I sistemi basati su microprocessore richiedono oggi alimentatori capaci di garantire alte correnti e transienti ultraveloci, con una regolazione molto precisa. Da ciò discende la necessità di condensatori economici e compatti con alti valori di capacità. I condensatori elettrolitici rappresentano la soluzione più comune per queste applicazioni, ma è importante andare oltre la semplice analisi dei dati di capacità e tensione e considerare la resistenza equivalente serie o Esr come elemento di merito.
La Esr: più facile definirla che analizzarla
Il circuito equivalente di un condensatore comprende quattro elementi: la capacità; l'induttanza equivalente serie o Esl (la somma degli elementi induttivi, compresi i terminali); un percorso Dc ad alta resistenza (Rp) in parallelo alla capacità; e la resistenza equivalente serie o Esr (gli effetti resistivi posti in serie alla capacità, riuniti in un singolo elemento). Il valore della Esr varia in funzione della frequenza, della temperatura e dell'età del componente. Solitamente è una caratteristica di rilievo nella scelta di un condensatore elettrolitico.
La costruzione del condensatore
I condensatori elettrolitici in alluminio non di tipo solido possiedono un'armatura anodica realizzata con un foglio di alluminio inciso elettrochimicamente, un dielettrico formato da uno strato di ossido depositato su questo foglio, uno spaziatore in carta per trattenere il fluido conduttivo che costituisce il catodo e un secondo foglio che connette l'elettrolita e i terminali del dispositivo. L'elettrolita fluido penetra nei pori del foglio anodico ossidato massimizzando l'area di contatto e quindi la capacità. La conduttività dell'elettrolita, che varia in funzione della temperatura, è una componente importante della Esr. Le perdite ohmiche prodotte dallo strato di ossido di alluminio variano in funzione della frequenza e si riducono all'aumentare di quest'ultima. Nel corso del tempo l'elettrolita fluido si disperde per evaporazione e diffusione, causando una graduale riduzione della quantità di materiale conduttivo che si traduce in una riduzione dell'area di contatto, con un aumento della Esr e un calo della capacità. Questo processo di “disseccamento”è influenzato dalla temperatura; in particolare, è più veloce nei componenti che operano ad alte temperature o che, essendo esposti a forti correnti di ripple, dissipano più calore nello svolgimento della loro funzione circuitale. Negli elettrolitici in alluminio la Esr diminuisce all'aumentare della temperatura ed i suoi effetti, pertanto, si riducono con il riscaldamento del sistema. Il disseccamento è irrilevante negli elettrolitici in alluminio di tipo solido e nei condensatori “ibridi”, nei quali l'elettrolita liquido è rimpiazzato da un materiale semiconduttore organico polimerizzato. Questa tecnologia presenta una conduttanza specifica circa 10.000 volte maggiore rispetto a quella di un elettrolita liquido.
La tecnologia degli elettrolitici al tantalio
Gli elettrolitici al tantalio possiedono anodi realizzati appunto con questo materiale, utilizzando polvere sinterizzata o fogli piani oppure incisi. Il dielettrico è costituito da uno strato di ossido posto sulla superficie dell'anodo. Nei dispositivi a foglio, il secondo conduttore è costituito da un elettrolita trattenuto da uno spaziatore. Nelle versioni solide lo strato di ossido è ricoperto da un deposito di biossido di manganese.
I terminali del componente contribuiscono in modo sostanziale alla Esr. In un condensatore solido il biossido di manganese è solitamente ricoperto da carbonio e quindi da un metallo come l'argento, che viene saldato al terminale negativo o al contenitore. Nei modelli a foglio la connessione positiva è costituita da un filo saldato di nichel o di acciaio connesso ad un filo di tantalio sull'anodo. Questi dispositivi contengono anche un secondo foglio di tantalio in contatto con l'elettrolita. Alle basse frequenze le perdite dovute all'ossido sono più significative ma il loro contributo decresce all'aumentare della frequenza, divenendo piccolo al confronto della resistenza del materiale di contatto.
Perché la Esr è importante?
I condensatori elettrolitici sono utilizzati come buffer di ingresso per fornire energia quando la tensione di rete è troppo bassa, per immagazzinare energia quando un convertitore Ac/Dc deve adattarsi a un nuovo livello di potenza e per ridurre il rumore di commutazione del convertitore. All'uscita di un convertitore, questi componenti agiscono come filtri e assorbitori di corrente per gli elementi induttivi e, nella conversione Dc/Dc, funzionano come buffer di energia quando cambia la potenza richiesta dal carico. In tutti i casi, le perdite dovute alla Esr inibiscono la possibilità del condensatore di fornire o assorbire carica in modo rapido. All'ingresso, l'aumento della Esr accresce il rumore ad alta frequenza sul condensatore, diminuendo l'efficacia del filtraggio. All'uscita, un valore più alto di Esr provoca un ripple maggiore, influenzando la stabilità dell'anello di controllo. La Esr è particolarmente importante nelle applicazioni caratterizzate da impulsi di corrente a basso duty-cycle e alta frequenza. In questi casi la tensione di ripple dovuta alla Esr sarà maggiore di quanto previsto considerando unicamente il valore di capacità, sebbene la correlazione negativa della Esr rispetto alla temperatura comporti un calo del ripple quando il sistema si riscalda.
Inoltre, l'introduzione di un elemento resistivo in un circuito che i progettisti potrebbero considerare puramente reattivo può portare a spostamenti inattesi nella risposta di fase, anche in questo caso influenzando la stabilità.
Come affrontare il problema?
Alcuni condensatori sono progettati specificamente per avere una bassa Esr, ma non tutti i produttori di condensatori elettrolitici in alluminio dichiarano la Esr nel medesimo modo. Normalmente viene indicato il valore a 25°C e 100 kHz, e viene fornita una formula per calcolare il valore alla effettiva frequenza di funzionamento. Alcuni produttori, però, dichiarano il valore a 120 Hz; altri lasciano al progettista il compito di calcolare questo parametro per la frequenza di interesse, sulla base del fattore di dissipazione (tan∂) e della massima corrente di ripple. Inoltre va considerato che per condensatori di dimensioni e CV confrontabili, un dispositivo di maggiore capacità e minore tensione avrà una Esr più bassa e che la Esr tende a essere inferiore per i dispositivi elettrolitici in alluminio dotati di contenitori sottili e allungati, perché la resistenza del foglio è minore. Anche le grandi dimensioni complessive del contenitore possono ridurre la Esr. Per ottenere una minore Esr alle alte frequenze, é possibile usare più componenti con valori ridotti in parallelo, a scapito però dello spazio occupato sulla scheda. I prodotti sono molto diversi tra loro e quindi, per compiere una scelta ragionata, è necessario un esame dettagliato dei relativi data sheet o la consulenza di uno specialista indipendente come Avnet Abacus.
Nuove soluzioni
Numerosi produttori hanno sfruttato una combinazione di elettroliti liquidi e solidi per realizzare componenti ibridi a Esr estremamente bassa (poche decine di milliohm), con variazioni minime in funzione della temperatura, aumentando al contempo i valori di massima tensione e massima corrente di ripple sopportabili. Poiché la Esr varia con il variare l'area esterna, i produttori di condensatori al tantalio fabbricano dispositivi multi-anodo per i mercati che richiedono alta affidabilità, dispositivi che possono indicare un percorso utile per sviluppi in applicazioni più generali. Ma non sempre la bassa Esr è la considerazione prioritaria; ad esempio, in un settore diverso da quello dei condensatori elettrolitici, Murata in effetti ha aumentato la Esr di alcuni dei propri condensatori Mlcc (Multilayer ceramic chip capacitor) per controllare le risonanze indesiderate che possono ridurre le prestazioni di disaccoppiamento alle frequenze di picco.
Una scelta ragionata nella potenza
La gamma di tecnologie elettrolitiche a disposizione dei progettisti non è mai stata così ampia. Nelle applicazioni di potenza, in particolare, raramente i dati stampati sul componente sono sufficienti per compiere una scelta ragionata. Parlare con uno specialista indipendente che sia in grado di offrire componenti selezionati dai cataloghi dei più grandi produttori mondiali di condensatori è il modo più veloce e sicuro per individuare il dispositivo più adatto a ogni particolare applicazione.
