condensatori

ITI OMAR NOVARA
TDP Elettronica
CONDENSATORI
principali parametri e grafici caratteristici
I parametri forniti dal costruttore sul foglio tecnico di una famiglia di condensatori sono
riassunti in una tabella, che comprende i valori massimi assoluti e quelli tipici, rimandando
poi a grafici specifici per taluni parametri che possono subire delle variazioni.
Il contenuto tipico di questa tabella è il seguente (è stato scelto ad esempio un condensatore
ceramico multistrato per montaggio superficiale di produzione Philips):
ELECTRICAL CHARACTERISTICS
The capacitor meet the essential requirements of “IEC 384-9”. Unless stated otherwise all electrical
values apply at an ambient temperature of 20±1 °C, an atmospheric pressure of 86 to 106 Kpa and a
relative humidity of 63 to 67%.
DESCRIPTION
VALUE
1 Capacitance range, measured at 1 KHz, 1V
10 nF to 1 µF (E 12 series)
2 Tolerance on capacitance, after 1000 hours
±10%
3 Dielectric material
X7R
4 Terminations
AgPd and NiSn
5 Rated DC voltage
500 V
6 DC test voltage of coating; duration 1 minute
1250 V
7 Insulation resistance at 500 VDC after 1 minute
C < 10 nF
C > 10 nF
>100 Gohm
Rp x C > 1000 sec
8 Tan δ measured at 1 KHz, 1 V
<3.5%
9 Category temperature range
-55 to +125 °C
10 Capacitance change as a function of temperature
see figure
11 Capacitance change as a function of frequency
see figure
12 Ageing
typical 1.5% per time decade
Analizziamo le specifiche fornite:
1) Il valore nominale viene specificato per tutta la serie, specificando se vengono forniti i
valori intermedi secondo una determinata serie standard
2) Un costruttore coscienzioso specifica la tolleranza misurata dopo un opportuno tempo di
lavoro del componente, con valori che possono variare a seconda delle serie, con serie
speciali di elevata precisione (±1%) su richiesta
3) Non sempre viene specificata la composizione del dielettrico usato, specie se ceramico; è
utile conoscerlo se vengono poi riportati dei grafici che ne evidenzino il comportamento
4) In questo caso non si tratta di reofori ma di paste metalliche per saldatura Smd
5) La tensione massima di lavoro (che può variare all’interno di una stessa serie) non va
superata, anche se esiste un certo margine di sicurezza
6) Questa tensione – che è superiore a quella indicata nel punto 4) ed è superiore a quella –
indica la massima tensione applicabile fra involucro e terminali, ed è utile nel caso in cui il
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componente venga in contatto con una pista del circuito stampato o con un altro
conduttore
7) La resistenza di isolamento è quella offerta dal dielettrico (è in pratica la Rp del circuito
equivalente, vedi pagina seguente), ed è misurabile solo in continua.
In questo caso, a causa della differente struttura del componente a seconda del valore
capacitivo, vengono specificati due valori: uno fisso per capacità fino a 10 nF, ed uno
proporzionale alla capacità per valori superiori ai 10 nF; si noti che in questo caso il calo
del valore di Rp produce comunque una costante di tempo di autoscarica superiore ai
1000 secondi
8) La misura del tan δ - essendo funzione della frequenza e della tensione applicata (vedi
formula a pagina seguente) - viene fornita indicando le effettive condizioni di test
9) La gamma di temperatura operativa può essere anche molto differente a seconda del tipo
di condensatore, e a questo proposito il costruttore specifica anche la gamma di
temperature idonee all'’immagazzinamento (storage temperature)
10) e 11) si vedano oltre i grafici relativi
12) con questo termine si indica il comportamento del componente con l’invecchiamento: in
questo caso i vari parametri specificati non variano di oltre l’1.5% anche dopo 10 anni di
utilizzo continuativo.
Coefficiente di temperatura
Poiché la variazione della capacità con la temperatura non è di tipo lineare a causa dei
complessi fenomeni relativi alla deriva della costante dielettrica, per i condensatori non è
possibile fornire un “coefficiente di temperatura” valido sull’intero range termico, ma è più
opportuno fornire un grafico che indichi – per ciascuna temperatura – la variazione
percentuale della capacità rispetto al valore alla temperatura di riferimento.
Variazione della
capacità in funzione
della temperatura, con
riferimento a 20 °C:
come si può notare, il
costruttore indica anche
i limiti garantiti e la
possibile variazione a
seconda dei valori
capacitivi
Variazione della capacità con la frequenza
Per alcuni tipi di dielettrici – soprattutto quelli plastici – la costante dielettrica può subire delle
derive con la frequenza, per cui occorre tener conto dell’instabilità del valore capacitivo. Per
questo motivo il costruttore evidenzia in un apposito grafico questa deriva, dove la variazione
viene espressa in valore percentuale rispetto al valore a 20 °C (figura a pagina seguente):
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Variazione della capacità
in funzione della frequenza
del segnale applicato, con
riferimento a 1 KHz. Come
si può notare, a seconda
dei valori capacitivi la
stabilità in frequenza è
differente. Questo è
l’andamento di
condensatori a film di
poliestere di produzione
Philips
Variazione della capacità con la tensione
Sebbene indicato solo da alcuni costruttori, la
costante dielettrica di molti materiali può
variare con la tensione applicata, facendo sì
che di fatto il condensatore evidenzi un
“coefficiente di tensione” spesso non
trascurabile, come evidenziato ad esempio
per questi condensatori ceramici multistrato
per montaggio superficiale di produzione
Philips.
Circuito equivalente
Il comportamento elettrico di un generico
condensatore può essere interpretato
ricorrendo al circuito equivalente qui a fianco
riportato: esso tiene conto dei principali effetti
parassiti, e precisamente:
C è la capacità vera e propria
Rp (resistenza parallelo) rappresenta la resistenza interna del dielettrico, che teoricamente
dovrebbe essere infinita (se il dielettrico fosse ideale). In realtà ogni materiale utilizzato
come dielettrico (tranne il vuoto) presenta una resistenza la quale, seppur molto elevata,
permette però il passaggio di una debole corrente di perdita (detta anche corrente di
fuga). Per i condensatori ceramici descritti dalla tabella della prima pagina, questa
resistenza vale ad esempio oltre 100 gigaohm!
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Rs (resistenza serie) rappresenta la resistenza offerta dalle armature e dai terminali. Infatti,
ad alta frequenza, ci si aspetterebbe che il condensatore offra una reattanza nulla, ma
l’inevitabile presenza della resistenza-serie lo impedisce. E’ ovvio che, se il
condensatore è di tipo avvolto, la resistenza serie offerta dalle armature (un sottile strato
di alluminio) non è più trascurabile.
Ls (induttanza serie) rappresenta la componente induttiva dovuta al fatto che per i
condensatori di tipo avvolto la corrente che percorre le armature subisce una limitazione
direttamente proporzionale alla frequenza, come per un vero e proprio induttore; anche
per i condensatori non avvolti, comunque, anche i semplici reofori offrono un piccolo –
anche se spesso trascurabile - contributo induttivo.
Comportamento in frequenza
Si noti che la presenza della resistenza Rp
crea problemi soprattutto in continua e alle
basse frequenze in quanto, con
l’aumentare della frequenza, il progressivo
calo della reattanza capacitiva – in
parallelo alla Rp – di fatto “cortocircuita” la
Rp bypassandone gli effetti.
Riportando in un grafico lineare
l’andamento reattanza/frequenza del
parallelo C/Rp si può notare come la
presenza della Rp limiti di fatto la tendenza
della Xc ad assumere valori che tendono
all’infinito alle basse frequenze, facendo sì
che l’impedenza del condensatore in
continua valga proprio Rp (vedi figura).
La presenza della Rs si fa invece sentire
quando – ad elevata frequenza – ci si
aspetta che la reattanza del condensatore
diventi nulla, mentre invece (vedi figura)
tende ad Rs.
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Il valore della componente induttiva viene raramente fornito dal costruttore per i condensatori
ceramici o per montaggio superficiale, mentre per quelli plastici o elettrolitici avvolti si.
L’induttanza-serie aumenta anch’essa il valore dell’impedenza totale alle alte frequenze ma,
mentre la presenza della sola Rs limita semplicemente il calo della reattanza, la reattanza
induttiva aumenta con la frequenza, facendo sì che – oltre una certa frequenza – divenga
prevalente la XL rispetto alla Xc.
In altri termini, al di sopra di quella che
viene definita come “frequenza massima di
lavoro per un condensatore” detta anche
“frequenza di risonanza” (15 MHz nel caso
della figura qui a lato) il componente si
comporta in realtà come un induttore e
non più come condensatore.
Nei fogli tecnici il costruttore fornisce i
grafici impedenza/frequenza con assi
logaritmici, in modo da poter apprezzare
con maggior dettaglio più decadi di valori
ohmici e di frequenza. Ine è un esempio il
grafico sotto riportato, che si riferisce a
condensatori in polipropilene metallizzato
di produzione Philips).
In questa rappresentazione sono
estremamente evidenti le frequenze massime di lavoro, che diminuiscono – com’era
prevedibile - con l’aumentare del valore capacitivo, a causa del maggior numero di
avvolgimenti necessari e quindi del maggior valore induttivo. A questo proposito lo stesso
costruttore fornisce a volte un grafico in cui viene evidenziato il calo della frequenza di
risonanza con la capacità del condensatore (vedi figura a pagina successiva, relativa a
condensatori ceramici Siemens).
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Il confronto deve essere fatto a pari tensione massima di lavoro. Si noti a questo proposito
che un andamento analogo si osserverebbe se, per un medesimo valore capacitivo, si
confrontassero condensatori di diversa tensione nominale. Infatti, per poter aumentare la
tensione massima sostenibile, il costruttore deve utilizzare un dielettrico più spesso per cui,
al fine di ottenere il medesimo valore capacitivo, è costretto ad avvolgere più spire
dell’insieme dielettrico-armature, con la conseguenza di aumentare il valore dell’induttanzaserie e ridurre quindi la frequenza massima di lavoro.
Le perdite
La presenza della resistenza di fuga Rp fa sì che il condensatore sia caratterizzato da quelle
che vengono definite “perdite”. Sebbene la causa delle perdite sia una sola, tuttavia si usa
esprimere le perdite sui fogli tecnici in vari modi, e precisamente cinque:
1) Resistenza di fuga, detta anche resistenza di perdita o di isolamento. è costituita dalla
resistenza-parallelo Rs, e può asumere valori estremamente elevati (come per talune
resine) o invece abbastanza ridotti, come per alcuni tipi di condensatori elettrolitici. Si può
infatti andare da poche decine di Kilohm fino a molti Gigaohm.
Se tale valore
subisce
variazioni
evidenti in
funzione della
temperatura,
allora sul foglio
tecnico vengono
riportati i grafici
relativi, come ad
esempio quello
qui riportato,
fornito da Philips
per i propri
condensatori a
film di poliestere.
2) Corrente di fuga. E’ il valore della corrente che fluisce attraverso la resistenza di
isolamento ad una determinata tensione applicata (solitamente 1 V). E’ importante
conoscerla poiché se ad esempio si isolano due stadi di amplificazione con un
accoppiamento capacitivo, la corrente di fuga attraverso il dielettrico costituisce una
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corrente di polarizzazione per lo stadio successivo, non prevista dal progettista, per cui è
bene che sia la più bassa possibile.
3) Costante di tempo di autoscarica. Rappresenta il prodotto C x Rp, e indica in pratica la
velocità di auto-scarica della capacità attraverso la resistenza di isolamento del dielettrico,
e fornisce un’idea della bontà del condensatore. Nella tabella della prima pagina – come
abbiamo già visto - il costruttore inserisce questo valore alla voce “resistenza di
isolamento”.
4) Tangente di delta (tan δ) o “fattore di perdita o di
dissipazione”. Considerando che un condensatore provoca
uno sfasamento fra la tensione applicata e la corrente che lo
attraversa, viene definito “angolo di perdita” δ (vedi figura a
lato) l’angolo fra la corrente puramente capacitiva e la
corrente totale (somma vettoriale di IC e IR). La tan δ coincide
quindi anche con il rapporto IR/IC. Teoricamente δ dovrebbe
essere ovviamente pari a 0.
5) Coseno dell’angolo fi (cos Φ). Φ è l’angolo di sfasamento
fra la corrente totale che attraversa il condensatore e la
tensione applicata, ed equivale al rapporto fra IR e Itot.
Così come anche molti altri fattori, anche le
perdite possono essere funzione della
temperatura, come è il caso dei condensatori
ceramici multistrato per montaggio superficiale
di produzione Philips il cui grafico è riportato
qui a lato.
Non solo, ma tutti i materiali isolanti
presentano un più o meno spiccato aumento
delle perdite in funzione della frequenza,
come evidenziato ad esempio nel grafico
sottostante, che si riferisce a condensatori a
film di poliestere Philips.
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In realtà, il tan δ è dato dal rapporto fra la porzione resistiva e quella reattiva dell’impedenza
totale, per cui può essere scritta la relazione seguente:
tan δ = |R/X| = {Rp + Rs·[1 + (ω·C·Rp)2]} / { ω·C·Rp2 – ω·L·[1 + (ω·C·Rp)2]}
proprio in base a questa formula è possibile ricavare tan δ per differenti gamme di frequenza,
e il relativo grafico (qualitativo) è quella della figura seguente.
Tensione applicabile alle varie frequenze
Fissata una determinata tensione massima di lavoro per un certo condensatore, questa deve
essere intesa come continua (DC). Se invece si applica una tensione alternata, al crescere
della frequenza aumenterà anche la corrente attraverso il condensatore, che andrà limitata
per non superare la massima corrente sopportabile dai sottili fogli metallici che costituiscono
le armature, ancor più sottili per i condensatori plastici a dielettrico metallizzato.
Per tale motivo il costruttore riporta sul foglio tecnico un grafico che mette in relazione il
rapporto fra ampiezza della tensione AC massima applicabile e frequenza, come mostrato
ad esempio nel grafico sottostante, relativo a condensatori in polipropilene metallizzato di
produzione Philips.
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