CONDENSATORI. principali parametri e grafici caratteristici

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1 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 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 8 Tan δ measured at 1 KHz, 1 V <3.5% >100 Gohm Rp x C > 1000 sec 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 Condensatori parametri e grafici caratteristici pag. 1

2 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): Condensatori parametri e grafici caratteristici pag. 2

3 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 C è la capacità vera e propria 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: 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! Condensatori parametri e grafici caratteristici pag. 3

4 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. Condensatori parametri e grafici caratteristici pag. 4

5 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 X L 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). Condensatori parametri e grafici caratteristici pag. 5

6 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 Condensatori parametri e grafici caratteristici pag. 6

7 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 I C e I R ). La tan δ coincide quindi anche con il rapporto I R /I C. 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 I R e I tot. 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. Condensatori parametri e grafici caratteristici pag. 7

8 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 Rp 2 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. Condensatori parametri e grafici caratteristici pag. 8