Cosa non ti insegnano sui condensatori

Nell'ingegneria, adottiamo spesso centinaia di scorciatoie mentali per mantenere la complessità degli argomenti che affrontiamo a un livello gestibile.

Se dovessimo eseguire una simulazione di fisica quantistica ogni volta che facciamo lampeggiare un LED, non concluderemmo mai nulla. Eppure, molte di queste scorciatoie e regole empiriche sono state create in tempi passati, quando l'industria elettronica era radicalmente diversa da quella attuale.

Oggi, stiamo per disimparare cosa sia un condensatore. Inoltre, discuteremo di come utilizzare i condensatori, prendendo in considerazione l'elettronica contemporanea.

Cosa Non È (Più) Un Condensatore

Una delle ipotesi comuni è che il ruolo principale di un condensatore sia quello di immagazzinare carica, come un secchio d'acqua che viene riempito con una tazza e svuotato con un'altra contemporaneamente.

Se vi siete mai trovati in una discussione su "se la corrente passa attraverso un condensatore" e avete deviato più verso la politica che verso la fisica, sapete che le analogie tipiche non hanno molto senso quando è coinvolta la corrente alternata. Un condensatore è semplicemente due conduttori separati da un dielettrico, e da nessuna parte nelle spiegazioni di fisica di base delle sue proprietà troverete una spiegazione di cosa dovreste farne.

Lo stoccaggio dell'energia è solo una delle molteplici funzioni di un condensatore, così come il filtraggio, la modellazione o la modifica dei segnali elettrici e delle impedenze. Tendiamo a pensare a queste come al suo uso principale perché fu il suo primo impiego all'alba dell'elettricità continua e dell'elettroscopio di William Gilbert — inventato nel XV secolo.

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Il Ruolo di un Condensatore

Termini come condensatore di disaccoppiamento e condensatore di bypass sono spesso usati in modo interscambiabile — ho commesso questo errore innumerevoli volte io stesso.

Questo porta a molta confusione, poiché usi diversi spesso richiedono condensatori con differenti parametri elettrici e fisici, come il packaging, le valutazioni di tensione, l'ESR (Resistenza Serie Equivalente), l'ESL (Induttanza Serie Equivalente) e il profilo di auto-risonanza.

I condensatori prendono nomi diversi non solo in base alle tecnologie su cui sono costruiti (ceramici, elettrolitici), ma anche in base ai loro ruoli.

Le sezioni seguenti contengono alcuni dei ruoli più comuni assunti dai condensatori.

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Condensatore di Bypass

Il ruolo di un condensatore di bypass è trasferire energia RF (AC ad alta frequenza ragionevolmente) da una parte della tua scheda all'altra. Come hai appena letto, non si parla affatto di stoccaggio. Per nulla! Un condensatore di bypass riguarda tutto il condurre, non lo stoccare.

Perché ciò avvenga, il condensatore deve essere attentamente selezionato con l'impedenza più bassa possibile alle frequenze di interesse. Questo può essere ottenuto abbinando la sua frequenza di risonanza propria al segnale RF il più possibile.

La frequenza di risonanza propria è la frequenza alla quale la capacità e l'induttanza parassita del condensatore risuonano, e il condensatore presenta l'impedenza più bassa possibile. Matematicamente, è come se capacità e induttanza scomparissero, lasciando solo la resistenza serie equivalente.

Per frequenze superiori alla frequenza di risonanza propria, il condensatore inizia a comportarsi sempre meno come un condensatore e più come un induttore.

Cosa Fare Attenzione

Uno degli errori più comuni commessi quando si utilizzano condensatori di bypass per tenere sotto controllo le emissioni elettromagnetiche (soprattutto quando si tenta di bypassare sui piani di massa), è limitare il loro posizionamento solo alla fonte del rumore che vogliamo affrontare.

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In corrente continua questo avrebbe senso: cortocircuitare il segnale il più vicino possibile alla fonte per ottenere i suoi valori il più bassi possibile, minimizzando la resistenza (impedenza) tra il cortocircuito elettrico (il condensatore) e la fonte.

In corrente alternata, e specialmente nel dominio RF, a causa della natura ondulatoria dei segnali elettrici, l'aumento rapido dell'impedenza tra l'area vicina alla tua fonte di rumore e il resto del piano di massa può essere una fonte di riflessioni. Questo può verificarsi anche sulle tracce, poiché le impedenze più elevate delle vie possono riflettere l'energia RF.

Questo è ciò che sono le riflessioni: energia riflessa a causa di impedenza non corrispondente. Ancora una volta, questo è in conflitto con la descrizione tradizionale di "energia riflessa a causa di linee non terminate", che è solo parzialmente corretta.

Quando si utilizzano condensatori di bypass, si dovrebbe cercare di abbassare l'impedenza dei piani di alimentazione e di massa distribuendo i condensatori sulle tue schede. A seconda della frequenza che si desidera affrontare, dello stack-up dei layer e del materiale dielettrico del PCB, potresti voler considerare condensatori nell'intervallo dei picofarad ai nanofarad.

Condensatore di Decoupling

I regolatori lineari come l'onnipresente 7805 hanno un anello di feedback interno che confronta la tensione di uscita con un riferimento di tensione e regola di conseguenza la corrente per mantenere un'uscita stabile.

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In teoria, i regolatori lineari potrebbero essere utilizzati senza un condensatore esterno — almeno se ignoriamo qualsiasi problema di auto-oscillazione indotta. Per ottenere un'uscita stabile, la corrente richiesta dovrebbe cambiare con una velocità di variazione (slew rate) abbastanza lenta affinché il regolatore lineare possa seguirne le variazioni. Dato che la maggior parte di essi è basata sulla tecnologia BJT degli inizi degli anni '80, queste velocità di variazione non sono affatto rapide.

Allo stesso modo, i convertitori DC-DC a commutazione hanno una frequenza di commutazione fondamentale e non possono regolare l'uscita più velocemente di questa frequenza.

Molti dispositivi digitali moderni generano transitori di corrente con componenti di frequenza di centinaia di megahertz, molto più di quanto qualsiasi regolatore possa seguire (a meno che non stiamo parlando di esotici driver per diodi laser).

I condensatori di disaccoppiamento operano sul confine tra le tensioni stabili regolate dalla circuiteria di alimentazione DC e il consumo intermittente di corrente dei dispositivi digitali moderni.

Anche una piccola impedenza tra l'alimentazione e il dispositivo, di fronte a un picco di corrente, porterà rapidamente a una tensione di alimentazione al di fuori degli intervalli accettabili.

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I condensatori di disaccoppiamento agiscono come depositi di energia localizzati temporanei, riducendo efficacemente l'impedenza di sorgente per valori compresi tra alcuni megahertz e alcune centinaia di megahertz.

Per frequenze superiori ai centinaia di MHz, la maggior parte dei condensatori SMD presenta un'alta impedenza e risulta inefficace, tecniche come la capacità sepolta nello stack dei layer devono essere utilizzate al loro posto.

Cosa Tenere d'Occhio

I condensatori di decoupling sono utili solo in una banda di frequenza relativamente stretta, principalmente a causa delle limitazioni introdotte dalle loro proprietà parassite.

Il parametro principale da monitorare è, ancora una volta, la frequenza di auto-risonanza. I condensatori di decoupling sono efficaci solo a frequenze inferiori alla loro frequenza di auto-risonanza.

Le seguenti regole empiriche sono spesso utili per scegliere quale condensatore usare:

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• DC a ~Khz: non è necessario alcun condensatore, l'alimentatore può reggersi da solo.
• ~Khz a ~Mhz: i valori elevati dei condensatori elettrolitici sono vantaggiosi per la gamma di frequenze più basse, ma la loro alta impedenza in serie limita le loro prestazioni inducendo una bassa frequenza di auto-risonanza. Nella gamma dei Mhz, molti condensatori elettrolitici sono già fortemente induttivi.
• ~Mhz a 200Mhz: i condensatori ceramici, a seconda del dielettrico, delle dimensioni del package e della tecnologia costruttiva, coprono solitamente questa gamma.
• Sopra i 200Mhz: i condensatori ceramici iniziano a diventare inefficaci. In questo scenario, sarebbe meglio se si utilizzassero tecniche di capacità sepolta al loro posto.

Condensatore di Massa

I condensatori di grande capacità sono utilizzati per mantenere stabile la tensione durante l'assenza di cicli della linea elettrica e per supportare la richiesta di corrente di picco, e sono solitamente elettrolitici a causa dell'alta capacità necessaria per questo ruolo.

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Quello che Non Ti Insegnano sui Condensatori Ceramici

I condensatori ceramici sono senza dubbio il componente passivo per eccellenza nell'industria elettronica odierna, e la loro capacità volumetrica è migliorata a un ritmo paragonabile alla densità dei transistor nel silicio, consentendo gran parte del moderno design ad alta densità.

Sono davvero una meraviglia della tecnologia, ma hanno anche alcune peculiarità di cui dovresti essere a conoscenza.

Minore è Meglio

La ceramica è un materiale meraviglioso, ma è anche fragile. I condensatori ceramici possono creparsi a causa della flessione della scheda PCB, ad esempio durante l'assemblaggio di schede più grandi (o pannelli), spezzando in modo improprio le schede con taglio a V, o se i prodotti vengono maneggiati in modo inappropriato durante la spedizione.

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La crepatura da flessione è un fenomeno pericoloso: se il condensatore è utilizzato su linee elettriche in grado di sostenere alte correnti, può spesso fallire in cortocircuito e causare un incendio.

Contrariamente alla saggezza popolare, un condensatore più piccolo ha prestazioni sia elettriche che meccaniche superiori. Sono meno inclini a rompersi e hanno una frequenza di auto-risonanza più alta.

Se il tuo prodotto necessita di alta affidabilità sotto stress meccanici, ci sono alcune tecniche che puoi utilizzare per ridurre questo tipo di guasto.

• Non posizionare i condensatori con il lato lungo nella stessa direzione in cui si flette la scheda.
• Usa condensatori più piccoli come 0402
• Usa condensatori con terminazione morbida che non si cortocircuitano sotto stress, e/o condensatori ceramici valutati X2/Y2 che si aprono in corto
• Disegna i percorsi intorno ai tuoi condensatori per alleviare lo stress meccanico
• Assumendo che tu abbia scelto condensatori che si aprono in caso di rottura, usa sempre almeno due di essi in parallelo, così che il tuo circuito possa avere abbastanza capacità per continuare a funzionare normalmente quando uno di essi si rompe

Il Dielettrico Conta, e Molto

C0G, X7R… i dielettrici hanno nomi strani e un insieme misto di proprietà. Ecco le loro caratteristiche e quando danno il meglio di sé.

• C0G/NP0: Questi sono i condensatori ceramici più sofisticati sul mercato. Tipicamente, sono disponibili da 1pF a 100nF e hanno una tolleranza del 5%. NPO sta per positivo-negativo-zero, la forma del grafico del coefficiente del condensatore, che appare piatto nell'intervallo di temperatura. Sono ciò che dovresti usare quando sono richiesti valori precisi e stabilità.
• X7R: Il cavallo di battaglia moderno. Hanno eccellenti coefficienti di tensione e temperatura e sono popolari tra 100pF e 22uF. Sono i più utilizzati per applicazioni di decoupling e hanno un ampio intervallo di temperatura da -55°C a 125°C.
• X5R: Simile a X7R ma classificato per 85°C invece di 125°C.
• Y5V: Può raggiungere valori di capacità estremamente elevati ma con bassi rating di tensione e temperatura (fino a una perdita consentita dell'82% della capacità).
• Z5U: Similmente a Y5V, i condensatori Z5U mostrano scarse prestazioni di tensione e temperatura e sono estremamente economici. Classificati solo fino a -10°C. Utilizzati solo in apparecchiature di consumo a basso costo per il decoupling.

Cosa Fare Attenzione

Abbinare condensatori con dielettrici differenti può portare a risultati inaspettati.

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Ad esempio, i condensatori Z5U sono molto convenienti e utilizzano un dielettrico di titanato di bario. Questo materiale ha una costante dielettrica elevata, che consente un eccellente rapporto capacitivo-volume, e una frequenza di risonanza propria comunemente tra 1MHZ e 20 MHZ.

NPO si comporta meglio a frequenze superiori a 10Mhz, quindi perché non mescolarli per ottenere una prestazione a larga frequenza?

Sfortunatamente, quando i condensatori Z5U e NP0 sono connessi in parallelo, il materiale con la costante dielettrica più alta smorza la frequenza di risonanza dell'NPO, e la combinazione risulta in una prestazione complessiva peggiore rispetto a quella di un buon Z5U di qualità.

Il "perché", tuttavia, è decisamente al di là del mio livello di competenza. Se capisci questo fenomeno, per favore scrivimi una lettera.

Assorbimento Dielettrico

Se cortocircuiti l'uscita di un condensatore carico, ti ritroverai con un condensatore completamente scarico seduto sul tuo banco di lavoro che ti guarda con occhi rattristati. Tuttavia, questo non è sempre il caso. Quasi tutti i condensatori, con l'unica notevole eccezione dei condensatori a vuoto, trattenono parte della loro carica dopo essere stati scaricati.

Il fenomeno si verifica perché i dipoli molecolari orientati casualmente vengono allineati nel tempo dal campo elettrico, e la loro nuova orientazione viene mantenuta anche in sua assenza.

I condensatori ceramici possono trattenere fino allo 0,6% della tensione caricata per gli NP0 e il 2,5% per gli X7R.

Capacitanza Dipendente dalla Tensione

I condensatori Y5V possono perdere fino all'82% della loro capacitanza alla tensione nominale, mentre i condensatori NP0 hanno una risposta quasi piatta.
Se hai applicazioni in cui devi variare la tensione di uscita, ad esempio attraverso la fonte di tensione configurabile richiesta dallo standard USB-PD di cui ha parlato Mark Harris nel suo articolo recente, potresti trovarti di fronte a prestazioni del circuito apparentemente imprevedibili.

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