Il condensatore e’ un elemento fondamentale in ogni circuito elettronico
Introduzione
Se analizzate un qualsiasi schema elettrico di un qualsiasi circuito elettronico, soprattutto sulla parte di alimentazione, sono posti in parallelo all’uscita di regolazione, generalmente, più di un condensatore in parallelo che svolgono la funzione di filtro.
Molto spesso mi viene posta la domanda del perché sui circuiti integrati non c’è un singolo condensatore ma più di uno?
I motivi sono diversi e li analizzeremo in seguito in questo articolo.
Specifiche di progetto
Nella fase precedente al progetto di un sistema è necessario emettere delle specifiche , cioè bisogna indicare le caratteristiche desiderate e le prestazioni del dispositivo elettronico che si vuole realizzare.
Per esempio, se dobbiamo progettare un alimentatore una delle specifiche che dobbiamo fornire è sicuramente il ripple massimo (ondulazione della tensione ) che la tensione d’uscita deve avere. Esso infatti è un parametro fondamentale di un alimentatore poiché un ripple eccessivo potrebbe causare dei mal funzionamenti nel dispositivo connesso all’alimentatore.
Una delle soluzioni per ridurre al minimo il ripple d’uscita è quella di usare un filtro , generalmente, di tipo capacitivo.
La selezione del condensatore, idoneo per il nostro progetto, può essere scelta dalle seguenti caratteristiche:
- Valore di capacità
- Massimo ESR
- Dimensioni fisiche
- Il costo
- Vita operativa
Capacità
Prendiamo sempre l’esempio riportato in precedenza, per dimensionare un filtro, dobbiamo selezionare il valore opportuno del nostro condensatore, che va selezionato in funzione dell’assorbimento massimo del carico, dall’entità del ripple ecc. (dimensionare il valore opportuno di un condensatore sarà argomento di un altro articolo).
Massimo ESR
Il condensatore, come tutti i componenti, non ha caratteristiche ideali, ma esso presenta, sui suoi terminali, degli elementi spuri , rappresentati da un resistore e da un induttore come in figura 1
Il valore del resistore è legato alle perdite nel dielettrico che non è un isolante perfetto e dalle connessioni dei terminali e delle armature del condensatore che non sono fatte da conduttori perfetti.
Per i motivi visti in precedenza vale lo stesso discorso per l’induttore serie, che può essere trascurato a frequenze sotto il Mhz.
Dimensioni fisiche
In alcuni sistemi, le dimensioni fisiche, come l’altezza massima, devo essere limitate a pochi centimetri, o addirittura pochi millimetri, in questo caso valori di capacità troppo elevate, non possono essere usate, e quindi bisogna raggiungere un compromesso progettuale, usare condensatori di capacità inferiore, che hanno dimensioni minori, e aggiungerle in parallelo per soddisfare i requisiti di progetto.
Costo
Il costo di produzione di un sistema, è fondamentale, può determinare il successo di un prodotto, quindi, nella fase progettuale bisogna anche selezionare dei componenti che abbiano le caratteristiche giuste e allo stesso tempo soddisfare i limiti del costo imposto.
L’ingegnere è considerato bravo se riesce a progettare dei dispositivi non solo funzionali, ma con il minor costo possibile a parita’ di caratteristiche.
Vita operativa
Il condensatore, come tutti i componenti elettronici, sono testati in particolari condizioni ambientali ed elettriche, fino a portarli in condizioni estreme, per valutarne l’affidabilità e la vita media del componente. Da questi test si determina, la vita media di un dispositivo.
Le otto ragioni per le quali bisogna usare più condensatori in parallelo
Gli otto motivi principali per i quali bisogna usare più di un condensatore in parallelo sono i seguenti:
- Il valore di capacita’ del condensatore
- Dimensioni fisiche
- Costo
- Riuso della BOM
- ESR
- Maggiore longevità
- Ridondanza
- Picchi di corrente
Analizziamo nel dettaglio ogni singolo punto.
Il valore di capacità del condensatore
Supponiamo che dobbiamo realizzare il seguente circuito:
In uscita al circuito otteniamo la seguente forma d’onda:
La relazione che lega tensione ripple (Vrip ) al condensatore d’uscita è data dalla seguente equazione:
* Iload è la corrente che scorre nel carico
* f è la frequenza della tensione d’ingresso, che in Italia vale 50 Hz (Nota è stata moltiplicata per 2 poiché’ il ponte raddrizza entrambe le semionde)
* C è il valore della capacità di filtro posta in uscita.
Possiamo osservare dall’equazione, riportata sopra, che la diminuzione della tensione Vrip è legata al valore del condensatore, poiché la corrente di carico è imposta dal progetto, la frequenza della rete elettrica è costante, pertanto possiamo agire solo sul valore del condensatore.
Una volta stabilito il valore massimo della tensione di ripple, possiamo immaginare di usare un singolo condensatore con una capacità adeguata al nostro scopo, cioè che ci consente di abbassare il ripple al disotto del livello massimo consentito per il nostro progetto.
Questa scelta potrebbe andare in contrasto con i punti riportati nel paragrafo precedente, soprattutto le dimensioni fisiche, potrebbero eccedere oltre il limite massimo imposto dalle specifiche di progetto.
Dimensioni fisiche
All’aumentare del valore della capacità di un condensatore corrisponde una maggiore dimensione, se nel nostro progetto ci sono delle specifiche che limitano le dimensioni dello spessore del circuito elettronico, va da sé che non possiamo usare un unico condensatore di capacità elevata, ma possiamo soddisfare comunque le specifiche usando più di un condensatore in parallelo in modo da raggiungere il valore desiderato.
Costo
Supponiamo che per il nostro progetto abbiamo bisogno di un condensatore da 1000 uF, ma se noi facessimo una ricerca, per esempio su Digikey (distributore di componenti elettronici) potremmo osservare che il costo del suddetto condensatore potrebbe essere maggiore di tre condensatori di 330 uF.
Molto spesso si preferisce usare un maggior numero di condensatori di valore inferiore, di facile reperibilità e da un costo complessivo inferiore di un singolo condensatore di valore maggiore.
Riuso della BOM
L’acronimo BOM sta per Bill of Material, tradotto in italiano: distinta di materiale.
L’uso di condensatori da 330 uF è moto più frequente rispetto ai condensatori da 1000 uF.
Usare condensatori da 330 uF, ci consente di riusare condensatori acquistati per precedenti progetti, pertanto, possiamo in questo modo far abbassare i costi poiché il volume dei pezzi acquistati sarebbe maggiore.
ESR
Uno dei parametri più importanti per la selezione di un condensatore è il valore del resistore spurio serie, anche definito ESR.
Il valore dell’ESR deve essere il più basso possibile, poiché la corrente che circola, durante la carica e al scarica del condensatore attraversa il resistore ESR, ed è inevitabile la dissipazione di potenza ai capi dell’ESR che si trasforma in calore per effetto joule (vedi equazione riportata di seguito), quindi un maggiore valore di ESR comporta una maggiore temperatura del contenitore del condensatore.
Inserire più condensatori in parallelo, mette anche in parallelo i resistori ESR , facendone diminuire il valore, nella figura 4 ci sono quattro condensatori in parallelo, dove il valore della capacità e la somma delle singole capacità, mentre il valore di resistenza dei quattro ESR diminuisce, data dalla relazione riportata di seguito:
Inoltre, usare più condensatori in parallelo fa aumentare la superfice sulla quale il dispositivo può dissipare il calore.
Maggiore longevità
La conseguenza di aumento della temperatura fa incrementare il volume del dielettrico tra le armature e/o farlo asciugare, e questa è una delle cause principali di rottura dei condensatori.
Infatti nel datasheet dei condensatori è indicata la vita media in funzione della temperatura, se essa dovesse aumentare, causerebbe una diminuzione della vita media del componente.
Come abbiamo visto nel precedente paragrafo, mettere i condensatori in parallelo causa una diminuzione del valore ESR, della potenza dissipata, e della temperatura interna oltre ad aumentare la superfice di dissipazione della temperatura.
Ridondanza
Avere più condensatori in parallelo aumenta l’affidabilità. Se un condensatore , dovesse avere un problema, per esempio, il valore della sua capacità dovesse aumentare, i condensatori posti in parallelo potrebbero in parte sopperire alla rottura di uno di essi.
Picchi di corrente
Con una configurazione multi condensatori, come in figura 5, ha il vantaggio di migliorare la gestione dei picchi di corrente, infatti, se ad ogni condensatore inseriamo una pista dedicata, sul PCB, si aggiunge un maggior numero di percorsi per la corrente facendo diminuire il valore di resistenza di connessione e quindi una minore inerzia del sistema.
