesse crescente per il problema del EMC (Electomagnetic compatibility) nella progettazione. Con molta probabilità, nel futuro, si assisterà ad un crescente
interesse per questi fenomeni, non solo perché i componenti elettronici saranno
sempre più diusi sia nella vita di tutti i giorni che nei settori industriali, ma,
soprattutto, perché la tendenza a ridurre le dimensioni dei componenti e ad
incrementare le frequenze dei segnali accentua notevolmente questi problemi.
2.1 L'importanza della EMC
Si denisce subito la compatibilità elettromagnetica come la capacità di un sistema di funzionare bene all'interno del suo ambiente elettromagnetico, senza introdurre o subire interferenze che penalizzino in maniera notevole il funzionamento
proprio o di altri sistemi.
Per comprendere a pieno la denizione iniziale di EMC ed avere una visione
del problema, completa ed esauriente, bisogna spiegare cosa signica
funzionare bene, e ambiente elettromagnetico .
alcuni esempi:
sistema,
Per far questo vengono proposti
si prenda in considerazione un radar come sistema, si ritiene
che operare bene signichi l'acquisizione corretta di obbiettivi senza generare
per questo disturbi in altri apparati adiacenti. L'ambiente elettromagnetico del
radar sarà costituito da tutti i segnali elettromagnetici generati, anche accidentalmente, da tutti i sistemi che operano contemporaneamente al radar.
6
Il
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
7
secondo esempio considera l'uomo come sistema, e chiaramente operare bene,
in questo caso, signica non risentire a livello sico dell'ambiente elettromagnetico che lo circonda, costituito da tutti gli apparati elettrici nelle sue vicinanze.
In questo secondo esempio si coglie un concetto molto attuale e importante
del EMC, ossia l'ecologia, intesa come conseguenze sull'uomo dell'inquinamento
delle onde elettromagnetiche. Questi due esempi illustrano chiaramente come i
fenomeni e i problemi di EMC si manifestino in maniera complementare nei due
modi sopra descritti, ovvero in forma attiva, come interferenza oppure in forma
passiva, come suscettibilità o immunità.
I disturbi elettromagnetici possono causare diversi tipi di malfunzionamento,
spesso, non facilmente diagnosticabili. Tali disturbi hanno, per esempio, come
eetto il presentarsi di fruscii e crepitii in un ricevitore radio, di errori dati e
blocco del processore nei sistemi computerizzati, via via no alla perforazione
degli isolanti. Se da un lato, più meramente tecnico, non prestare attenzione in
fase di progetto al EMC si rispecchia in problemi di funzionamento del prodotto
stesso o di altri elementi elettrici circostanti, dall'altro, l'attenzione ai problemi di compatibilità è un esigenza più che mai pressante da un punto di vista
commerciale e di marketing. Infatti se i prodotti non soddisfano strettamente
le normative, non è possibile immetterli sul mercato di riferimento. Inoltre un
apparato elettronico che causi interferenze non previste risulterebbe un danno
di immagine pesante per l'azienda che lo ha prodotto. Pertanto ogni azienda che
produce apparati elettrici è bene si doti di un ingegnere, specializzato in EMC,
che si occupi di sovraintendere i possibili problemi di compatibilità elettromagnetica al ne di evitare che in ogni fase della progettazione l'apparato fuoriesca
dalle severe normative in vigore nel suo mercato di riferimento e dai vincoli di
progetto. Ovviamente portare a termine questa operazione sul prodotto nito
sarebbe molto più dicile, se non addirittura impossibile, per questo la fase
di progetto, n dalle prime fasi, è essenziale per il rispetto delle normative sul
elettromagnetismo.
Anche se già accennati, si riassumo qui di seguito i requisiti EMC fondamentali, previsti dalla normativa, anché un apparecchio sia rispondente.
Si
possono ridurre solamente a due:
ˆ
le perturbazioni elettromagnetiche, generate dall'apparecchio, devono essere limitate sotto un livello tale da impedire interferenze di funzionamento
all'apparecchio stesso e alle apparecchiature intorno
ˆ
gli apparecchi devono avere un'immunità intrinseca per non subire interferenze che ne penalizzino il funzionamento (suscettibilità)
Per permettere che questo avvenga le normative prescrivono determinate regole
da seguire.
2.2 Interferenze e suscettibilità
Si denisce
interferenza
qualsiasi emissione elettromagnetica, condotta o irra-
diata, generata dal funzionamento di apparati e sistemi, che può causare una
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
8
suscettibilità, o immunità, come la caratteristica che determina il malfunzionamento o una
modica di prestazioni di altri apparati o sistemi. Deniamo invece la
risposta indesiderata del sistema quando la sua struttura esterna, e sopratutto
i suoi cavi di collegamento, sono esposti a interferenze.
Come già detto negli esempi del paragrafo precedente, le condizioni di passività e di attività non sempre coesistono. Si immagini come ulteriore esempio
quello di un telefonino cellulare a bordo di un aereo, è ovvio che le interferenze
del telefono interagenti con i sistemi dell'aereo destano interesse e preoccupazione, il viceversa chiaramente no, e quindi la passività del cellulare non è da
considerarsi notevole a bordo di un aereo.
Le emissioni interferenti poi, possono essere divise in volute e non volute. Le
prime sono chiaramente legate al funzionamento del dispositivo stesso, il telefono
in chiamata per esempio, e quindi, non solo eliminabili senza compromettere la
funzionalità dell'apparato. Le emissioni non volute sono quelle indesiderate e
causate da un malfunzionamento dell'apparato o da un errore di progettazione
che porta emissioni in bande di frequenze al di fuori di quelle ammesse.
I motivi alla base della nascita di tali disturbi sono molteplici. I convertitori
di potenza in generale, emettono per loro natura radiodisturbi. Anche rapide
variazioni di corrente e tensione, ussi dispersi, eetti parassiti ed altre non
idealità possono essere all'origine di questi fenomeni. I campi elettromagnetici
che si originano in questi casi, si accoppiano ai dispositivi circostanti dando luogo
ai disturbi. Da sottilineare come per questi fenomeni, cavi di alimentazione e
piste di circuiti stampati diventano linee di trasmissione e/o antenne in grado
di condurre e/o irradiare il disturbo.
2.3 Interferenze condotte
Le normative sulla compatibilità elettromagnetica impongono di rispettare determinati limiti di emissione sia per via condotta che irradiata. Con emissioni
condotte si intendono i disturbi che si propagano sui cavi di alimentazione e di
interconnessione del dispositivo sotto forma di tensioni e correnti, mentre con
emissioni irradiate si intendo i disturbi che si propagano nell'aria sotto forma di
campi elettromagnetici.
Le correnti responsabili delle interferenze condotte non sono legate direttamente al trasferimento di potenza da e verso l'apparato, ma sono prodotte come
eetto collaterale del funzionamento di quest'ultimo. Secondo la norma EN
55014 si considerano di interesse le componenti armoniche da 150kHz a 30MHz,
modo comune e disturbi di modo
dierenziale, che richiedono tecniche di ltraggio diverse.
entro cui possono essere classicati i disturbi di
2.3.1 Disturbi di modo comune
I disturbi di
modo comune (CM - common mode) si propagano con la stessa fase
lungo i due conduttori verso terra.
Dal lato della rete, il disturbo può essere
immaginato come un impulso che si propaga in ugual modo sui due conduttori
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
9
generando una corrente verso terra (per esempio può essere questo il caso di un
fulmine che colpisce la rete). Invece, dal lato dispositivo, le possibili responsabili
dei disturbi di modo comune sono le oscillazioni della tensione a capo delle
capacità di ingresso, quelle date dai nodi che commutano, le capacità parassite
tra primario e secondario e quelle tra i dispositivi che commutano e i relativi
radiatori (specialmente se connessi a terra).
Generalmente i disturbi di modo comune coinvolgono la parte alta dello
spettro e sono molto dicili da stimare e simulare perché inuenzati da numerosi
parametri, tra cui il layout circuitale.
2.3.2 Disturbi di modo dierenziale
I disturbi di modo dierenziale (DM - dierential mode) si propagano con fasi
opposte lungo i conduttori di fase e neutro, in modo tale da richiudersi senza
interessare il conduttore di terra. Lato rete possono essere generati, ad esempio,
da carichi induttivi che si collegano e scollegano; le sovratensioni che si generano
sono infatti tra i due conduttori e danno luogo a disturbi di modo dierenziale.
Generalmente i disturbi di modo dierenziale coinvolgono la parte inferiore
dello spettro.
2.4 L'EMC e le discipline ad esso collegate
Il campo del EMC è molto vario e seppur dominati dagli stessi principi e
metodologie di misura, i campi in cui si può investigare assumono nomi diversi.
Ad esempio con il termine
tempest
si indica quella branchia del EMC usata
per la protezione dell'informazione, per evitare che possano essere captati dati in
maniera fraudolenta. Questa tecnica crea sistemi di difesa utilizzata dagli stati
per difendere i propri segreti e dalle multinazionali che temono lo spionaggio
industriale.
Si trova poi la disciplina del
electromagnetic pulse (EMP)
che si occupa
essenzialmente della protezione dagli eetti elettromagnetici di un'esplosione
nucleare.
L'EMP è generato da suddetta esplosione e genera un'onda elet-
tromagnetica di tipo transitorio con durata relativamente breve (qualche nano
secondo). Tuttavia i picchi di intensità di campo irradiato sono molto alti (no
a 100kV/m). In questo caso si è però in un campo prettamente militare.
Il
LEMP (Lightning ElectroMagnetic Pulse)
si occupa della protezione dagli
eetti elettromagnetici generati da fenomeni di fulminazione.
I transitori in
questo caso sono molto più lunghi del caso precedente del EMP, ovvero no
a 1000 volte maggiori.
Gli studi di LEMP si focalizzano sulla progettazione
di protezioni e sul individuazione di metodologie di prova per gli oggetti da
proteggere. Il campo che più richiede questa metodologia è quello aeronautico.
L'
ESD (ElectroStatic Discharge)
si occupa di tutte le problematiche riguar-
danti la generazione e la protezione da fenomeni di scarica elettrica. Gli sforzi si
concentrano sull'evitare che tali scariche si producano e danneggino gli apparati.
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
10
Questo settore ha una grande rilevanza nel campo dell'aeronautica aerospaziale,
ma cattura sempre più attenzione anche nell'elettronica di massa.
Inne merita di essere citato il campo dei
magnetics,
ovvero le discipline
EMC che si occupano dell'impiego di materiali magnetici per la rilevazione e
misurazione dei campi magnetici a bassissima frequenza, nonché per la protezione dai loro eetti. A basse frequenze, sono interessate a tali misurazioni le
linee ad alta tensione per il trasporto dell'energia; ad alte frequenze, tutti i
trasmettitori a radiofrequenza in istallazioni sse o mobili.
2.5 Come si può intervenire per risolvere i problemi di EMC
Dal momento che qualsiasi intervento che si può eettuare ha delle ricadute
sulle prestazioni dell'apparecchio, si è obbligati a intraprendere un approccio
di soluzione soprannominato metodo del compromesso. Cioè, per risolvere i
problemi di EMC evidenziati nel progetto in fase di studio, si deve eettuare
un bilancio tra i beneci e gli svantaggi per ogni operazione di intervento che
si andrà ad operare. In via generale, non bisogna utilizzare tecniche correttive
che rendano un sistema non operativo o parzialmente tale; i requisiti operativi
infatti non possono essere campo di trade-o. Invece i parametri tecnici e quelli
di costo sono le aree di maggior compromesso.
Le più comuni tecniche di intervento sono:
ˆ
interfacce elettriche (masse)
ˆ
interfacce meccaniche (bonding)
ˆ
schermi
ˆ
cavi e connettori
ˆ
ltri
L'oggetto di questa tesi sono senz'altro i condensatori, e quindi i ltri, tuttavia
ci si soerma brevemente, e non esaurientemente, anche sulle altre tipologie di
intervento.
2.5.1 Le interfacce elettriche
La scelta dell'interfaccia elettrica ha sempre rappresentato un argomento chiave
a causa delle numerose implicazioni di cui bisogna tener conto. La massa elettrica è l'interfaccia più importante, ma anche la meno conosciuta. La scelta della
massa riveste un ruolo centrale in quanto determina ingenti variazioni sia sui
costi che sui pesi; senza dimenticare che è determinante nella dislocazione dei
cavi e sull'installazione e dislocazione degli apparati all'interno del sistema. Una
scelta errata dello schema di massa o del suo controllo potrebbero inciare sia le
prestazioni EMC degli apparati sia le caratteristiche EMC dell'intero sistema.
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
11
Si possono identicare tre tipi di massa: la massa struttura, individuabile
sicamente all'interno del dispositivo; il ritorno dell'alimentazione che impropriamente viene chiamato massa di alimentazione; la massa di riferimento di
segnale, che rappresenta un riferimento equipotenziale per tutti i segnali all'interno del dispositivo, ore una via di ritorno per i circuiti di segnale e fornisce
una rete a bassa impedenza per il controllo delle capacità parassite. Quest'ultimo tipo di massa non ha tuttavia un riscontro sico nell'apparecchio, a dierenza
dei due precedenti. La scelta della congurazione di massa determina tutte le
interfacce di un dispositivo verso i circuiti esterni.
2.5.2 Le interfacce meccaniche
La mancata cautela nell'utilizzo delle interfacce meccaniche causa spesso buona parte dei problemi di EMC. Si indica con questo termine tutti i dispositivi
impiegati per ottenere una massa strutturale ideale, sopratutto per quanto riguarda i collegamenti fra gli apparati di un sitema.
In inglese il termine per
indicare le interfacce meccaniche è bonding, che signica appunto mezzo di
collegamento. Si distinguono due tipi di bond, diretto e indiretto. Per diretto
si intende un giunto permanente di collegamento fra parti metalliche realizzato
mediante saldatura, o chiodatura. Il bond indiretto, invece, si realizza usando
un collegamento fatto con bandelle metalliche ssate a entrambe le estremità
mediante tecniche di bond diretto. Quest'ultimo non rappresenta quasi mai un
collegamento permanente; e in molti casi è realizzato fra parti meccaniche in
movimento.
2.5.3 Schermi
Si denisca prima di tutto l'
ecienza di schermatura,
ovvero il rapporto fra
il campo elettrico o magnetico incidente, misurato quando lo schermo non è
presente, e il campo elettrico o magnetico trasmesso all'interno dello schermo,
quando esso è presente. L'ecacia di uno schermo è data da tre contributi: la
riessione all'interfaccia fra spazio libero e schermo, l'assorbimento dovuto al
passaggio dell'onda elettromagnetica attraverso la sua struttura e le riessioni
multiple al suo interno. La maggior parte del contributo è dato dalla prima causa
elencata.
Il disadattamento all'interfaccia è invece lo stesso meccanismo che
produce nei ltri il maggior contributo alla perdita di inserzione, un parametro
analogo all'ecienza di schermatura.
Lo studio degli schermi si può trattare rigorosamente attraverso la soluzione delle equazioni di Maxwell, valide solamente per corpi geometricamente
semplici. Oppure si può ricorrere alla teoria della propagazione di onde piane
attraverso strutture multistrato, o ancora allo studio di schermi sottili o inne
alle soluzioni di tipo numerico che hanno potenzialità grandissime nello studio
di sistemi complessi e realistici.
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
12
2.5.4 I cavi e i connettori
I cavi di collegamento che corrono tra i vari apparati e i loro relativi connettori, rappresentano la via principale attraverso cui si fanno strada le interferenze
elettromagnetiche, verso l'ambiente esterno e dall'ambiente esterno verso gli apparati. Molto spesso ci si trova di fronte ad apparecchiature progettate secondo
tutte le norme di EMC ma in cui non è stata prestata attenzione ai cablaggi,
da sempre argomento di incerta responsabilità; o meglio non è mai chiaro a chi
competa la scelta e la denizione del percorso dei collegamenti tra apparati.
Questo porta inevitabili problemi di suscettibilità o emissione non preventivati
nei progetti dei singoli apparati.
Si possono classicare i meccanismi con cui si manifestano le interferenze sui
cavi in tre categorie: emissione irradiata dai cavi che agiscono come antenne trasmittenti; suscettibilità irradiata dai cavi che agiscono come antenne riceventi;
accoppiamento elettrico e/o magnetico dei cavi. Inne il parametro che determina la bontà di un cavo schermato è l'impedenza superciale di trasferimento,
denita come il rapporto fra la tensione all'interno dello schermo e la corrente
che lo percorre all'esterno.
2.5.5 Altri metodi di riduzione EMI
Oltre a quelli citati, e al ltro che verrà trattato più avanti, esistono altri metodi
più avanzati di riduzione delle EMI. Esula da questa trattazione l'analisi di
questi ultimi, vale però la pena citarli brevemente:
Jitter di frequenza :
Questa tecnica può essere vista in modo analogo a
una modulazione di frequenza. Infatti i dispositivi switching con frequenza di
commutazione ssa, concentrano l'energia associata al disturbo in punti limitati
dello spettro che sono multipli di tale frequenza, rischiando così di eccedere i
limiti di emissione. L'impiego di tecniche di jittering consente di redistribuire
l'energia su una banda maggiore, riducendo così il picco associato alle varie
armoniche. L'energia in gioco, a dierenza di altre tecniche, rimane invariata
e viene distribuita riempiendo altre porzioni di spettro, ci si trova pertanto di
fronte a quello che in inglese viene chiamato cut peak to ll up valley. Inne
il jitter varia periodicamente la frequenza di switching intorno a quella centrale
di lavoro
Spike killers :
Si tratta di ferriti di materiale amorfo che lavorano in maniera
dierente rispetto ai normali ltri, che comunque agiscono cercando di eliminare
e ridurre il disturbo all'origine. La sorgente dei disturbi è data da rapide variazioni di tensione e corrente; i nuclei delle ferriti si occupano di eliminare questi
disturbi indipendentemente dalla frequenza.
Gli spike killers vengono quindi
ssati direttamente sui pin dei dispositivi. Si nota come dopo l'inserimento di
uno spike killer sull'anodo di un diodo si riesca quasi a eliminare completamente il fenomeno del ringing nel reverse recovery.
funzionamento è il seguente:
Il principio alla base del loro
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
13
1. Con il diodo acceso: il reoforo è percorso da corrente, ne consegue che
la ferrite è satura e quindi l'induttanza è nulla. Nella curva B-H la ferrite si trova nel tratto a pendenza zero (l'induttanza è proporzionale alla
pendenza della curva);
Figura 2.1: Curve BH tipiche per gli spike killers
2. Con il diodo spento: in questa fase la corrente inizia a diminuire no a
raggiungere lo zero. Finché l'induttanza dallo spike killer risulta nulla, la
pendenza presentata dalla corrente è ovviamente costante;
3. Il reverse recovery: appena la corrente attraversa lo zero, la ferrite amorfa
esce dalla saturazione facendo crescere rapidamente il valore di induttanza
e la corrente che cerca di scorrere inversamente si trova a calare la propria
derivata portando ad un soft recovery;
4. Dopo il reverse recovery : in questa fase la curva di magnetizzazione si
sposta parallelamente all'asse verticale come in gura sottostante;
Figura 2.2: Graci della forma d'onda di corrente nel diodo e della curva BH
5. All'accensione del diodo:
in questa fase la curva torna in saturazione,
l'accensione subisce un piccolo ritardo dovuto alla ferrite che deve saturare.
Dopodiché il processo torna a ripetersi.
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
14
[13]
2.6 Normative EMC e organi normatori
Per quanto riguarda il mercato europeo, le merci che vi circolano devono essere marchiate CE, e questo è possibile soddisfacendo ai requisiti delle direttive
2006/42/CE (relative alle macchine), 2006/95/CE (relativa al materiale elettrico destinato a essere adoperato entro taluni limiti di tensione) e 2004/108/CE
(relativa alla compatibilità elettromagnetica). Chiaramente la terza normativa
riguarda l'ambito che si sta prendendo in esame e descrive le caratteristiche di
emissione e suscettibilità degli apparati.
A livello internazionale esistono vari organismi normatori:
IEC
(International Electrotechnical Commission), suddiviso in vari comitati
tecnici:
ˆ
CISPR (Comité International Spécial des perturbations radioélectriques)
ˆ
TC 77 (valuta i disturbi elettromagnetici generici)
ISO
ˆ
(International Organization for Standardization), con norme:
ISO
a livello Europeo invece si trovano le norme:
CENELEC
(Comité Européen de Normalisation ELECtrotechnique), anch'es-
so suddiviso in comitati con norme siglate:
ˆ
EN (European Normation)
ˆ
ENV
ˆ
HD
a livello nazionale italiano inne ci sono le norme:
CEI
(Comitato Elettrotecnico Italiano), sempre suddiviso in comitati e con
norme:
ˆ
CEI 110
L'interpretazione delle normative ha subito, nel corso del loro sviluppo, una radicale distinzione nell'ambito EMC fra apparati e sistemi commerciali e la loro
controparte professionale. In ambito commerciale, le speciche EMC impongono
ai costruttori di rispettare i requisiti di tutela per l'ambiente elettromagnetico.
Si parla quindi di una prevenzione di tipo ecologico che però non si rispecchia
in un miglioramento delle prestazioni dell'apparecchio. La conseguenza di ciò
è una percezione da parte dei costruttori come di un aggravio dei costi senza
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
15
un riscontro pratico immediato. Nel settore professionale, invece, le speciche
EMC prescrivono di salvaguardare la corretta convivenza di dispositivi operanti
nello stesso ambiente, denominato genericamente sistema. Rispetto al settore
commerciale, in questo caso il costruttore ha un ritorno immediato con la creazione di sistemi compatibili. Tutto questo vale per diversi ambienti di impiego;
vi sono tuttavia normative a carattere specico che vanno a regolamentare i singoli prodotti o famiglie di prodotti con disposizioni costruttive che specicano
caratteristiche, metodi e livelli di prove accettabili. Queste ultime normative,
laddove esistenti, si intende prevalgano sulle normative generali.
Poiché la tecnologia che si va via via sviluppandosi è sempre più orientata verso l'integrazione di diversi apparati, l'aspetto professionale-sistemistico
prenderà sempre più importanza.
2.6.1 Le prove EMC
Le norme, viste qui sopra, delimitano i vari campi del EMC e perseguono, come
obbiettivo fondamentale, la protezione della trasmissione e della ricezione delle
onde radioelettriche. Nessuna di queste è di per se negativa, in quanto può essere
parte integrante del funzionamento del dispositivo. Per esempio è normale una
trasmissione di onde elettromagnetiche per un cellulare, in quanto implicito nel
suo funzionamento in trasmissione. Tuttavia non è normale che un aspirapolvere
trasmetta onde elettromagnetiche tali da disturbare un televisore posto nelle
vicinanze.
Quindi, le normative a carattere generale si occupano infatti di stabilire quali siano i limiti essenziali da mantenere in un determinato ambiente e quelli da
mantenere in un determinato tipo di prova. Per prevenire le interferenze reali,
è utile inquadrare i fenomeni elettromagnetici in quattro classi: emissioni radiate, emissioni condotte, suscettività radiata, suscettività condotta. Per quanto
riguarda la parte condotta, è quella tipica dei disturbi che si propagano lungo
la linea; quella radiata invece, sono disturbi che si propagano nell'area secondo campi magnetici.
Entrambe possono contribuire a problematiche relative
all'ambito EMC.
Le prove di EMC sono il mezzo con il quale si testano i progetti dal punto di
vista dell'EMC secondo le due interpretazioni viste nel paragrafo precedente, ovvero secondo la loro compatibilità ecologico-ambientale e sistemica. In entrambi
i casi la strumentazione rimane la stessa, variano solo i limiti imposti dai due
diversi campi di interesse. Queste prove hanno bisogno di attrezzature e laboratori adatti, molto costosi e dicili da predisporre secondo le normative. Basti
pensare che, la normativa parla di ambienti puliti dal punto di vista elettromagnetico, cosa che già di per se, oggi, appare quasi impossibile in un sito all'aperto
visto il sempre più crescente inquinamento elettromagnetico. Per questo si deve
ricorrere ai pochi laboratori a norma, che tuttavia stanno aumentando il loro
numero e la loro distribuzione sul pianeta, rispondendo alla sempre maggior
importanza che viene attribuita al campo della EMC nella progettazione.
Le prove EMC si suddividono in: prove di emissione condotta, prove di emissione irradiata, prove di suscettibilità condotta, prove di suscettibilità irradiata.
CAPITOLO 2.
LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
16
Le prove di emissione condotta riguardano la misurazione dei disturbi prodotti dall'apparato in prova (EUT, Equipement Under Test) sui suoi cavi di
alimentazione, di segnale e di antenna; le prove di emissione irradiata riguardano la misurazione dei disturbi irradiati dall'EUT stesso e dai suoi cavi di segnale
e di alimentazione. Le prove di suscettibilità (o immunità) condotta hanno, invece, lo scopo di vericare che taluni tipi di disturbi, iniettati intenzionalmente sui
cavi di segnale e di alimentazione, non producano malfunzionamenti dell'EUT.
Analogamente nelle prove di sucettibilità irradiata, l'EUT non deve manifestare
comportamenti anomali quando è sottoposto a campi elettromagnetici continui
e impulsivi.
Le prove, come già accennato, devono essere eseguite in laboratori muniti di
particolari camere schermate, dette anche anecoiche, con dimensioni compatibili
con gli oggetti che si vogliano provare.
I materiali utilizzati per rivestire le
camere e che diminuiscono fortemente le riessioni, migliorando i risultati sono
detti appunto anecoici. Nelle prove di emissione irradiata, è previsto che il piano
del pavimento sia perfettamente riettente: in questo caso si parla di camera
semianecoica. Per le prove di immunità irradiata, invece, la camera dev'essere
completamente anecoica, in modo da garantire l'uniformità di campo nella zona
di prova.
Capitolo 3
Il condensatore
Dal punto di vista sico, il condensatore è un componente passivo che immagazzina energia separando delle cariche per mezzo di un opportuna polarizzazione
del campo elettrico.
chiamate anche
Il condensatore più rudimentale consiste in due piastre,
piatti,
sostituite da un materiale conduttivo separate da un
materiale isolante chiamato
dielettrico.
Il dielettrico stesso fa in modo che il
condensatore si comporti come un circuito aperto per la corrente continua che
vi scorre attraverso.
In questo capitolo si presenta brevemente il condensatore ideale, per poi
concentrarsi sulla sua controparte reale analizzandone le tecnologie e i parametri
che lo contraddistinguono, che saranno poi elemento di confronto.
3.1 Il condensatore ideale
In un condensatore ideale la separazione di cariche, tipicamente elettroni, è imposta dalla polarizzazione del dielettrico ed è proporzionale alla tensione esterna,
cioè al campo elettrico applicato:
Q = CV
(3.1)
dove C è la capacità dell'elemento, ossia la misura della quantità di carica elettrica accumulata nel dispositivo. L'unità di misura della capacità è il Coulomb
diviso per Volt ed è chiamato Farad (F). La capacità nei condensatori a piastre
è funzione della dimensioni delle piastre, del materiale di costruzione di queste
ultime, delle proprietà del materiale costituente il dielettrico posto tra le piastre e inne la distanza di separazione tra le piastre (cioè spessore dielettrico).
La formula della capacità dei condensatori a piastre, che rappresentano la più
ampia fetta dei condensatori industriali convenzionali, è:
C=
dove
ε
εA
d
(3.2)
è la costante di permittività del dielettrico, A è la supercie delle piastre
e d la distanza delle stesse. La capacità risulta quindi massima nei dispositivi
17
CAPITOLO 3.
18
IL CONDENSATORE
realizzati con materiali ad elevata permittività, ampio piatto e piccola distanza
tra le piastre.
La prima equazione riportata nel tempo da luogo a:
q(t) = Cv(t)
(3.3)
che rappresenta il mutare della carica immagazzinata nel condensatore stesso,
al cambiare della tensione tra le facce del condensatore. La variazione di carica
nel tempo corrisponde a una variazione di corrente:
i(t) =
dq(t)
dt
(3.4)
ossia la corrente elettrica corrisponde alla variazione di carica nel tempo. Differenziando la (2) otteniamo una relazione tra corrente e tensione valida per il
condensatore:
i(t) = C
dv(t)
dt
(3.5)
si ottiene così la relazione iv per il condensatore.
Ricordando che l'energia è l'integrale della potenza e che la potenza istantanea è data dal prodotto di tensione e corrente:
Wc =
1 2
Cv (t)
2 c
(3.6)
Si trova così una formula che denisce il quantitativo di energia accumulato in
un condensatore come da denizione iniziale.
Vedendo il condensatore dal punto di vista delle impedenze si può denirlo
come
Ẑ(p) = 1/pC
e sostituendo
Ẑ(jω) =
p = jω
si ottiene:
1
1
1
= −j
=
∠ − 90°
jωC
ωC
ωC
(3.7)
L'equazione mostra come il modulo dell'impedenza decresca linearmente con la
frequenza (ovvero essa decresce 20 dB per decade) e la fase rimane costante a
90°.
3.2 Il condensatore reale
I condensatori reali presentano un comportamento molto diverso rispetto a quello ideale precedentemente descritto.
Per esempio i reofori, cioè i terminali di
collegamento, hanno una piccola resistenza e una piccola induttanza intrinseche,
nel fatto che sono di metallo e sono attraversati da corrente, creando così un
campo magnetico. Inoltre anche il dielettrico presenta dei comportamenti non
ideali, nella fattispecie non è mai un isolante perfetto ma è invece attraversato
da una piccola corrente. Per questo è utile introdurre un modello teorico che
approssimi il comportamento di un condensatore reale:
CAPITOLO 3.
IL CONDENSATORE
19
Figura 3.1: Modello circuitale del condensatore reale
ˆ
L è l'induttanza dei reofori (idealmente nulla)
ˆ
RS è la resistenza dei reofori (idealmente nulla)
ˆ
RP è la resistenza del dielettrico tra le due armature (idealmente innita)
ˆ
C è la capacità del condensatore (l'unico elemento considerato nello schema ideale)
Si sottolinea che RP, RS e L non sono elementi voluti dal costruttore ma
solo elementi parassiti, che nascono dalle impossibilità tecniche di costruire
condensatori perfetti.
Per descriverne il comportamento bisogna tracciare il diagramma vettoriale
dell'impedenza vista ai morsetti, utilizzando i metodi di calcolo simbolico:
Figura 3.2: Diagramma vettoriale dell'impedenza
ˆ
L'impedenza di un condensatore ideale è un vettore verticale verso il basso,
cioè con la sola parte immaginaria negativa. In gura è indicato con Xc
ˆ
L'impedenza della resistenza RS è il vettore orizzontale indicato in gura
con ESR (Resistenza Equivalente Serie)
ˆ
In prima approssimazione possiamo ignorare sia RP che L
ˆ
L'impedenza Z del condensatore reale è la somma vettoriale di Xc e ESR
CAPITOLO 3.
20
IL CONDENSATORE
In un condensatore perfetto, Z e Xc devono coincidere tra di loro e con l'asse
verticale: quindi ESR deve essere nulla.
In realtà ESR vale da pochi ohm a
pochi milliohm, a seconda della tecnologia del condensatore.
Per esprimere quanto il comportamento di un condensatore reale si allontana
da quello ideale è possibile utilizzare tre valori numerici, facilmente ricavabili
l'uno dall'altro:
ˆ
Il valore dell'angolo
δ, idealmente nullo.
Si noti che tale angolo non è quello
normalmente usato per indicare la fase (tra asse orizzontale e fasore) ed è
sempre positivo (il vettore Z è sempre nel IV quadrante).
ˆ
Il valore della ESR, in
ˆ
Il fattore di dissipazione DF, numero puro; è il metodo preferito dai
Ω.
Idealmente sarebbe nullo.
costruttori. Idealmente è nullo.
DF =
ESR
Xc
(3.8)
Il termine dissipazione è usato perché un condensatore ideale non disperde potenza ma la accumula e la rilascia nel tempo.
La presenza della resistenza
parassita RS nel circuito equivalente mostrato, invece, causa una dissipazione
di potenza e quindi un riscaldamento del componente.
Occorre notare che tutti questi parametri dipendono fortemente dalla temperatura e dalla frequenza e tensione del segnale applicato. I tre seguenti graci,
inne, esemplicano come il fattore di dissipazione DF e capacità C, variano in
funzione di queste tre grandezze:
Figura 3.3: Graco che evidenzia DF e C in funzione della frequenza
CAPITOLO 3.
IL CONDENSATORE
21
Figura 3.4: Graco che evidenzia DF e C in funzione della temperatura
Figura 3.5: Graco che evidenzia DF e C in funzione della tensione applicata
(continua o alternata)
3.2.1 Comportamento ad alte frequenze
La sola ESR descrive il comportamento del condensatore solo nel caso che la
frequenza non sia troppo elevata, ossia quando l'impedenza dell'induttore L del
circuito è minore rispetto a quella del condensatore. A titolo esemplicativo si
riporta il graco di un condensatore che lavora a frequenze medio-basse:
CAPITOLO 3.
IL CONDENSATORE
22
Figura 3.6: Graco dell'impedenza in funzione della frequenza
Prendendo in considerazione tre zone distinti si vede che:
ˆ
Fino a 200 kHz il condensatore approssima il suo comportamento ideale:
l'impedenza diminuisce all'aumentare della frequenza (una retta perché la
scala è logaritmica)
ˆ
Da 200 kHz il graco si discosta dall'andamento lineare e a 700 kHz l'impedenza raggiunge il suo minimo: è la frequenza di risonanza del circuito
RLC. In questo caso il condensatore che si comporta come una resistenza.
ˆ
Oltre i 2 Mhz il condensatore si comporta come un induttore: l'impedenza aumenta con l'aumento della frequenza (linearmente perché in scala
logaritmica)
In linea generale è assodato che tra condensatori simili, a parità di condizioni, quelli più piccoli si comportano meglio di quelli più grandi, per quanto riguarda la frequenza di risonanza. Tuttavia molto dipende dalla tecnologia con
cui sono costruiti, la tabella qui sotto confronta i parametri per due tipologie
di condensatore che vedremo in seguito, ovvero gli elettrolitici al tantalio e i
ceramici.
Figura 3.7: La tabella riporta i valori di resistenza e induttanza al variare della
frequenza in diverse tipologie di condensatore
CAPITOLO 3.
23
IL CONDENSATORE
3.3 Tecnologie di costruzione dei condensatori
Il mercato dei condensatori è ricco di prodotti che vanno incontro alle esigenze
più disparate. Se da un lato spesso si può avere bisogno solo di un condensatore
che costi poco e sia adabile, altre volte si avrà bisogno di un condensatore più
anato nei parametri e nelle caratteristiche. Per fortuna le tecnologie sviluppate
permettono di accedere a una vasta gamma di condensatori.
I condensatori possono essere divisi in due macro categorie:
ˆ
condensatori ssi, ovvero quelli che hanno valori di capacità costanti
ˆ
condensatori variabili,
che permettono di ottenere valori di capacità va-
riabili (trimmer)
Vediamo ora in gura un riassunto dei tipi più comuni di condensatore, la
maggior parte dei quali ottiene il proprio nome dal dielettrico utilizzato.
Figura 3.8: Tabella riportante la classicazione delle tipologie più importanti di
condensatori
3.3.1 Condensatori ceramici
Si parte da questa tipologia perché è quella che riveste la maggior quota di
mercato: infatti circa l'80% dei condensatori utilizzati sono ceramici.
Questi
condensatori sono di tipo sso e non polarizzati. Il dielettrico è composto da
materiali ceramici, come dice il nome, composti da una miscela granulare nemente macinata di materiali ferroelettrici, o paraelettrici, modicati da ossidi
CAPITOLO 3.
24
IL CONDENSATORE
misti, necessari per la realizzazione delle caratteristiche desiderate.
Possono
essere costituiti da uno o più strati ceramici.
La grande plasticità della ceramica riveste una grande importanza nell'enorme versatilità di questi condensatori; ciò si riette, ad esempio, nelle innumerevoli applicazioni speciali in cui sono impiegati e che ne fanno, come detto, la
tipologia di condensatore più diusa. Un esempio di applicazione speciale, che
tornerà utile nel proseguo, sono i condensatori ceramici usati per la soppressione
dei disturbi EMI/RFI, noti anche come condensatori di sicurezza di classe X e
Y.
3.3.1.1 Condensatori ceramici multistrato (MLCC)
La struttura dei ceramici multistrato è molto semplice, infatti consta di un
wafer con strati alternati di conduttore e ceramica.
Questa congurazione
aumenta la capacità e riduce tutte le perdite e le induttanze parassite.
I MLCC possono essere suddivisi in tre classi, a seconda del tipo di ceramica
utilizzata e delle caratteristiche elettriche.
Classe 1
ˆ
Questa classe è caratterizzata da:
ottima stabilità della capacità, sia per quanto riguarda le temperature che
le tensioni di esercizio
ˆ
basso fattore di dissipazione anche ad elevate frequenze (dell'ordine del
0,1%)
ˆ
un coeciente di temperatura (positivo o negativo) lineare
ˆ
alta resistenza di isolamento, possibilità di funzionamento anche a tensioni
relativamente elevate
ˆ
tolleranza indicativamente del 5% o migliore
ˆ
capacità no a 10 nF
ˆ
costo ridotto e ampia reperibilità sul mercato
Sono quindi richiesti dove è necessaria precisione e stabilità (ltri e oscillatori),
anche a frequenze elevate. Le abbreviazioni dei codici EIA / IEC più comuni
sono: C0G / NP0, P2G / N150, R2G / N220, U2J / N750 etc. [9]
CAPITOLO 3.
IL CONDENSATORE
25
Figura 3.9: Condensatore ceramico multistrato, AVX serie 0603 MLCC
Classe 2
Questa classe è caratterizzata da:
ˆ
capacità elevata rispetto alle dimensioni
ˆ
il legame tra capacità e temperatura non è lineare
ˆ
tolleranza dell'ordine del 10%
ˆ
capacità no a 10
ˆ
un fattore di dissipazione dell'ordine del 2,5%
ˆ
costo molto basso e ampia disponibilità sul mercato
µF
e oltre
Questi condensatori vengono utilizzati quando occorrono alte capacità in piccoli volumi, ammesso che siano tollerabili riduzioni di stabilità e precisione.
Tipicamente sono condensatori di disaccoppiamento delle alimentazioni, oppure vengono impiegati per la riduzione dei disturbi a radiofrequenze e per la
sicurezza.
Le abbreviazioni dei codici EIA / IEC più comuni sono: X7R / 2xi, Z5U /
E26, Y5V / 2F4, X7 / 2C1, etc. [9]
Figura 3.10: Condensatore ceramico multistrato, AVX serie MD
Classe 3
I condensatori appartenenti a questa classe presentano caratteristi-
che analoghe alla precedente, in aggiunta:
CAPITOLO 3.
IL CONDENSATORE
26
ˆ
un ulteriore incremento della capacità a parità di dimensione
ˆ
una tolleranza del 20% o più, spesso assimmetrica (per esempio 20% /
+ 80%)
ˆ
un fattore di dissipazione del 5%
I casi di utilizzo coprono quelli visti per la classe 2 con caratteristiche più
anate. [9]
Figura 3.11: Condensatore ceramico multistrato, Kemet serie C0402C
3.3.1.2 Condensatori ceramici a singolo strato
Questo tipo di condensatore rispecchia più chiaramente la struttura del condensatore ideale, infatti consiste in due superci conduttive separate da un solo
dielettrico ceramico. Questa struttura permette di elevare la massima tensione
nominale (migliaia di volt) ma con una conseguente riduzione della capacità.
Sono suddivisi in classe 1 e classe 2, in modo analogo a quanto visto per i
MLCC, anche se come detto con capacità inferiori. [9]
Figura 3.12: Condensatore a singolo strato in ceramica, KEMET serie 900
3.3.2 Condensatori a lm
Questi condensatori, ssi e non polarizzati, utilizzano un lm in un polimero
(poliestere (PET), polipropilene (PP), polifenilsolfuro (PPS), polietilene naftalato (PEN), teon (PTFE), mylar, carta, ecc.) come dielettrico. Questo isolante
viene ricoperto tramite vaporizzazione, su entrambe le facce, con una supercie
in alluminio o zinco. Inne questo wafer viene arrotolato e sigillato.
CAPITOLO 3.
27
IL CONDENSATORE
I condensatori a lm metallizzato orono proprietà di auto-guarigione: cioè
le perforazioni del dielettrico o cortocircuiti tra gli elettrodi non distruggono il
componente.
Le caratteristiche principali di questi condensatori sono:
ˆ
prezzo relativamente ridotto in rapporto alle caratteristiche elettriche
ˆ
buone caratteristiche elettriche
ˆ
capacità compresa tra 1 pF e 100
ˆ
dimensioni siche spesso elevate
ˆ
sensibilità ad umidità e solventi
ˆ
possibilità di funzionamento a tensioni elevate
ˆ
bassi ESR e ESL a causa dei brevi percorsi di corrente dovuti alla morfo-
µF
logia di questo condensatore
Anche in questo caso esistono condensatori a lm usati come condensatori per
applicazioni speciali, compresi quelli per il collegamento alla rete di alimentazione utili per la soppressione EMI/RFI.
In conclusione è da evidenziare la reperibilità di altri condensatori più di
nicchia, utilizzati in ambiti specici, per cui è dicile denirne le caratteristiche.
Essi sono per esempio, i condensatori che sfruttano come dielettrici: vetro, mica,
aria. Risultano tutti spesso molto costosi e poco reperibili. [9]
1)
2)
3)
Figura 3.13: 1) Condensatore a lm in poliestere, Epcos serie B3293 2) Condensatore a lm in polipropilene, Kemet serie R463 3) Condensatore a lm in
sulde di polifenile, Panasonic serie ECHU
CAPITOLO 3.
28
IL CONDENSATORE
5)
4)
Figura 3.14:
4) Condensatore a lm in carta,
Kemet serie PME271E 5)
Condensatore a mica, Cornell-Dubilier serie CD15
3.3.3 Condensatori elettrolitici
I condensatori elettrolitici posseggono un dielettrico costituito da una soluzione
elettrolitica gelatinosa che, se sottoposta a polarizzazione, produce uno strato
di ossido isolante talmente sottile da consentire valori di capacità molto elevati.
A dierenza dei precedenti condensatori ceramici o a lm, i condensatori elettrolitici sono polarizzati, cioè caratterizzati da un polo positivo e uno negativo,
e possono essere usati solo in circuiti dove la componente continua sia di molto
superiore a quella alternata, in quanto è proprio la tensione a permettere la
formazione dello strato dielettrico.
Sono inoltre contraddistinti da un'elevata
capacità per unità di volume; quest'ultima caratteristica li rende componenti
importanti nelle applicazioni con alte correnti in gioco e nei circuiti a basse
frequenze, come ad esempio nei ltri di alimentazione con funzioni di disaccoppiamento, come condensatori di accoppiamento in amplicatori audio, per
bypassare i segnali a bassa frequenza e per la memorizzazione di grandi quantità
di energia. Quando sono di grossa capacità per le loro caratteristiche costruttive, presentano un induttanza parassita serie relativamente alta, quindi è buona
norma aancarli a dei condensatori più piccoli e quindi più veloci (posti in
parallelo).
Si può quindi dividere ulteriormente questa categoria in tre classi in base al
loro dielettrico:
ˆ
Condensatori elettrolitici in alluminio
ˆ
Condensatori elettrolitici al tantalio
ˆ
Condensatori elettrolitici al niobio
[9]
3.3.3.1 Condensatori elettrolitici ad alluminio
Questi condensatori utilizzano come dielettrico l'ossido di alluminio ottenuto
in fase di costruzione con un passaggio elettrolitico.
Il vantaggio di questa
tecnologia risiede nell'ottenere un dielettrico sottile e quindi di elevate capacità.
Questi condensatori sono caratterizzati da:
CAPITOLO 3.
29
IL CONDENSATORE
Figura 3.15: Condensatore elettrolitico ad allumineo, Kemet serie ALS30/31
ˆ
alta capacità relativamente ai piccoli volumi, (per esempio da 1
µF
µF a 10000
e più)
ˆ
costo ridotto in rapporto alla capacità
ˆ
cattive caratteristiche elettriche: presentano valori elevati di ESR e ESL
e quindi elevate correnti parassite.
ˆ
Frequenze di risonanza piuttosto basse (per esempio di pochi kHz)
ˆ
questi condensatori presentano polarizzazione
ˆ
hanno vita piuttosto breve, sopratutto se non utilizzati
ˆ
intervallo di temperatura di utilizzo molto ristretto (per esempio per modelli ordinari 85 °C con qualche eccezione no ai 105 °C, ma mai sopra i
150°C)
Spesso quelli di alta gamma vengono impiegati come computer grade ossia per
l'alimentazione dei computer. [9]
3.3.3.2 Condensatori elettrolitici al tantalio
Questi condensatori condividono la stessa struttura di quelli visti precedentemente, utilizzano però come dielettrico il pentossido di tantalio. Le capacità per
unità di volume, rispetto ai condensatori elettrolitici ad alluminio, aumentano;
per merito dei microscopici ripiegamenti delle armature che si traducono in un
aumento della supercie. La permittività del pentossido di tantalio è di circa tre
volte superiore a quella di ossido di alluminio e ne determina beneci in fatto
di dimensione del componente. Le caratteristiche salienti per questa categoria
saranno intermedie tra i condensatori elettrolitici ad alluminio e i ceramici:
ˆ
capacità elevate in piccoli volumi
ˆ
buone caratteristiche elettriche (ESR in particolare)
ˆ
durata relativamente elevata, anche per temperature molto alte
ˆ
possibilità di esplosione al superamento della tensione operativa o a causa
di invesione di polarità
ˆ
è polarizzato
CAPITOLO 3.
IL CONDENSATORE
30
[9]
1)
2)
Figura 3.16:
1) Condensatore elettrolitico al tantalio, Kemet serie T356 2)
Condensatore elettrolitico al tantalio, Kemet serie T494
3.3.3.3 Condensatori elettrolitici al niobio
Il mercato richiede oggi condensatori elettrolitici sempre più piccoli e con valori
CV (corrente di fuga) sempre più elevati; ed è quindi necessario orientarsi verso
nuovi materiali di base, come il niobio. Le proprietà chimiche del niobio sono
simili a quelle del tantalio, in quanto entrambi gli elementi fanno parte dello
stesso gruppo nel sistema periodico degli elementi. Tuttavia il vantaggio maggiore del pentossido di niobio, rispetto a quello di tantalio, sta nel fatto che la
costante dielettrica è molto più elevata.
Figura 3.17: Condensatore al niobio, AVX serie NOS
3.3.4 Supercondensatori
I supercondensatori sono dei condensatori elettrochimici polarizzati e possono
essere considerati come uno sviluppo tecnologico dei condensatori elettrolitici.
Essi non dispongono di un dielettrico allo stato solido che separa la carica.
La caratteristica principale di questi condensatori è quella di accumulare una
quantità di carica elettrica eccezionalmente grande, rispetto ai condensatori
tradizionali. Tale carica è determinata da due diverse capacità, alle quali sono
associati due diversi principi di immagazzinamento della carica:
1.
Capacità a doppio strato
(EDLC, Electrostatic Double Layer Capacitan-
ce): l'immagazzinamento è di tipo elettrostatico ed è realizzato attraverso
la separazione di carica in un doppio strato di Helmholtz, in un interfaccia
compresa tra la supercie di un conduttore ed una soluzione elettrolita.
CAPITOLO 3.
2.
IL CONDENSATORE
Pseudocapacità :
31
l'immagazzinamento è di tipo elettrochimico, dovuto al
trasferimento di carica di tipo Faradico che avviene tra l'elettrodo e l'elettrolita, il quale è dovuto alle reazioni chimiche che avvengono nell'elettrodo. Queste reazioni sono principalmente reazioni di ossidoriduzione,
chiamate anche reazioni redox, e assorbimento di ioni dall'elettrolita.
I condensatori classici possono arrivare a valori di capacità dell'ordine dei mF,
mentre i supercondensatori possono arrivare oltre i 5000 F. I supercondensatori sono prevalentemente utilizzati come accumulatori di energia elettrica; ma
rispetto agli accumulatori chimici presentano il vantaggio di poter essere caricati o scaricati quasi istantaneamente, garantendo così un'elevatissima potenza
specica.
Inoltre hanno un numero di cicli di carica/scarica molto più eleva-
to rispetto agli accumulatori tradizionali. Lo svantaggio più rilevante, sempre
rispetto agli accumulatori chimici, è la bassa energia immagazzinata.
Figura 3.18: Supercondensatore (3000F), Kemet serie S301
3.4 Il valore del mercato dei condensatori
A livello globale il valore del mercato dei condensatori è stimato in 18 miliardi
di dollari nel 2008, a fronte di 1400 miliardi di pezzi. Di seguito sono elencate,
in modo dettagliato, le stime del valore e del mercato delle principali famiglie
di condensatori:
ˆ
Condensatori ceramici - 8,3 miliardi di dollari, cioè il 46% del mercato
totale
ˆ
Condensatori elettrolitici - 3.9 miliardi di dollari, cioè il 22% del mercato
totale
ˆ
Condensatori a lm e condensatori in carta - 2.6 miliardi di dollari, cioè
il 15% del mercato totale
ˆ
Condesnatori elettrolitici - 2.2 miliardi di dollari, ovvero il 12% del mercato
totale
ˆ
Supercondensatori - 0.3 milioni di dollari, ovvero il 2% del mercato totale
ˆ
Altri (mica, vuoto, ecc.) - 0.7 milioni di dollari, ovvero il 3% del mercato
totale
CAPITOLO 3.
32
IL CONDENSATORE
3.5 Parametri di merito dei condensatori
Un ingegnere si trova spesso di fronte alla necessità di scegliere il condensatore opportuno per l'applicazione di cui si sta occupando; e per fare questo,
deve destreggiarsi tra le diverse tipologie e congurazioni oerte dal mercato.
Va da sé che per operare questa scelta, non basta considerare il condensatore
semplicemente come un componente ideale; ma si deve tener presente delle sue
componenti reali. Per far si devono quindi analizzare i parametri che contraddistinguono i diversi condensatori e che quindi orono le scriminanti fondamentali
nella scelta del giusto componente. Tali parametri saranno di seguito analizzati
e approfonditi.
3.5.1 Capacità nominale (capacitance)
Il costruttore è tenuto a indicare in quali condizioni ha eettuato le misurazioni
(quali frequenze, temperature, tensioni. . . ) che verranno indicate con la dicitura
nominale.
I valori disponibili in commercio vanno da frazioni di pF no a
decine di Farad per quanto riguarda i supercondensatori.
3.5.2 Tolleranza (tollerance)
Indica la massima variazione di capacità nel range di funzionamento. I condensatori in genere hanno tolleranze piuttosto ampie e spesso assimmetriche: non
è raro trovare una tolleranza di -10% / +50%.
Sull'involucro dei condensatori la tolleranza è indicata con una lettera:
ˆ
F -
±1 ÷ 2%
ˆ
G -
±2%
ˆ
J -
ˆ
K -
±10%
ˆ
M -
±20%
ˆ
Z -
±5%
±20 ÷ 80%
3.5.3 Tensione di lavoro (rated DC voltage)
Rappresenta la massima tensione continua che può sopportare il condensatore,
garantendo un funzionamento nominale.
In alcune tipologie di condensatore,
tale tensione può essere superata per determinati periodi. Inne possiamo trovare condensatori polarizzati, ossia con un determinato verso di applicazione
della tensione. Nel graco qui sotto, è evidenziato l'andamento della capacità
con l'aumentare della tensione continua o alternata.
CAPITOLO 3.
IL CONDENSATORE
33
Figura 3.19: Graco capacità-tensione
3.5.4 Peak Impulse Voltage
Altri non è che il massimo picco di tensione non ripetitivo, cioè il massimo picco
di tensione che può essere applicato per un numero limitato di volte di durata
minore a 10 ms.
3.5.5 Frequenza di lavoro
Determina la massima frequenza per cui il condensatore mantiene le caratteristiche nominali. Nel graco sotto, si evidenzia come la capacità diminuisca al
crescere della frequenza.
CAPITOLO 3.
34
IL CONDENSATORE
Figura 3.20: Graco capacità-frequenza
3.5.6 ESR
L'
ESR (Equivalent Serie Resistance - resistenza in serie equivalente)
è imputa-
bile essenzialmente a tre componenti: i reofori, la resistenza dell'elettrodo e la
perdita del dielettrico.
La resistenza equivalente serie, comporta un'inevitabile perdita di potenza
attiva, che se ne va sotto forma di calore per eetto Joule e che è dovuta principalmente alla corrente che attraversa il condensatore stesso. Questa perdita,
risulta d'altro canto considerevole, solo quando sono in gioco correnti elevate,
come nel caso dei condensatori utilizzati per rifasamento, motori, trasmettitori
radio, disaccoppaimento o rettica della corrente alternata e dove si vericano
ripple elevati, come alimentatori switching, alimentazione di carichi impulsivi,
motori passo a passo, solenoidi, sistemi digitali, ecc. Ovviamente il riscaldamento del condensatore si manifesta con una variazione dei parametri del dielettrico
ed una eccessiva dissipazione di potenza, rispetto a quanto previsto allo stato
nominale. Tutto ciò porta se non alla distruzione del dispositivo stesso, quantomeno alla riduzione drastica della sua vita utile. Si evince invece che, laddove le
correnti presenti nei circuiti sono basse, l'eetto del ESR risulta limitato se non
trascurabile a causa dell'alta impedenza dei suddetti circuiti.
Tuttavia anche
nei circuiti a correnti limitate, la presenza di una resistenza indesiderata in serie
alla capacità, altera il funzionamento del circuito e crea una rete RC che limita
la capacità di carica e scarica del condensatore.
Risulta importante sottolineare come l'ESR, seppur vanti un'unità di misura
in ohm, sia strettamente dipendente dalla frequenza con cui viene utilizzato il
condensatore, a causa delle caratteristiche costruttive dello stesso. Questa con-
CAPITOLO 3.
35
IL CONDENSATORE
siderazione porta alla conseguenza di dover misurare l'ESR a frequenze diverse,
a seconda di come si voglia impiegare il condensatore.
Per il tipo di condensatori qui trattati, possiamo senz'altro dire che, l'ESR è il
principale fattore limitante a causa delle alte frequenze in gioco nei condensatori
di ltro. In ogni caso per tutte le applicazioni ad alte frequenze i progettisti di
questi sistemi ragionano più in termini di ESR che di capacità vera e propria;
infattti è preferibile optare per una capacità più limitata, ma con più bassa
ESR, rispetto ad una più elevata, ma con elevata ESR.
In conclusione l'ESR risulta un parametro altamente critico nella scelta del
condensatore opportuno, ed inoltre, lo sforzo fatto dal produttore del componente per abbassare l'ESR, si riette, in un cospicuo aumento del costo dello
stesso. I condensatori Low ESR sono pertanto da considerarsi pregiati, tra
questi si annovera quelli con dielettrico ceramico o con lm plastici o ancora con
combinazioni di materiali (es. polimero-allumineo).
Un concetto di cui tener conto inne è l'ageing, ovvero l'invecchiamento
del dielettrico, che in particolar modo per i condensatori elettrolitici, porterà
ad un aumento drastico e irreversibile dell'ESR. Nel calcolare il tempo di invecchiamento spesso va considerato anche il periodo di immagazzinamento, e non
solo quello di utilizzo.
3.5.7 ESL
L'
ESL (Equivalent Serie Inductance - induttanza in serie equivalente)
rappre-
senta la somma di tutte le induttanze distribuite e associate al condensatore
reale. Visto e considerato che ci si occupa di una componente induttiva, è lecito aspettarsi che dipenda strettamente dalla frequenza e così avviene. Questa
dipendenza è certamente molto vincolante alle alte frequenze (RF), ma quasi
trascurabile alle basse.
Per tanto alle alte frequenze è opportuno che i ter-
minali dell'alimentazione dei circuiti analogici di precisione siano disaccoppiati
opportunamente.
3.5.8 Leakage
Il parametro noto come
di perdita.
Leakage
può essere reso in italiano come corrente
In un condensatore reale, a dierenza della controparte ideale,
il dielettrico non ha resistenza innita, bensì nita, anche se molto elevata.
Questa resistenza ( RL resistenza di leakage) permette alla carica Q di scaricarsi
più o meno lentamente attraverso una costante di tempo
RL -C.
La corrente di
perdita collegata a questo fenomeno ha valori solitamente bassi dell'ordine dei
microAmpere o inferiori.
Il leakage è un paramentro fondamentale nelle applicazioni in corrente alternata, nelle applicazioni in cui il condesatore è elemento di memoria della
carica elettrica, e nei circuiti ad alta impedenza, dove la
RL
diventa sensibile
rispetto alle elevatissime resistenze di ingresso. Di notevole importanza operativa è sapere che la corrente di perdita cresce con il degenerare del dielettrico
per ageing o a causa della temperatura di lavoro.
CAPITOLO 3.
36
IL CONDENSATORE
3.5.9 DA
Il
DA (Dielectric Absorption - assobimento del dielettrico)
è il parametro che
esprime l'impossibilità del condensatore reale di scaricarsi completamente. Questo avviene perché il dielettrico è in grado di conservare una parte di carica,
seppur molto piccola.
Dal punto di vista del modello equivalente, possiamo
pensare a una serie di reti RC in parallelo alla capacità primaria, dove RDA è
molto elevata e CDA inferiore alla capacità nominale. Sebbene tutti i condensatori abbiano un certo assorbimento del dielettrico, se questo diventa eccessivo
si ha un funzionamento del circuito alterato in modo non desiderabile. Il DA
inne rappresenta il rapporto tra la tensione residua e la tensione di carica, in
percentuale
3.5.10 DF
Il DF (Dissipation Factor - fattore di dissipazione) è di notevole importanza
laddove il condensatore deve trattare correnti di tipo alternato. Esso determina
la somma di tre fattori di perdita: la resistenza delle parti conduttive, la resistenza di isolamento e le perdite del dielettrico. Il DF rappresenta il rapporto
tra i moduli delle correnti resistiva e reattiva a una determinata frequenza, e in
breve si indica come
ESR/Xc , solitamente espresso in percentuale o rapportato
all'unità.
Spesso DF si trova indicato anche come
tan δ .
Quale che sia la notazione,
tanto sarà piccolo questo valore più sarà alta la qualità del condensatore considerato. Infatti se ESR è elevato, anche DF ha un valore elevato e la qualità del
condensatore è ridotta.
Di notevole importanza è sottolineare come trovandosi davanti a una componente reattiva ( Xc ), il DF è strettamente inuenzato dalla frequenza di lavoro del
condensatore. Inne anche il DF è un parametro strettamente legato all'ageing
e alla temperatura, che ne deteriorano la qualità.
3.5.11 Tensione di isolamento
Il dielettrico, raggiunta una certa tensione, perde la sua caratteristica di isolamento e viene perforato dal passaggio di una corrente. Da questo consegue
che i condensatori reali hanno un limite di tensione applicabile, oltre la quale,
avviene la distruzione del condensatore stesso. La tensione limite dipende sia
dalle caratteristiche del dielettrico sia dalla tecnologia di costruzione del componente. Va da sé che un errore di questo parametro, nella scelta del componente
opportuno, non risulta accettabile.
Dal punto di vista operativo bisogna tenere conto di due fattori prima di
operare la scelta:
1. La massima tensione sopportabile dal dielettrico non deve essere la stessa
di quella di lavoro, bensì deve essere superiore a questa.
Deve avveni-
re quanto precedentemente detto, anché si abbia un certo margine di
CAPITOLO 3.
sicurezza.
37
IL CONDENSATORE
Inoltre far lavorare il dielettrico al limite comporterebbe un
invecchiamento precoce del componente.
2. Per le applicazioni in CA si considera come valore massimo di tensione
applicata quello di picco, che è maggiore di quello ecace.
3.5.12 Capacità di corrente
Questo parametro fornisce un'indicazione circa il limite di corrente che il condensatore riesce a gestire. Un eccesso di corrente comporterebbe un surriscaldamento (per eetto Joule nella ESR) che invecchia precocemente il componente
e può addirittura causare la distruzione del componente stesso.
3.5.13 Insulation Resistance
Rappresenta la resistenza di isolamento, in
Ω, tra i terminali e la custodia (case).
3.5.14 Temperatura di impiego
La temperatura di impiego rappresenta un parametro che è stato nora citato
molto spesso nell'illustrazione dei precedenti parametri.
I condensatori sono
progettati per lavorare in uno specico range di temperatura, ma se questo è
evaso allora si accelera l'invecchiamento del componente e si può arrivare no
anche alla rottura del medesimo. Nel graco sotto, per esempio si evidenzia la
perdita di capacità in base alla temperatura di esercizio.
Figura 3.21: Graco capacità-temperatura
3.5.15 Invecchiamento (ageing) o MTBF
L'ageing evidenzia come le caratteristiche nominali vadano incontro a un deterioramento nel tempo, anche a seconda del tipo di tecnologia del condensa-
CAPITOLO 3.
38
IL CONDENSATORE
tore (per esempio: -2% / 10 anni). Nei condensatori ceramici, spesso, questo
problema può essere recuperato previo riscaldamento per un'ora a 150 °C. Nei
condensatori elettrolitici poi l'invecchiamento aumenta se il componente non è
mantenuto in tensione.
Il MTBF (Medium Time Before Failure - tempo medio prima di un guasto)
può essere riassunto come il parametro, indicato dal costruttore, che tiene conto
di questo invecchiamento del componente.
Anche in questo caso si tratta di
un concetto già arontato precedentemente, tuttavia è opportuno spendere due
parole per descriverlo meglio. Il MTBF indica in ore di lavoro il tempo di vita
utile del componente, però, come già visto, la temperatura e la quantità di energia gestita possono alterare questo dato. Con l'invecchiamento del componente
si va incontro alla perdita della capacità nominale, alla riduzione della tensione
di isolamento, ad un aumento dell'ESR e della corrente di perdita. Il concetto
di ageing, inne, non tiene conto solo delle ore lavorate dal componente ma
anche dall'immagazzinamento. Questo è uno dei motivi per cui è sconsigliabile
utilizzare componentistica vecchia e recuperata. Nel graco sotto è mostrato il
deterioramento dei componenti ceramici nel tempo, rappresentato come ore.
Figura 3.22: Graco capacità-temperatura
Capitolo 4
I ltri
Si denisce ltro, in un circuito elettrico, un sistema in grado di attenuare
(ovvero ridurre in ampiezza) o eliminare completamente segnali a frequenze
indesiderate che comportano interferenze. In questo capitolo vedremo cosa è un
ltro e come può essere utilizzato in ambito EMC.
4.1 Un comune ltro: l'RC
Si prenda in considerazione, brevemente, e a titolo di esempio il più comune dei
ltri, l'RC. Come riporta la gura sottostante, vi è una tensione di ingresso e
una di uscita, rispettivamente
Vin
e
Vout .
Figura 4.1: Circuito di un comune ltro RC
La risposta in frequenza del ltro è la funzione:
H(jω) =
Vin (jω)
Vout (jω)
39
(4.1)
CAPITOLO 4.
40
I FILTRI
esprimendo poi la tensione di uscita in funzione della tensione di ingresso e dopo
opportune semplicazioni otteniamo:
H(jω) =
1
1 + jωCR
(4.2)
Il ltro lascia passare tutti i segnali d'ingresso in modo inalterato; questo è evidente considerando che se la frequenza
ω
è zero, allora la risposta in frequenza
vale 1. Poiché un segnale a frequenza nulla, non è altro che un segnale continuo
(DC) si conclude che questo ltro non ha alcuna inuenza con tensioni e correnti continue. Per capire cosa accade all'aumentare della frequenza si osservi
l'equazione di modulo e fase della risposta in frequenza:
1
e−j arctan(ωCR)
H(jω) = p
1 + (ωCR)2
e si nota n da subito, che al crescere di
ω
(4.3)
diminuisce il modulo della risposta
in frequenza. Si è soliti rappresentare H(j ω) con due graci, quello del modulo
|H(jω)| e quello della fase
∠H(jω),
che danno subito un'idea chiara di come
agisce il ltro RC.
Come si nota dal diagramma di Bode qui sotto:
Figura 4.2: Diagramma di Bode di modulo e fase di un ltro passa-basso RC
il ltro RC lascia passare i segnali a bassa frequenza ( ω << 1/RC) e ltra
quindi i segnali ad alta frequenza ( ω >> 1/RC). Si è così di fronte a un ltro
passa-basso. La frequenza
ω = 1/RC, chiamata frequenza di cut-o, rappresenta
CAPITOLO 4.
41
I FILTRI
il punto in cui il ltro inizia a tagliare i segnali. Poiché la frequenza di cut-o
dipende solo da RC, si evince quanto è semplice decidere le frequenze da tagliare
solo scegliendo opportunamente R e C.
Si può creare con opportune combinazioni di elementi circuitali anche ltri
passa-alto e passa-banda, ossia ltri che enfatizzano rispettivamente le frequenze
più elevate o un determinato intervallo di frequenze. L'analisi di suddetti ltri
è del tutto analoga a quella svolta e esula dagli obbiettivi di questa trattazione.
Si considera come ideale un ltro che presenta nel suo diagramma di Bode
discontinuità e transizioni verticali. Tuttavia i ltri reali non possono per loro
natura assolvere mai a queste caratteristiche, bensì posseggono una banda di
transizione più o meno netta, ma mai verticale, causando quindi eetti indesiderati. Il parametro noto come classe di merito tiene conto di questo discostarsi
dall'idealità e premia i ltri che hanno una banda di transizione più piccola, e
quindi che si avvicina a quella ideale. Da tener conto che una classe di merito maggiore fa da contraltare a un prezzo molto più alto per il corrispondente
ltro.
Esistono varie classicazioni dei ltri elettronici, tra cui si ricordano solo
brevemente:
ˆ
Filtri passivi e attivi
ˆ
Filtri analogici e digitali
ˆ
A tempo discreto e a tempo continuo
ˆ
Lineari e non lineari
L'applicazione dei ltri in elettronica può avere diversi scopi. Per esempio, si
pensi ad un ltro passa-banda che limita in un intervallo l'amplicazione delle
frequenze utili a un apparecchio per radiocomunicazione. Ancora si può pensare
ad un ltro passa-basso che abbia lo scopo di eliminare le componenti alternate
del segnale, restituendo solo la componente continua. Degli opportuni ltri vengono poi utilizzati per dividere in più bande, l'uscita degli amplicatori audio,
per suddividerle a sistemi di altoparlanti multivia. L'uso dei ltri, come visto
da questi pochi ma emblematici esempi, è pervasivo e massiccio nell'elettronica.
4.2 I ltri in ambito EMC
Un ltro EMI è un ltro passivo necessario in tutte quelle apparecchiature che
necessitano di rispondere alle normative sul EMC in particolar modo sulle emissioni condotte.
Per soddisfare le speciche sul rumore è quindi normalmente
necessario introdurre un ltro d'ingresso, che si frappone tra la rete ed il circuito
elettronico.
4.2.1 Propagazione dei disturbi
Si sa che i disturbi elettromagnetici hanno diversi modi di propagarsi, e che essi
variano a seconda della frequenza.
I disturbi a bassa frequenza, quindi al di
CAPITOLO 4.
42
I FILTRI
sotto dei 10 MHz, si propagano principalmente in modo condotto a causa degli
accoppiamenti galvanici fra i conduttori. I disturbi a frequenza elevata, cioè al
di sopra dei 30 MHz, vengono invece in gran parte irradiati. Il campo intermedio rappresenta una via di mezzo che contempla contemporanemente entrambi
i due meccanismi di trasmissione precedenti. I ltri EMC vengono quindi utilizzati per la soppressione dei disturbi legati ai conduttori. Agendo sul massimo
disadattamento dell'impedenza ne viene impedita la propagazione. L'azione ltrante agisce in entrambe le direzioni, grazie alla congurazione simmetrica dei
ltri EMI. Ciò signica che vengono attenuati sia i disturbi dall'utilizzatore alla
rete sia i disturbi dalla rete all'utilizzatore.
4.2.2 Struttura fondamentale
Presupponendo la decomposizione del disturbo in una componente di modo
comune e in una componente di modo dierenziale, a seconda dei casi e delle
frequenze, si vede come tali componenti risultano presenti con entità più o meno
dominanti l'una sull'altra. La maggior parte dei ltri di rete sono costituiti da
elementi reattivi passivi utilizzati in congurazioni tali da porgere un eetto
predominante, ora sull'una o sull'altra componente del disturbo.
I componenti fondamentali dei ltri rete sono le induttanze e i condensatori.
Entrambi questi elementi, disposti in maniera opportuna, consentono al ltro
di eettuare la massima attenuazione possibile a seconda del tipo di disturbo
presente (di modo comune o dierenziale).
Il ltro EMI si congura tipicamente come una variazione del ltro Pigreco,
qui sotto in gura.
Figura 4.3: Filtro di ingresso
Le correnti di modo comune vengono fortemente attenuate dal sistema di
induttori in controfase, ma essi hanno eetto sulla sola componente di modo
comune della corrente di disturbo; mentre, lo stesso sistema è pressoché trasparente a correnti di modo dierenziale. D'altro canto i condensatori indicati
come
Cx ,
orono una bassa impedenza (a RF) tra i due conduttori di linea,
cortocircuitando così le due correnti in controfase costituenti la componente differenziale del disturbo.
I condensatori indicati con
Cy ,
essendo collegati tra
ciascun conduttore di rete e la terra, agiscono sulla componente di modo comune della corrente di disturbo in quanto orono a questa una bassa impedenza
verso terra.
CAPITOLO 4.
43
I FILTRI
A causa dei diversi tipi di disturbo che si possono presentare, non è in genere suciente un unico metodo di ltraggio per attenuare tutti i valori. Per
soddisfare tutte le esigenze è necessario usare una combinazione di condensatori
X, condensatori Y, induttanze compensate in corrente e induttanze non compensate. Questi componenti devono essere accordati tra di loro per raggiungere
l'azione di ltraggio ottimale nel campo di frequenza richiesto dalla normativa
( 150 kHz - 30 MHz ) e lasciando passare la frequenza di alimentazione 50 - 60
Hz.
Inne, si sa, che collegando in serie più stadi passa-basso, il ltro può realizzare valori anche molto elevati di attenuazione.
Nel caso dei ltri trifase,
vengono invece uniti insieme stadi analoghi collegati in serie.
4.2.2.1 Il ltro EMI
Un ltro EMI è un ltro passivo necessario in tutte quelle apparecchiature che
necessitano di rispondere alle normative sul EMC, in particolar modo sulle emissioni condotte.
In sostanza siamo di fronte a un ltro passa-basso, posto tra
l'ultimo stadio del dispositivo e l'alimentazione, al ne di inibire gli eventuali
disturbi che l'apparecchiatura potrebbe trasmettere alla rete. Inoltre per merito
della sua congurazione simmetrica, permette anche di ltrare eventuali disturbi
in alta frequenza provenienti dalla rete stessa. Il ltro sarà quindi attraversabile
alla frequenza di alimentazione 50 - 60 Hz, ma inibirà le frequenze stabilite dalla
normativa, ossia da 150 kHz a 30MHz. Solitamente il ltro EMI corrisponde ad
uno schema simile al seguente:
Figura 4.4: Schema di principio di un ltro EMI
Si tratta di un ltro LC doppio: l'impedenza delle induttanze si oppone alla
corrente, tanto quanto cresce la frequenza, mentre i condensatori diventano via
via più "trasparenti". In questo modo le correnti di disturbo ad alta frequenza
sono bloccate e shuntate verso la terra.
CAPITOLO 4.
44
I FILTRI
Per l'argomento di questa trattazione, è da notare come il punto di connessione comune dei condensatori Cy sia connesso alla terra dell'impianto di
alimentazione e completi così il circuito di dispersione delle correnti di interferenza. Questo punto è altresì connesso con la massa comune e con il contenitore
di metallo dell'alimentatore. Senza il collegamento a terra, a parte il rischio di
folgorazione, si toglie ecacia a questo circuito di riduzione delle interferenze.
Questo schema base ha lo scopo di contrastare sia le interferenze in modo differenziale (dierential mode), ovvero quelle correnti di disturbo che uiscono in
entrambe le direzioni nei conduttori di alimentazione, sia quelle a modo comune
(common mode), che uiscono in una sola direzione, tra uno dei conduttori di
alimentazione e la terra.
4.2.3 Soppressione singola o combinata
Si impone, sotto l'aspetto economico, la scelta di un sistema per la soppressione
dei disturbi, il più possibile a basso costo.
Per esempio, con un sistema di
soppressione combinata, può essere ridotta la quantità dei ltri necessari; come
è possibile apprezzare nella gura in fondo a questa sottosezione. Tuttavia, vi
sono degli svantaggi nella soppressione combinata e sono qui elencati:
ˆ
questa soluzione è problematica quando si devono installare componenti
aggiuntivi
ˆ
la corrente nominale del ltro non deve essere superata.
ˆ
i cavi di collegamento più lunghi devono essere schermati
ˆ
il ltro non è ecace per i disturbi che vengono trasmessi direttamente da
un utilizzatore all'altro, non sono da escludere inuenze contrapposte
A causa di questi problemi in molti casi si preferisce utilizzare la soppressione
singola, che sebbene risulti più costosa, spesso risulta più ecace.
[5]
Figura
4.5:
Ragurazione
degli
schemi
a
soppressione
combinata
e
a
soppressione singola
4.2.4 Filtri per linee di alimentazione e per linee di segnale
Si è soliti suddividere i ltri EMC in due macro categorie: ltri per linee di
alimentazione e ltri per linee di segnale.
Tranne che in casi particolari, il
CAPITOLO 4.
I FILTRI
45
funzionamento dell'una e dell'altra tipologia è, almeno in linea di principio,
equivalente.
Ogni ltro è implementato mediante elementi reattivi passivi in
congurazioni tali da realizzare, nei riguardi del disturbo RF, eetti di attenuazione o disadattamento di impedenza all'interno di assegnate bande di frequenza.
Ai ltri appositamente concepiti per le linee di segnale, vengono tuttavia richieste alcune caratteristiche che ne rendono più critica la scelta. Il motivo è ovvio:
un tale ltro potrebbe alterare le caratteristiche siche del segnale funzionale in
transito sulla linea ltrata, introducendo (nella banda dello stesso) inaccettabili
attenuazioni o disadattamenti di impedenza. Questo tipo di problema è meno
sentito nel caso dei ltri per linee di alimentazione per i quali divengono invece
più stringenti le considerazioni legate alla potenza e all'ingombro presentato dal
ltro a parità di attenuazione. Su tali ltri è poi doveroso fare un distinguo tra
ltri per linee di alimentazione DC o AC. Data la loro maggiore diusione e
l'importanza assunta nell'industria, si farà nel seguito riferimento quasi esclusivamente a questi ultimi (detti anche ltri di rete) riservando comunque uno
spazio nale anche ai ltri per linee di segnale. (Elettronica Oggi, Filtri EMC:
funzionamento e utilizzo, 10 giugno 2002)
4.2.5 Caratteristiche di attenuazione
Per valutare l'ecienza di un ltro, vengono impiegati i cosiddetti diagrammi
di attenuazione.
Da questi diagrammi si può stimare, per un disturbo noto,
se un particolare ltro è adatto o meno alla soppressione di suddetto disturbo.
Tuttavia, una previsione precisa può essere eettuata solamente alla luce di misurazioni siche precise. Queste caratteristiche vengono misurate alimentando
il ltro, attraverso circuiti prescritti, con segnali noti e ben deniti. Le misure
in uscita quindi evidenzieranno il livello dei disturbi.
4.2.6 Installazione ottimale
Oltre alla qualità del ltro, determinata nel modo appena visto, è importante il
modo in cui lo stesso viene montato. Ad esempio, lunghezze dei cavi ridotte e
messe a terra con superci piane, possono portare ad un ulteriore guadagno di
attenuazione. Per sopprimere i disturbi legati alle radiazioni (ca. 10 MHz-100
MHz) è poi consigliabile inserire agli ingressi e alle uscite dei grani di ferrite che
attenuano le frequenze elevate.
4.2.7 Corrente di dispersione
Uno dei parametri critici nei ltri rete è senz'altro la corrente di dispersione.
Infatti, durante il funzionamento delle apparecchiature elettriche, la corrente
di dispersione, presente a causa delle capacità parassite e dei condensatori inseriti nell'apparecchio, scorre attraverso i conduttori. Per motivi strettamente
legati alla sicurezza non si devono superare determinati valori della corrente di
dispersione (indicati di volta in volta dalle normative del paese di riferimento e
CAPITOLO 4.
I FILTRI
46
dal tipo di apparecchiatura). La corrente di dispersione nei ltri rete dipende
quindi da più parametri:
ˆ
dalla somma delle capacità parassite e dalle capacità tra i conduttori
percorsi da corrente e lo chassis, solitamente metallico.
ˆ
dalla tensione d'esercizio.
ˆ
dalla frequenza.
ˆ
dall'esistenza di eventuali resistenze di scarica.
La corrente di dispersione del ltro di rete monofase si riferisce, in denitiva,
alla corrente che può scorrere tra ciascun conduttore percorso da corrente ed il
potenziale di terra.
4.2.8 Condensatore in funzione di ltro
Per attenuare gli eventuali disturbi che possono circolare nella linea di alimentazione, s'inseriscono dei piccoli condensatori da 100 nF a cavallo delle linee di
alimentazione.
50 o 100
μF
Risulta preferibile aggiungere un condensatore elettrolitico da
e di voltaggio appropriato. Quest'ultimo condensatore attenuerà
le uttuazioni e i picchi di corrente che potrebbero vericarsi durante il funzionamento del circuito. I condensatori da 100 nF si mettono anche vicino ai
terminali di alimentazione di ogni circuito integrato.[8]
Capitolo 5
Il condensatore in ambito
EMC
Questo capitolo costituisce il nucleo centrale della tesi, dove sono presentati i
campi di impiego dei condensatori in ambito EMC analizzandone la tipologia e i
parametri di merito. Attraverso un confronto dei componenti a catalogo presenti
sul mercato, si arriverà a scegliere gli opportuni parametri che discriminano la
bontà di un condensatore rispetto ad un altro della stessa tipologia.
5.1 Utilizzo del condensatore in ambito EMC
Come si è visto nel capitolo precedente, esistono varie tecnologie per la realizzazione dei condensatori. Tuttavia quelle utilizzate per la soppressione dei disturbi
sono tipicamente di due tipi: condensatori ceramici o condensatori elettrolitici
al tantalio.
I condensatori elettrolitici al tantalio permettono di raggiungere grandi valori ci capacità (1 1000
μF)
con componenti di ridotte dimensioni.
categoria, ossia i ceramici, è caratterizzata da capacità inferiori (1
μF
L'altra
5 pF)
pur mantenendo un comportamento ideale no a frequenze molto elevate. Per
questa ragione i condensatori ceramici, vengono sovente impiegati per la riduzione delle emissioni radiate; mentre quelli elettrolitici trovano un maggior impiego
nella banda delle emissioni condotte oppure sulle piastre dei circuiti stampati,
dove servono come riserve di carica.
Le due tipologie di condensatori considerate, hanno analoghi circuiti equivalenti. Tuttavia si riscontrano sostanziali dierenze nei valori dei componenti
di detti circuiti, ed è a causa di questo che si comportano diversamente ad alte
frequenze.
47
CAPITOLO 5.
48
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
Figura 5.1: Modello di un condensatore reale mediante un circuito equivalente
Nella gura qui sopra si vede il modello circuitale dei due tipi di condensatori
considerati. Le perdite inevitabili nel dielettrico (ohmiche e di polarizzazione)
vengono rappresentate nel modello circuitale per mezzo della resistenza
Rdiel ,
connessa in parallelo alla capacità; di solito questo parametro ha un valore molto
elevato. La resistenza
Rpiastre
rappresenta la resistenza intrinseca alle piastre
metalliche; nei condensatori ceramici ha un valore talmente piccolo rispetto agli
altri componenti, che è spesso trascurabile. I parametri
Lterm e Cterm
rappre-
sentano rispettivamente l'induttanza e la capacità, dovute alle terminazioni del
componente. Questi ultimi due parametri hanno quindi valori dipendenti solo
dalla forma delle terminazioni.
valore nominale
C
Cterm
spesso risulta essere molto più piccola del
della capacità del condensatore. Di conseguenza il circuito
equivalente del condensatore, escluse le terminazioni, risulta essere costituito
dalla connessione in serie della capacità C e della resistenza
Rpiastre ,
che rap-
presenta la resistenza equivalente di tipo serie e che viene solitamente indicata
come
RS
o con la sigla ESR (Equivalent Series Resistance), come visto nel ca-
pitolo precedente. Nel caso dei condensatori elettrolitici il parametro ESR non
può essere trascurato: esso ha un valore di parecchi ohm e varia con la frequenza.
Al contrario, nei condensatori ceramici per frequenze prese nell'intervallo
considerato dalla normativa, è solitamente molto piccolo e quindi trascurabile.
L'impedenza associata ad un modello composto da una serie
Ẑ(p) = Lterm
Lterm ,
Rs, C è:
p2 + Rs p/Lterm + 1/Lterm C
p
(5.1)
1/Lterm C − ω 2 + jωRs /Lterm
jω
(5.2)
e sostituendo p = j ω si ottiene:
Ẑ(jω) = Lterm
CAPITOLO 5.
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
49
Il diagramma di Bode di tale impedenza è illustrato qui sotto:
Figura 5.2: Diagrammi di Bode dell'impedenza del circuito equivalente semplicato di un condensatore, con inclusi gli eetti delle terminazioni: (a) modulo;
(b) fase
A frequenza nulla il modello si comporta come un circuito aperto (infatti
l'induttore è un cortocircuito e il condensatore un circuito aperto). Al crescere
della frequenza, l'impedenza dominante è quella della capacità che diminuisce
linearmente di 20 dB per decade. Contemporaneamente l'impedenza dell'induttanza cresce e raggiunge quella della capacità alla frequenza
√
f0 = 1/2π Lterm C ,
che prende il nome di frequenza di risonanza del condensatore. A tale frequenza,
l'impedenza serie risultante dalla connessione dell'induttanza e della capacità è
nulla (impedenze di uguale valore, ma di segno opposto) e quindi l'impedenza
complessiva del componente coincide con Rs. A frequenze maggiori l'impedenza dell'induttore risulta dominante e di conseguenza il modulo dell'impedenza
complessiva aumenta di 20 dB su decade e la fase tende a +90 °. Quindi nel caso in cui il condensatore venga utilizzato per ottenere un'impedenza di piccolo
valore (un esempio tipico è quello di voler cortocircuitare a massa le correnti di
disturbo), bisogna assicurarsi che le correnti presenti abbiano frequnza inferiore
alla frequenza di risonanza del condensatore
f0 .
In caso contrario il valore del-
l'impedenza risulterebbe maggiore rispetto a quello dedotto dal valore nominale
del condensatore.
CAPITOLO 5.
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
50
Frequentemente, gli errori nella soppressione dei disturbi riguardano un'errata valutazione nella scelta nel valore dei condensatori da utilizzare. Infatti i
condensatori risultano il componente più utilizzato al ne di ridurre i disturbi.
Ciò è dovuto al fatto che si prestano ad essere aggiunti anche a processo
di costruzione dell'apparato ultimato.
Basti pensare alla semplicità con cui
possono essere inseriti su un connettore oppure su una piastra per circuiti stampati con una semplice saldatura, realizzando una valvola di sfogo per segnali
indesiderati.
Un'altra cosa da tenere presente quando si aggiungono componenti per ridurre i livelli di emissioni, è quella degli eetti sui segnali di funzionamento del
sistema. Per esempio, nel caso in cui si colleghi un condensatore tra il conduttore di segnale e quello di ritorno di un cavo, al ne di impedire alle componenti
di alta frequenza del segnale di propagarsi sul cavo stesso, si possono creare
oscillazioni per eetto della risonanza tra la capacità introdotta e l'induttanza
del cavo. Un'alternativa per bloccare le componenti a elevata frequenza è quella di introdurre resistori in serie al cavo. Ciò viene eettuato solitamente con
l'introduzione di celle RC sulla scheda del connettore di uscita. I valori R e
C in questo caso vanno scelti con molta attenzione. Per esempio, si supponga
che il segnale in ingresso alla cella RC sia un treno di impulsi di forma trapezoidale, come nel caso di un segnale digitale che rappresenta i dati che vengono
trasmessi sul cavo verso un dispositivo periferico. In questo caso la funzione di
trasferimento del circuito RC risulta essere costante per frequenze inferiori alla
frequenza di taglio del ltro
1/2πRC
e decrescente di 20 dB/decade per frequen-
ze superiori: si vede quindi che ci si trova di fronte a un ltro passa-basso. Nel
caso in cui i valori R e C siano molto grandi, la frequenza di taglio del ltro può
essere sucientemente piccola rispetto alla banda del segnale che deve essere
trasmesso e tale da deformare le caratteristiche della forma d'onda; in questo
caso la funzionalità dell'apparato è compromessa. Al contrario, se i valori di R e
C sono troppo piccoli, il ltro non riesce ad eliminare le componenti di disturbo
ad alta frequenza. Questo esempio ci serve per prendere atto di due importanti
fatti:
1. nell'utilizzo di componenti aggiuntivi per la riduzione delle emissioni, occorre evitare di alterare i segnali che sono propri del sistema; pena il fatto
di soddisfare si i limiti normativi ma perdere la funzionalità del dispositivo;
2. nel caso in cui i rimedi adottati non riducano le emissioni al di sotto dei
livelli desiderati non ci si deve allarmare: esiste sempre una ragione per
cui ciò non avviene.
Un ultimo aspetto importante da considerare è evidenziato nella gura qui sotto:
CAPITOLO 5.
Figura 5.3:
51
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
Schematizzazione della possibilità di deviare correnti per mezzo
di un elemento in parallelo: utilizzo del partitore di corrente e confronto tra
l'impedenza del condensatore e quella di carico. [1]
Si presuppone di dover collegare un condensatore in parallelo con un cavo su
una piastra per circuiti stampati, per ottenere una deviazione della corrente di
disturbo
Iˆdisturbo .
Si indica l'impedenza del condensatore con
Ẑcap e l'impedenza
che si vede ai morsetti di ingresso della coppia di conduttori, da cui si vuole
deviare la corrente di rumore, con
Ẑcarico .
La frazione della corrente di rumore
che viene deviata attraverso il condensatore, può essere calcolata attraverso la
regola del partitore di corrente. Infatti:
IˆC =
Se
Ẑcarico
Ẑcarico
Ẑcap + Ẑcarico
Iˆdisturbo
(5.3)
Ẑcap , il condensatore provocherà una forte riIˆdisturbo sul cavo; al contrario, se il valore di
risulta piccolo rispetto a Ẑcap , il condensatore risulta del tutto inecace.
risulta più grande di
duzione della corrente di rumore
Ẑcarico
Questo spiega perché l'utilizzo di condensatori in parallelo a carichi con bassa
impedenza, risulti solitamente inutile; mentre il loro eetto è particolarmente
marcato nel caso di carichi a elevata impedenza.
In conclusione, si può aermare che ogni qualvolta che si utilizza un componente connesso in parallelo per ridurre le emissioni, occorre calcolare oppure
stimare sia il valore dell'impedenza del componente sia quella del circuito che
si trova in parallelo al componente stesso.
Ẑcarico Ẑcap
Se da questa analisi risulta che
allora sicuramente il rimedio risulta inecace. [1]
5.2 Modalità di funzionamento dei condensatori
EMC
Ci sono tre principali usi dei condensatori, che verranno presi qui in considerazione:
CAPITOLO 5.
ˆ
52
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
Disaccoppiamento o Bypass
deviano il rumore indesiderato di modo co-
mune a RF dal circuito. Ciò fornisce un'azione di ltraggio, ed è essenziale
per costruire un percorso a bassa impedenza (AC shunt) verso massa, per i
segnali ad alta frequenza. Inne risultano molto utili nella riduzione delle
correnti di picco, che si propagano nel circuito (di solito sono elettrolitici
di alluminio o tantalio tra 10 e 470uF).
ˆ
Bulk
utilizzato per mantenere costante la tensione continua e i livelli
di corrente dei componenti durante lo switch delle porte. Consentono di
minimizzare il power-drop-out causato dal dI/dt.
[11]
5.2.1 Condensatori di disaccoppiamento e di bypass
Il
condensatore di disaccoppiamento (o di bypass ) è utilizzato per disaccoppiare
una parte di una rete elettrica (circuito) da un'altra, e così facendo il rumore
eventualmente presente viene deviato attraverso il condensatore, riducendone
l'eetto. Quindi i condensatori di disaccoppiamento risolvono il problema dei
disturbi presenti sull'alimentazione, disturbi provenienti dall'esterno o generati da parti del circuito stesso.
Questo problema diventa notevole in presenza
di componenti con elevate impedenze di ingresso, dove quindi sono sucienti
basse correnti per disturbare il funzionamento. Per quanto riguarda i disturbi
esterni al circuito, esempi molto rappresentativi sono quelli generati dai motori
a collettore o dall'azionamento di contatti (relè, teleruttori), ma anche il rumore
elettrico provocato dagli alimentatori switching, trasmettitori radio, macchine
trifasi, ed altri. Lo stesso circuito può contenere fonti di rumore in quelle sezioni, dove sono presenti correnti impulsive che interagiscono con i parametri di
dispersione (induttanza e capacità parassite) del circuito. Si ricordi a tal proposito, che il condensatore riduce la sua impedenza all'aumentare della frequenza
secondo l'equazione:
Xc =
1
(2pf C)
(5.4)
dove f rappresenta la frequenza e C la capacità.
Come si è visto nel capitolo precedente, i condensatori sono trasparenti al
passaggio delle componenti a frequenza elevata presenti sulle linee di alimentazione, che rappresentano una parte essenziale del disturbo, dal momento che
l'impedenza del condensatore stesso si riduce all'aumentare della frequenza. Facendo poi riferimento alla massa come punto comune di ritorno delle correnti
che circolano nei vari circuiti, lo scopo del condensatore di bypass è quello di
cortocircuitare a massa queste componenti a frequenza elevata.
Questa ope-
razione ha senso, non solo per i circuiti alimentati in corrente alternata, ma
anche (e soprattutto) per quelli in corrente continua che proprio "continui" non
sono, poiché sussistono componenti variabili che, nella logica del circuito DC,
sono da considerare nocivi o comunque indesiderabili. Il termine bypass deriva
appunto, dall'aggiunta di questo percorso di bassa impedenza per scaricare a
CAPITOLO 5.
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
53
massa i transitori. I condensatori di bypass e disaccoppiamento assicurano la
stabilità del circuito e quindi garantiscono l'integrità del circuito stesso, perché
prevengono le comunicazioni indesiderate tra dispositivi diversi (o tra diverse
parti dello stesso dispositivo) che condividono le medesime linee di alimentazione; essi inoltre riducono il rumore presente sulle linee dell'alimentazione a tutte
le frequenze e rimuovono le piccole variazioni di tensione del sistema di potenza.
Il condensatore di disaccoppiamento, deve essere collocato il più vicino possibile al dispositivo o addirittura posto direttamente sui pin di alimentazione.
L'obiettivo, infatti, è quello di minimizzare la quantità di induttanza e la resistenza serie tra l'alimentazione e il dispositivo stesso: maggiore è la lunghezza
delle connessioni e maggiori saranno le componenti indesiderate.
Dato che i condensatori si dierenziano per i loro parametri caratterizzanti
(condensatori con buone caratteristiche ad alta frequenza sono comunemente
tipi di piccola capacità, mentre i condensatori di grandi dimensioni hanno solitamente peggiore risposta alle alte frequenze), il disaccoppiamento spesso implica l'uso di una combinazione di condensatori. Questo avviene perchè spesso
questi componenti non si comportano come condensatori ideali e, come già visto, i condensatori mostrano un comportamento capacitivo nel range delle basse
frequenze, e per frequenze maggiori della frequenza di risonanza serie, il comportamento diventa induttivo. Il disaccoppiamento ottimo si ottiene alla frequenza
di risonanza. L'eetto totale di questi problemi è che, ad una particolare frequenza, il condensatore entra in risonanza e l'impedenza della rete cambia molto
all'avvicinarsi di questa frequenza.
La ESR inoltre, impedisce di ottenere un
percorso a bassa impedenza per disaccoppiare in modo ecace il rumore ad alta
velocità. Per contrastare questi eetti possono essere prese diverse precauzioni:
per rendere la traccia tra i pin di massa (GND) e alimentazione (VCC) a bassa
induttanza, questa deve essere la più corta e spessa possibile; per migliorare il
decoupling dell'alimentazione si scelgono condensatori con una bassa ESR; per
ridurre l'induttanza del package si scelgono condensatori di piccole dimensioni.
Il trade-o nello scegliere piccoli package è la maggiore variazione della capacità
con la temperatura, con un conseguente peggioramento delle prestazioni alle
alte temperature; condensatori più grandi vengono spesso utilizzati per implementare un decoupling a bassa frequenza; questi condensatori sono distribuiti
in modo più sparso e sono spesso elettrolitici o al Tantalio.
La scelta dei condensatori di disaccoppiamento dipende dall'applicazione,
ma di solito si usano condensatori a montaggio superciale posti sicamente il
più vicino possibile all'alimentazione. Il loro valore deve essere sucientemente
grande da fornire un percorso a bassa impedenza per il rumore dell'alimentazione e deve essere scelto in funzione della frequenza.
Per il decoupling dei
circuiti integrati possono essere usati condensatori a bassa induttanza e ad alta
frequenza; di solito si utilizzano condensatori ceramici multistrato. Come regola generale si usano condensatori di 0.1
0.01
μF
μF
per frequenze no a 15 MHz e di
per frequenze superiori; spesso si inseriscono più condensatori di valore
diverso in parallelo, per ottenere un decoupling alle varie frequenze.
CAPITOLO 5.
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
54
5.2.2 Condensatori di Bulk
I condensatori di bulk hanno la funzione di fornire tensione e corrente contuinua ai componenti del circuito, quando i dispositivi stanno commutando e
scambiando dati, indirizzi e segnali di controllo simultaneamente e in condizioni
di massimo carico capacitivo. In queste condizioni possono presentarsi uttuazioni di corrente, che a loro volta possono essere causa di malfunzionamento dei
componenti per via dei cali della tensione di alimentazione. Per questo motivo
servono i condensatori di bulk: costituiscono una fonte di energia accumulata
nalizzata a preservare la tensione e le correnti ottimali nel circuito.
Tuttavia i condensatori bulk, giocano un ruolo indiretto nel controllo delle
interferenze elettromagnetiche (EMI). Questi condensatori (con dielettrico al
tantalio) devono essere usati in aggiunta a quelli di disaccoppiamento (i quali
invece hanno, come visto in precedenza, una funzione diretta per annullare il
rumore) in caso di alte frequenze per fornire un alimentazione DC ai componenti
e una modulazione RF sul power plane.
I condensatori bulk, oltre ad essere inseriti per ogni coppia di componenti
LSI e VLSI, vengono posizionati nei seguenti modii:
ˆ
in ingresso all'alimentazione dalla rete elettrica
ˆ
su tutti i terminali di potenza di I/O delle schede glie, delle periferiche e
dei circuiti secondari
ˆ
vicino ai componenti e ai circuiti che consumano energia
ˆ
il più lontano possibile dal connettore di alimentazione di ingresso
ˆ
posizionati sui componenti ad alta densità, a distanza dal connettore di
alimentazione di ingresso DC
ˆ
adiacente a circuiti di generazione di clock
[11]
5.3 Le classi di soppressione X e Y
I condensatori che richiedono una certicazione di sicurezza, come i condensatori di classe Y e classe X, sono generalmente utilizzati per il ltraggio sulle
linee AC in molte apparecchiature elettroniche. Questi condensatori sono anche
noti come
soppressori EMI / RFI
e svolgono appunto la funzione di impedi-
re all'apparecchiatura su cui sono collocati l'invio e la ricezione di inteferenze
sia elettromagnetiche e sia a radio frequenza. Gli enti preposti a rilasciare la
certicazione necessaria (EN/IEC 60384-14:2005) monitorano le prestazioni di
suddetti tipi di condensatori, sottoponendoli a test con impulsi di tensioni, test
di resistenza e prove di inammabilità per assicurare le prestazioni e l'adabilità di questi dispositivi. Questi tipi di componente risultano i più critici in
termini di scelta e dimensionamento nei ltri EMI.
CAPITOLO 5.
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
55
5.3.1 La classe X
Per ridurre le emissioni e aumentare l'immunità alle interferenze in molti tipi di
applicazioni si utilizzano i condensatori di calsse X. Questo tipo di condensatore
ha la particolarità di dover essere collegato tra le due linee CA.
Figura 5.4: Schema che evidenzia la collocazione dei condensatori di classe X
[4]
Poiché vengono posti in parallelo non devono avere perdite di isolamento né
devono andare in cortocircuito in seguito ad un danno al dielettrico, ovvero devono poter sopportare le possibili sovratensioni presenti sulla rete elettrica. Tuttavia, a dierenza di quelli di classe Y, che vedremo in seguito, i classe X in caso
di rottura non determinano un immediato rischio di morte per l'utente, bensì
inuiscono sulle prestazioni del dispositivo, generando possibili guasti ad interruttori o fusibili. Questi piccoli componenti racchiudono cinque caratteristiche
principali, riguardanti la loro utilità per ridurre le interferenze:
ˆ
sono eccellenti ltri grazie alla bassa induttanza e alla bassa ESR
ˆ
sopportano bene i carichi impulsivi
ˆ
sono continuamente polarizzati dalla tensione di rete
ˆ
sopportano bene le sovratensioni che potrebbero distruggere altri condensatori
ˆ
il loro MTBF è abbastanza prevedibile
Vista l'importanza di questo tipo di condensatore a livello internazionale, si è
voluto individuare uno standard di sicurezza, sviluppando delle normative: in
particolare la IEC 60384-14 (standard mondiale) e la UL 60384-14 (standard
americano). Ovviamente ogni componente sul mercato deve rientrare in queste
stringenti normative, ed inoltre possono ottenere i certicati di sicurezza qui
sotto, che vengono eventualmente stampati sull'involucro del dispositivo.
CAPITOLO 5.
Figura 5.5:
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
56
Tabella degli standard di sicurezza internazionali e dei relativi
marchi
Sottoclassi
La norma EN132400 divide i condensatori di classe X in tre sot-
toclassi, che si dierenziano per il sovrapicco di tensione che sono in grado di
reggere senza danneggiarsi.
Figura 5.6: Sottoclassi X
5.3.2 La classe Y
I condensatori indicati come
Cy ,
collegati tra ciascun conduttore di rete e la
terra, agiscono sulla componente di modo comune della corrente di disturbo in
quanto garantiscono ad essa una bassa impedenza verso terra.
CAPITOLO 5.
57
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
Figura 5.7: Schema che evidenzia la collocazione dei condensatori di classe Y
[4]
I condensatori destinati ad essere collegati in tal modo, e aventi proprietà
isolanti riconosciute dagli enti normativi in materia di sicurezza, sono marchiati
come condensatori di classe Y. I condensatori di suddetta classe, rivestono un
ruolo fondamentale nei riguardi della sicurezza elettrica; infatti una sovratensione che superi il limite di isolamento stabilito, può perforare il dielettrico e
trasformare il condensatore in un corto circuito. Il guasto ad un elemento delle
coppie di bypass (collegate al comune) potrebbe quindi causare una corrente di
dispersione eccessiva verso la terra, che, si ricorda, è collegata allo chassis. Se
il collegamento a terra è presente, questa corrente dispersa, se sucientemente
grande, viene rilevata da un salvavita (se presente nell' impianto); se, però, il
collegamento a terra non è presente o non è di buona qualità, si crea un potenziale rischio di scossa per l'utente. Per questa ragione i condensatori di classe Y
sono realizzati con un dielettrico che ha la proprietà di auto-riparazione (auto
cicatrizzante) e con un doppio isolamento, ovvero il dielettrico, se perforato da
una eccessiva tensione, si ripristina da solo e comunque impedisce la formazione
di corto circuiti interni; questo permette ai condensatori di superare indenni
eventuali sovratensioni presenti sulla rete, oltre all'importante fatto di evitare il
contatto di una fase con la massa metallica. Questi componenti riportano sull'involucro una tta serie di marchi di certicazione (IEC 60384-14, EN 132400
, UL 60384-14, ecc) e sono ovviamente più costosi dei normali condensatori per
uso generale.
Sottoclassi
La norma EN132400 specica 4 classi di
in base al picco di sovratensione
Vpk ,
Cy ,
che si dierenziano
tollerato dal condensatore.
Figura 5.8: Sottoclassi Y
CAPITOLO 5.
58
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
Per applicazioni con cavo di terra è suciente utilizzare la classe Y2, la
rottura del componente non causa in questa situazione problemi di sicurezza.
Per applicazione senza cavo di terra è necessario utilizzare la classe Y1.
5.3.3 Proprietà elettriche dei condensatori di classe X e Y
5.3.3.1 Autorigenerazione (autocicatrizzazione)
Il Dizionario Collins dell'elettronica denisce l'
autorigenerazione
dei conden-
satori, come la possibilità di detti dispositivi di resistere ai danneggiamenti
provocati da una sovratensione; se il dielettrico infatti viene perforato, lo sviluppo locale di calore ossida l'elettrodo di metallo attorno alla perforazione,
ristabilendo così l'isolamento.
Tuttavia l'autorigenerazione è un meccanismo che funziona in modo diverso,
a seconda dei diversi tipi di dielettrico metallizzato. Nei condensatori a lm di
carta metallizzata, per esempio, la rottura del dielettrico comporta un miglioramento della resistenza di isolamento. Invece nei condensatori con dielettrico
in lm plastico metallizzato, la stessa rottura provoca una riduzione della resistenza di isolamento a causa del maggior quantitativo di carbonio presente
nel canale di rottura rispetto alla controparte in carta. Di conseguenza, i condensatori in carta metallizzata sono da preferire se lo stesso componente sarà
utilizzato dove possono vericarsi picchi di tensione incontrollati. [12]
5.3.3.2 Tensione nominale
Nella norma EN/IEC 60384442005 si aerma che, i condensatori per la soppressione delle EMI devono essere scelti in modo tale da avere una tensione nominale
uguale o superiore a quella del sistema di alimentazione a cui sono collegati. La
progettazione dei condensatori deve tener conto della possibilità che la tensione
del sistema può salire no al 10% sopra la sua tensione nominale. [12]
5.3.3.3 Test di tensione
La ripetizione di prove ad alta tensione deve, per quanto possibile, essere evitata,
in quanto risulta spesso distruttiva per il componente, indipendentemente dal
tipo di dielettrico o dal produttore. Questo, è anche evidenziato nelle normative
per la soppressione EMI relative ai condensatori.
Durante i test è preferibile lavorare in tensione continua piuttosto che in
alternata; infatti la ionizzazione provocata dalla tensione AC aumenta il rischio
invalidazione del test.
Inoltre, l'apparecchiatura di prova deve essere progettata in modo tale da
evitare sollecitazioni non richieste dal test stesso; come ad esempio i transitori presenti durante il collegamento o lo spegnimento della tensione.
Inne va
ricordato che la tensione di prova da applicare per un certo tempo di salita, è
normalmente specicata dalla normativa pertinente. [12]
CAPITOLO 5.
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
59
5.3.3.4 Resistenza all'eetto corona
L
'eetto corona è un fenomeno che avviene quando una corrente elettrica uisce
tra un conduttore a potenziale elettrico elevato ed un uido neutro circostante,
generalmente aria, oppure nel caso dei condensatori il dielettrico stesso. In alcuni casi come per i trasformatori, i condensatori, i motori elettrici e i generatori,
possono causare l'usura dei materiali isolanti e in alcune condizione anche rumore. L'eetto corona si manifesta quando la tensione sul componente supera un
determinato valore suciente a provocare la ionizzazione del uido isolante ma,
insuciente ad innescare un arco elettrico vero e proprio. Una volta ionizzato, il
uido diventa plasma e conduce elettricità; il circuito elettrico quindi si chiude
quando la carica elettrica trasportata dagli ioni giunge lentamente al punto di
potenziale di riferimento del generatore, solitamente la terra.
La tecnica di impregnazione per condensatori a carta metallizzata elimina
pin-holes, eliminando così anche potenziali cellule di gas. Tuttavia questo processo non elimina completamente la possibilità di punti deboli nel dielettrico; i
quali potrebbe ancora provocare una scarica a bagliore. Nei condensatori autocicatrizzanti il vericarsi di un tale scarica, per merito della loro proprietà di
auto-guarigione, viene invalidato, poichè eliminano il punto debole e migliorano
la resistenza di isolamento. [12]
CAPITOLO 5.
IL CONDENSATORE IN AMBITO EMC
60
Figura 5.9: In tabella sono riassunti i più importanti test per i condensatori
EMI
Capitolo 6
I condensatori EMC presenti
sul mercato
Quando un ingegnere si pone davanti alla necessità di scegliere il condensatore
più opportuno per l'applicazione che gli interessa, deve tener presente di quanto esposto nei capitoli precedenti. Detto questo, occorre sottolineare come non
esista il condensatore
migliore in assoluto, bensì il miglior condensatore per l'ap-
plicazione in oggetto. Per compiere questa scelta è, quindi, opportuno prendere
visione di cosa ora il mercato e di quali parametri scriminanti si può usufruire:
a tal ne in questo capitolo si confronteranno alcuni modelli di condensatore di
diversi produttori.
6.1 Il mercato dei condensatori di classe X e classe Y
Per prima cosa in un'analisi dei condensatori disponibili sul mercato, bisogna
individuare per quali tecnologie di costruzione sono disponibili per le classi di interesse. Per esempio nei più riforniti siti internet di rivendita di componentistica,
come ad esempio
it.rs-online.com, si trovano:
ˆ
Polifenilensolfuro - classe X
ˆ
Ceramici a Strato Singolo - classi X1/Y1, X1/Y2
ˆ
Ceramici Multistrato - classi X1/Y2, X7
ˆ
Carta - classi X1, X2 e Y1, Y2
ˆ
Poliestere - classi X1, X2, X2/Y2
ˆ
Polipropilene - classi X1, X1/Y2, X2 e Y1, Y2
61
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
62
Di seguito vengono presentate alcune tabelle, utili per il confronto dei parametri dei condensatori, scelti opportunamente, di marchi o serie diverse. Si può
apprezzare come il valore di ESR non sia dato da molti produttori e solo alcuni,
per i condensatori più costosi, ne forniscono il graco. Altresì si può notare come piccole variazioni, per esempio di capacità o tolleranza, possano far lievitare
il prezzo di componenti a prima vista simili.
6.1.1 Polifenilsolfuro
Classe X
ˆ
Serie ECHU (X), PANASONIC - Serie ECPU (A), PANASONIC
La serie ECHU (X) tratta condensatori al solfuro di polifenilene (pellicola PPS),
caratterizzati da ESR ridotto. Sono adatti per saldature a riusso e ideali per i
circuiti costanti e di ltraggio. La gamma di capacità per questa serie è: 0.00010
- 0.22
µF.
La serie ECPU (A) è caratterizzata da un basso ESR e da una dimensione
molto piccola rispetto ad altri condensatori a lm. Questo tipo di codensatore
è utilizzato come soppressore di disturbi. Il range di capacità di questa serie è:
0.10 1
µF.
Figura 6.1: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
A)
63
B)
Figura 6.2: In gura i condensatori sopra descritti: A) ECHU (X), PANASONIC
B) ECPU (A), PANASONIC
6.1.2 Ceramici a strato singolo
Classi X1/Y1 e X1/Y2
ˆ
Serie C900, KEMET - Serie DE2, MURATA - Serie VY1, VISHAY
Con la serie C900 ci si trova di fronte a un condensatore della Kemet, che
ha la particolarità di essere ambivalente: ossia utilizzabile sia come ltraggio
linea-linea (Classe X1) e sia come ltraggio linea-terra (classe Y1 o Y2). Tale
condensatore è poi indicato per l'accoppiamento di antenne; l'accoppiamento
primario e secondario (alimentatori switching); soppressione dei disturbi di linea
alla sorgente. Le capacità vanno da 2,0 pF no a 10000 pF.
Il secondo condensatore analizzato fa parte della serie DE2, tipo KH e KY
prodotto da Murata. Esso è un condensatore ceramico conforme agli standard
di sicurezza, con classe di soppressione X1/Y2 e isolamento di base.
La serie VY1 di Vishay tratta condensatori dotati di un disco ceramico con
entrambi i lati placcati in argento, incapsulato in resina epossidica ignifuga. I
cavi di collegamento radiali sono realizzati in acciaio rivestito con rame stagnato. I condensatori VY1 orono un'elevata adabilità e un raggio esteso di
temperature d'esercizio, rendendoli adatti a un'ampia gamma di applicazioni.
Le applicazioni in cui può essere impiegato oltre a quelle di soppressione X1,
Y1 comprendono l'uso come condensatore di bypass. Il range di capacità per
questa serie è: 470 - 4700 pF.
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
64
Figura 6.3: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
A)
B)
C)
Figura 6.4: In gura i condensatori sopra descritti: A) C900, KEMET B) DE2,
MURATA C) VY1, VISHAY
6.1.3 Ceramici multistrato
Classi X1/Y2, X7
ˆ
Serie VJ, VISHAY - Serie AA, AVX
La serie VJ della Vishay ore condensatori con certicazione di sicurezza IEC
60384-14. Le applicazioni includono: alimentatori, fax e telefono; attrezzature
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
65
e apparecchi CA; protezione contro i fulmini e le sovratensioni; ltraggio EMI
e linee CA; isolatori. Il range di capacità disponibili è: 10 pF - 1.0 nF
La serie AA di AVX ore condensatori ceramici multistrato professionali, che
sono progettati per l'uso in applicazioni automobilistiche. Questo condensatore
è adatto all'utilizzo in circuiti di bypass, disaccoppiamento, ltraggio, sample e
hold e temporizzazione.
Figura 6.5: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
A)
B)
Figura 6.6: In gura i condensatori sopra descritti: A) VJ, VISHAY B) AA,
AVX
6.1.4 Carta
Classe X1
ˆ
Serie PME 271E, KEMET
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
66
La serie PME 271E di Kemet ha un elevato grado di sicurezza relativo all'inammabilità attiva e passiva, per merito dell'utilizzo di carta metallizzata. Il
materiale di incapsulazione è autoestinguente e conforme alla norma UL94V-0.
Inoltre questa serie è caratterizzata da eccellenti proprietà autorigeneranti, in
grado di assicurare una lunga durata, anche in caso di frequenti sovratensioni.
Il range di capacità disponibili è: 0.01 0.22
Figura 6.7:
µF.
In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
entrambi della serie PME 271E
Figura 6.8:
In gura i condensatori della serie PME 271E, KEMET sopra
descritti
Classe X2
ˆ
Serie PME264, KEMET - Serie PME261, KEMET
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
67
La serie PME264 di Kemet, è adatta ad applicazioni c.a. e c.c. elevate, come per
esempio i condensatori di commutazione nei convertitori, i condensatori ad alta
tensione c.c. nei televisori e nei circuiti d'accensione. La struttura della carta
metallizzata multistrato garantisce stabilità ed adabilità elevate, in particolare
nell'ambito di applicazioni a funzionamento continuo.
La serie PME261 di Kemet a carta metallizzata, è concepita per un uso
generale nelle applicazioni con impulsi a bassa frequenza c.a./c.c.
Figura 6.9: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
A)
B)
Figura 6.10: In gura i condensatori sopra descritti: A) PME264, KEMET B)
PME261, KEMET
Classe Y1
ˆ
Serie PME 295, KEMET - Serie P295, KEMET
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
68
La serie PME 295 di Kemet risulta adatta per applicazioni a isolamento doppio
o rinforzato (classe Y1). La tensione nominale è di 440 V c.a. per l'utilizzo in
applicazioni di classe Y. Inoltre il posizionamento molto preciso dei conduttori
in relazione al contenitore, consente lo sfruttamento eciente dello spazio sulla
scheda. Il materiale di incapsulazione è autoestinguente e conforme alla norma
UL94V-0; infatti questi condensatori hanno delle eccellenti proprietà di autorigenerazione in grado di assicurare una lunga durata anche in caso di frequenti
sovratensioni.
La serie P295 di Kemet è costituita da condensatori a carta metallizzata multistrato, che orono eccellenti proprietà di stabilità e adabilità, in particolare
nell'ambito di applicazioni a funzionamento continuo. Inoltre hanno una buona
resistenza alla ionizzazione, per merito del dielettrico impregnato.
Eccellenti
sono anche le proprietà autorigeneranti in grado di assicurare una lunga durata
anche in caso di frequenti sovratensioni. Le applicazioni tipiche includono condensatori di sicurezza per il collegamento di applicazioni di isolamento doppio
o rinforzato, che richiedono test di tensione no a 4000 V c.a. a 60 secondi. Il
range di capacità per questa serie è: 470 4,700 pF.
Figura 6.11: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
CAPITOLO 6.
A)
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
69
B)
Figura 6.12: In gura i condensatori sopra descritti: A) PME295 KEMET B)
P295, KEMET
Classe Y2
ˆ
Serie PZB300, KEMET - PME 271Y, KEMET
La serie PZB300 di Kemet con dielettrico in carta metallizzata è di classe sia
X2 e sia Y2 con congurazione a triangolo (cioè ci sono un condensatore X2
e due Y2 in congurazione a triangolo).
Sono condensatori compatti il cui
materiale di incapsulazione è autoestinguente, conforme alla norma UL94V-0.
Questi componenti hanno eccellenti proprietà di autocicatrizzazione in grado di
assicurare una lunga durata anche in caso di frequenti sovratensioni. La carta
impregnata, garantisce eccellente stabilità e notevole adabilità, in particolare
nell'ambito di applicazioni a funzionamento continuo.
La serie PME 271Y è composta da condensatori soppressori di classe Y
a carta metallizzata, multistrato e autorigeneranti.
Questi sono costruiti da
un dielettrico di carta metallizzata impregnata di resina epossidica e rivestiti
della stessa sostanza; questo produce ottime proprietà ignifughe attive e passive
combinate ad un'eccellente stabilità e adabilità, specialmente in applicazioni
che richiedono il funzionamento continuato alla temperatura d'esercizio.
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
70
Figura 6.13: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
A)
B)
Figura 6.14: In gura i condensatori sopra descritti: A) PZB300 KEMET B)
PME271Y, KEMET
6.1.5 Poliestere
Classe X1
ˆ
Serie ECQU(G), PANASONIC
I condensatori in lm di poliestere Panasonic ECQU(G) (classe X1), sono dotati di contenitore in plastica ignifuga e resina non combustibile. Sono inoltre
provvisti di meccanismo di sicurezza. Le applicazioni adatte per questo tipo di
condensatore a lm includono soppressori di interferenze.
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
71
Figura 6.15: In tabella sono riportati i parametri del modello ECQ-U3A684MG
(cod.costruttore)
Figura 6.16: In gura l'immagine del condensatore ECQU(G), PANASONIC
Classe X2 e Y2
ˆ
Serie R46, KEMET - Serie ECQU(L), PANASONIC - Serie F1772, VISHAY
La serie R46 di Kemet presenta condensatori a pellicola di poliestere metallizzata con terminali radiali stagnati. Questi condensatori sono incapsulati in un
solvente autoestinguente in una resistente custodia in plastica di resina termoindurente. La serie R46 è stata progettata per essere utilizzata come ltro per la
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
72
soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI), in tutti i casi in cui è
richiesta la classe X2.
I condensatori a lm di poliestere Panasonic ECQU(L) classe Y2/X2 sono
dotati di contenitore in plastica ignifuga e resina non combustibile. Questa serie
di condensatori a lm presenta un design compatto ed è inoltre ideale per essere
utilizzata nei soppressori di interferenze.
La serie F1772 X2 è composta da condensatori a lm di soppressione delle
interferenze ad alta stabilità per applicazioni di disaccoppiamento continue X2.
Figura 6.17: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
A)
B)
C)
Figura 6.18: In gura le immagini dei tre condensatori sopra descritti: A) R46,
KEMET B) ECQU(L), PANASONIC C) F1772, VISHAY
6.1.6 Polipropilene
Classe X1
ˆ
Serie R49A, KEMET - Serie B32912, EPCOS
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
73
La serie R49A di Kemet presenta una struttura in polipropilene metallizzato
con proprietà di autocopertura; è adatta per la soppressione di interferenze e
applicazioni di disaccoppiamento. Il range di capacità di questa serie è: 0.01 2.2
µF.
La serie B32912 di Epcos presenta condensatori di soppressione EMI di ca-
tegoria X1, ed è caratterizzata da dimensioni molto piccole e da proprietà autorigeneranti. Il contenitore in plastica è sigillato con resina epossidica (UL 94
V-0). La gamma di capacità è: 0.010 - 0.47
µF.
Figura 6.19: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
A)
B)
Figura 6.20: In gura le immagini dei condensatori sopra descritti: A) R49A,
KEMET B) B32912, EPCOS
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
74
Classe X2
ˆ
Serie R463, KEMET - Serie ECQU(A), PANASONIC
La serie R463 di Kemet con dielettrico in polipropilene metallizzato, possiede
proprietà autorigeneranti ed è indicata nei seguenti utilizzi: per la soppressione
di interferenze e nelle applicazioni di disaccoppiamento. Il range di capacità di
questa serie è: 0.01 10
µF.
La serie ECQU(A) di Panasonic ha un involucro in plastica ignifugo e in
resina non combustibile; è adatta per l'uso nei soppressori di interferenze. La
gamma di capacità è: 0.10
µF
- 2.2
µF.
Figura 6.21: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
A)
Figura 6.22:
PANASONIC
B)
In gura i condensatori:
A) R463,
KEMET B) ECQU(A),
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
75
Classe Y1
ˆ
Serie B81123, EPCOS
La serie B81123 di Epcos è adatta per applicazioni a isolamento doppio o rinforzato (classe Y1). Il materiale di incapsulazione è autoestinguente e conforme
alla norma UL94V-0. Inoltre questo componente garantisce eccellenti proprietà
autorigeneranti, che ne assicurano una vita prolungata. ll range di capacità di
questa serie è: 0.010 - 6.8
µF.
Figura 6.23: In tabella sono riportati i parametri del modello B81123C1102M000
(cod.costruttore)
Figura 6.24:
EPCOS
In gura l'immagine del condensatore sopra descritto, B81123,
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
76
Classe Y2
ˆ
Serie B3202, EPCOS - Serie R41, KEMET
La serie B3202 di Epcos ha una struttura in polipropilene con involucro in
plastica (UL 94 V-0) e una guarnizione in resina epossidica (UL 94 V-0). Le
dimensioni rispetto ai componenti sul mercato, con le stesse caratteristiche, sono
molto piccole; inoltre gode di buone proprietà autosmorzanti. Le applicazioni
tipiche includono la classe Y2 per la soppressione delle interferenze. La gamma
di capacità è: 0.0010 - 1.0
µF.
La serie R41 di Kemet ha una struttura a lm di polipropilene metallizzato;
è inoltre caratterizzata dalla proprietà di autocopertura. Le applicazioni in cui
può essere utilizzata includono la soppressione di interferenze e le applicazioni
di disaccoppiamento. La gamma di capacità per questa serie è: 0.0010
µF.
µF
- 1
Figura 6.25: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
A)
77
B)
Figura 6.26: In gura i condensatori sopra descritti: A) B3202, EPCOS B) R41,
KEMET
6.2 Il mercato dei condensatori elettrolitici
Ugualmente a quanto fatto precedentemente per i condensatori di classe X
e Y, verranno ora presentati due esempi di condensatori elettrolitici, al ne
di orire un confronto sui parametri caratterizzanti, rispetto a quelli a lm
precedentemente illustati.
6.2.1 Alluminio
ˆ
Serie ALP22, KEMET
La serie ALP22 di Kemet presenta condensatori elettrolitici in alluminio a bassa
ESR e di lunga durata; questi sono inoltre dotati di un foro di aerazione e di un
rivestimento isolante.
La serie DCMC di Cornell-Dubilier ore un condensatore ad elevata capacità
adatto per apparecchiature di saldatura, sistemi UPS e applicazioni di holdup di potenza per computer.
L'ampia lamina del catodo della serie DCMVC
garantisce il funzionamento a bassa temperatura con un notevole miglioramento
del usso dall'elemento condensatore al contenitore.
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
78
Figura 6.27: In tabella sono riportati i parametri del modello ALP22A681DF450
(cod. costruttore)
A)
B)
Figura 6.28:
In gura A il condensatore elettrolitico in alluminio ALP22,
KEMET- in gura B il DCMC di Cornell-Dubilier
6.2.2 Tantalio
ˆ
Serie TPM, AVX - Serie TWA, AVX
La serie TPM di AVX è una gamma professionale di condensatori al tantalio
a ESR ultrabassa, disponibile in 4 diverse dimensioni dei contenitori.
Inoltre
posseggono un'elevata capacità ed elevata corrente di ripple. Risultano ideale
per il ltraggio dei processori e altre applicazioni con ESR bassa. La gamma di
temperatura va da -55 °C a +125°C (riduzione della tensione sopra 85 °C).
La serie TWA di AVX presenta un condensatore elettrolitico al tantalio
umido con conduttori assiali e un esclusivo sistema a catodo per strutture CV
più elevate rispetto alla specica MIL-PRF-39006. La struttura comprende un
contenitore in tantalio saldato e un gruppo connettore per ottenere una tenuta
ermetica conforme ai requisiti anti-urto e anti-vibrazioni in conformità con la
specica M39006.
CAPITOLO 6.
I CONDENSATORI EMC PRESENTI SUL MERCATO
79
Figura 6.29: In tabella sono riportati i parametri dei modelli sopra descritti
A)
B)
Figura 6.30: In gura A il condensatore elettrolitico al Tantalio TPM, AVX in
gura B il modello TWA
Capitolo 7
Conclusioni
In questo elaborato si è cercato di evidenziare l'imprescindibilità della compatibilità elettromagnetica nella fase di progettazione e in particolar modo si
è voluto descrivere l'importante ruolo che rivestono i condensatori in ambito
EMC.
Nel corso della tesi si è riscontrato come sia diusa, a livello industriale, la
cattiva consuetudine di preoccuparsi delle interferenze EMI solo alla ne dello
sviluppo del progetto e, quindi, trovarsi spesso in dicoltà per quanto riguarda il
rispetto delle normative. Questa cattiva abitudine porta spesso il progettista ad
utilizzare solo in ultima istanza e, in modo empirico, i condensatori per ltrare
le interferenze. La soluzione a questo malcostume passa in primo luogo dalla
presa di coscienza dell'importanza primaria di occuparsi della compatibilità n
dalle prime fasi di progetto, e di non derubricarla a una mera seccatura da
aggiustare in seguito.
In secondo luogo si dovrebbe diondere maggiormente
la conoscenza relativa a tutti i metodi di soppressione disponibili, anche quelli
più avanzati come per esempio gli
spike killers, ma anche semplicemente quella
relativa ai condensatori per EMC presenti sul mercato.
Questo lavoro si concentra quindi nel cercare di dare un piccolo contributo
all'acquisizione di conoscenza sul condensatore applicato all'ambito EMC; questo contributo è parso opportuno alla luce del fatto che, durante la stesura della
tesi, sia sul web e sia anche tra rivenditori e utilizzatori, è venuta a galla una
buona dose di disinformazione riguardo alle tematiche qui trattate. Per capirne
l'importanza, basti solamente pensare quanto sia pericoloso sostituire un condensatore di sicurezza di classe Y con un condensatore normale, cioè privo dei
requisiti voluti dalla normativa EN/IEC 60384-14:2005. Questo errore può sembrare banale, ma può esporre l'utente al rischio di prendere una scossa elettrica
potenzialmente letale. Questo tipo di svista risulta frequente se si ignora che
oltre alla capacità C esistono altri parametri fondamentali nella scelta del condensatore, e soprattutto se la scelta del componente più adatto non è operata
sulla base della conoscenza e del rispetto delle normative vigenti.
Per questo
una conoscenza più ampia dei condensatori appare quanto mai utile e soprat-
80
CAPITOLO 7.
CONCLUSIONI
81
tutto doverosa, a tutti coloro che si occupano di apparecchiature elettriche ed
elettroniche.
Un altro aspetto che traspare da questo elaborato è la scarsità e la diormità di dati forniti dalle aziende rispetto ai condensatori venduti. Se da un lato
infatti la rete internet permette su alcuni e-commerce, come
it.rs-online.com,
la ricerca multiparametro, utilissima nella scelta del componente, dall'altro le
aziende non forniscono la documentazione adatta sui loro prodotti. Questo fatto risulta quanto mai dannoso per la progettazione, infatti il non avere un'idea
chiara dei parametri che caratterizzano i componenti, non permette, di conseguenza, di prevederne il corretto comportamento e quindi utilizzo; ciò obbliga,
nel caso peggiore, lo stesso progettista a vericare i valori di suo interesse. In
altri casi, la maggior parte delle aziende preferisce tacere i dati relativi ad alcuni
parametri sui cataloghi uciali, ma alcune sono disponibili a fornirli su diretta
e precisa richiesta dell'acquirente. In ogni caso quest'ultimo aspetto contribuisce in maniera signicativa ai problemi che si arontano in una progettazione
compatibile elettromagneticamente.
Bibliograa
[1]
Paul Clayton R., 1995, Compatibilità elettromagnetica, Concetti fondametali di elettromagnetismo - applicazioni progettuali, Milano - Italy, Hoepli
Editore
[2]
Matteo
Bertocco,
Alessandro
Sona,
2010,
Manuale
di
compatibilità
elettromagnetica
[3]
AVX Corporation (http://www.avx.com/docs/), 03 agosto2015
[4]
VISHAY (http://www.vishay.com/docs/), 19 settembre 2015
[5]
REO Italia srl (www.reoitalia.it/), 7 settembre 2015
[6]
COMAR condensatori (http://www.comarcond.com/), 13 settembre 2015
[7]
MICROCONTROLLER (www.microcontroller.it/Tutorials/Elettronica/capaciteq),
22 luglio 2015
[8]
Paolo Aliverti, 2015, Elettronica per maker, Guida completa, Italy, Edizioni
LSWR
[9]
VINCENZOV
(www.vincenzov.net/tutorial/elettronica-di-
base/condensatori/), 19 luglio 2015
[10] ATMEL (www.atmel.com/images/doc4279.pdf ), 10-10-2015
[11] Glenn R. Blackwell, 1999, The Electronic Packaging, Handbook, Cleveland
- Ohio (U.S.A.), CRC Press
[12] KEMET
(http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/Attachments/),
20 settembre 2015
[13] Tesista: Eric Paoloni, Relatore: Ing. Michele Mengoni, Correlatore: Ing.
Davide Gennaretti, Anno accademico 2013/2014, Tecniche di riduzione delle interferenze elettromagnetiche nei caricabatterie per autotrazione, Tesi
di Laurea in Sistemi di Conversione dell'Energia Elettrica LM, Università
degli Studi di Bologna Campus di Cesena
82
BIBLIOGRAFIA
83
[14] Dottoranda: Vittoria Serrao, Docente guida: Prof. A.Di Napoli, Coordinatore: Prof.E,Bemporad, Studio delle problematiche di compatibilità elettromagnetica negli azionamenti elettrici, Dottorato di Ricerca in Ingegneria
Meccanica ed Industriale, Università degli studi di Roma Tre