I condensatori, in qualità di mattone
fondamentale per il progettista elettronico, sono usati per gestire l'energia
all'interno dei circuiti al fine di raggiungere obiettivi quali filtrare il
rumore, interfacciare livelli di tensione differenti, immagazzinare energia e
migliorare la qualità dell'alimentazione. Poiché, da una parte, gli utenti
finali si aspettano di più dai loro apparati e, dall'altra, l'elettronica sta
conquistando un numero sempre maggiore di applicazioni, incluse quelle relative
agli ambienti inaccessibili all'uomo, questi componenti devono soddisfare requisiti
sempre più numerosi. I progettisti stanno richiedendo dispositivi di dimensioni
più ridotte e più sottili, con minori effetti parassiti, vita più lunga, limiti
di temperatura e di tensione più elevati, maggiore stabilità nel tempo e in
temperatura e, infine, prestazioni migliori in alta frequenza, così come
potenziate capacità di scarica e di accumulo energetico pensate per
applicazioni di raccolta dell'energia che siano prive di batterie e per i
circuiti di sicurezza per il mantenimento dell'alimentazione in caso mancanza
di tensione. Queste innumerevoli necessità richiedono progressi significativi in
tutti i tipi di tecnologie dei condensatori, compresi gli elettrolitici, i
ceramici, i polimerici e quelli al tantalio.
Applicazioni
ad alta tensione e ad alta potenza
I condensatori elettrolitici in alluminio
sono solitamente impiegati per regolare la potenza in una vasta gamma di
applicazioni industriali, per l'illuminazione, nell'elettronica di consumo e,
ancora, nell'ambito delle energie alternative. In particolare, l'illuminazione
a Led e gli impieghi nel campo dell'energia solare ed eolica stanno portando
alla nascita di dispositivi compatti capaci di funzionare a tensioni che
raggiungono 450 - 500 V. Lavorando in condizioni operative meno spinte, questi
condensatori possono essere utilizzati senza problemi alle tensioni normalmente
applicate a larghe matrici di Led che contengono molti emettitori in serie. Per
rispondere alla crescente domanda di trasformatori elettronici da impiegare
nelle lampade fluorescenti compatte, così come di circuiti di pilotaggio per Led,
sono stati lanciati sul mercato alcuni condensatori elettrolitici ad alta
potenza e a montaggio superficiale, che offrono una durata fino a 10000 ore,
paragonabile, quindi, alla lunga vita utile delle lampade fluorescenti compatte e degli emettitori Led.
Nelle applicazioni legate alle fonti energetiche alternative, sono necessari
condensatori elettrolitici robusti per gli inverter Dc/Ac che collegano il
generatore alla rete elettrica. Similmente, nelle turbine eoliche viene
impiegato un gran numero di condensatori elettrolitici ad alta tensione allo
scopo di livellare la tensione del collegamento in continua che alimenta gli
inverter. Tale sistema è utilizzato per trasformare l'uscita pura del
generatore in alternata pilotato dalla turbina, che presenta una frequenza
variabile legata alla velocità del rotore, in un segnale alla frequenza e alla
tensione corretta per essere immesso in rete. I condensatori di livellamento
della tensione nei collegamenti in continua devono, a loro volta, essere in
grado di gestire correnti di ondulazioni di tensione elevate per sopportare le
possibili variazioni di carico e raggiungere un tempo di vita lungo allo scopo
di ridurre al minimo i costi di manutenzione. In virtù del fatto che si sta
diffondendo il concetto di generazione distribuita di energia da fonti
rinnovabili, sta crescendo anche la domanda di condensatori più piccoli a film,
che siano adatti per il livellamento in apparati di micro-generazione. I
condensatori radiali a film C4AE per collegamenti in continua (DC-Link) di Kemet sono
ottimizzati per questo tipo di applicazioni e hanno una bassa resistenza-serie
equivalente, caratteristica, quest'ultima, che non solo contribuisce a
migliorarne l'efficienza energetica ma ne riduce anche il riscaldamento
interno, così da permettere una gestione termica più semplice negli apparati a
basso costo destinati agli impieghi di largo consumo. Grazie alle
caratteristiche potenziate del film dielettrico, la serie di condensatori C4AE
è in grado di funzionare fino a 105°C, soddisfacendo così i requisiti di
specifiche applicazioni quali la generazione fotovoltaica, la ricarica delle
batterie dei veicoli elettrici e le alimentazioni industriali. Per ridurre il
valore della resistenza-serie equivalente, è stata messa in atto una
combinazione di diversi elementi innovativi: elettroliti ad alta conduttività,
ottimizzazione delle geometrie interne e processi produttivi perfezionati,
come, ad esempio, la saldatura dei terminali con sistema a controllo visivo.
Condensatori
ceramici multistrato piccoli e a prova di guasto
I condensatori a chip ceramico multistrato
trovano largo impiego in funzioni di disaccoppiamento, filtraggio, bypass e
livellamento. Queste tipologie di condensatori offrono tipicamente capacità
elevate pur mantenendo dimensioni ridotte, caratteristica che consente ai
progettistici di miniaturizzare le schede circuitali e le scatole di giunzione.
Ulteriori migliorie che ne riducano ulteriormente la grandezza o che, allo
stesso modo, ne abbassino il costo e ne potenzino le prestazioni, permettono
sempre più di impiegare questi dispositivi in applicazioni che di norma vedono
l'utilizzo di condensatori al tantalio, ad alluminio o a film. Kemet ha
recentemente annunciato dei nuovi condensatori ad alta tensione con dielettrico
X7R, i quali presentano una tecnologia proprietaria per la struttura di
supporto tale da consentire la sovrapposizione verticale di due condensatori
ceramici multistrato all'interno di un singolo contenitore di tipo EIA 2220, raddoppiando in questo modo la capacità rispetto all'area del circuito
stampato. Tali famiglie di dispositivi della serie KPS sono disponibili con
tensioni di funzionamento di 550 e 630 V in continua e hanno inoltre valori
bassi di resistenza-serie equivalente e induttanza-serie equivalente, che li
rendono adatti per applicazioni quali circuiti di livellamento per alimentatori
a commutazione, soppressori nei trasformatori delle lampade fluorescenti e,
infine, per funzioni di accoppiamento ad alta tensione e soppressione della
corrente continua negli inverter. Una tecnologia d'avanguardia dell'involucro
esterno aiuta a contrastare l'insorgere di cricche da flessione che,
storicamente, hanno rappresentato la principale causa di rottura meccanica per
i condensatori ceramici multistrato. La serie KPS si distingue infatti per una
tecnologia di isolamento meccanico in grado di fornire le più avanzate
prestazioni in caso di stress meccanici e termici, tanto da resistere a
deflessioni che raggiungono i 10 mm quando la scheda stessa del circuito si
piega. Kemet, per ridurre i problemi legati alla flessione, ha sviluppato
diverse tecnologie che trovano già impiego in tutta quella gamma di prodotti
che comprende i dispositivi a modalità aperta e a elettrodo flottante con tecnologia
“Fail-open”, che, in caso di
danneggiamento meccanico, riesce ad evitare che si instauri un corto circuito
resistendo a flessioni di 2 mm. I più recenti condensatori con dielettrico C0G
e con l'ultrastabile X8R presentano una tecnologia a terminazioni flessibili che convoglia le sollecitazioni della scheda circuitale lontano dal corpo
ceramico e le scarica sull'area di terminazione, consentendo al dispositivo di
resistere a flessioni che arrivano a 5 mm. Sono inoltre disponibili anche dispositivi
ibridi che combinano diverse tecnologie: anti-cortocircuito con terminazioni
flessibili oppure a elettrodo flottante con terminazioni flessibili. I condensatori di tipo FT-CAP C0G di Kemet hanno un
dielettrico potenziato per le alte temperature che li rende adatti per impieghi
fino a 125°C, mentre la serie X8R mantiene i valori di capacità stabili fino a
una temperatura di 150°C. Esistono specifiche versioni dei condensatori X7R e C0G,
qualificate per applicazioni automobilistiche, che forniscono, ad alta
temperatura, le proprietà richieste per controllare i fari che montano lampade
a scarica ad alta intensità. Le proprietà di funzionamento ad alta temperatura
risultano particolarmente necessarie nei controllori di livello superiore che
integrano sia il circuito di innesco sia quello di trasformazione e limitazione
della corrente di pilotaggio: in questi casi il condensatore di spunto può
essere, infatti, sottoposto a temperature che raggiungono i 150°C. Per tale
applicazione è possibile usare anche condensatori a film evoluti.
Sviluppi dei
condensatori al tantalio
Un ulteriore sviluppo tra le famiglie dei condensatori
più evoluti di oggi è rappresentato dall'avvento di condensatori al tantalio
con fusibile di protezione integrato, dispositivi realmente anti-cortocircuito,
da utilizzarsi per applicazioni che richiedono alta affidabilità, dove un
cortocircuito provocato dal guasto di un condensatore comprometterebbe il
funzionamento dell'intero sistema. Tali applicazioni comprendono sia il
disaccoppiamento e il filtraggio nel campo dell'elaborazione, delle
telecomunicazioni e in quello militare, sia impieghi industriali come il
filtraggio per convertitori Dc/Dc nel punto di carico e alimentatori a
commutazione, i quali necessitano di fusibili di protezione integrati. Si
tratta spesso di applicazioni ad alta corrente, nelle quali possono generarsi
correnti di guasto elevate e, contemporaneamente, le resistenze-serie, a
protezione del condensatore, sono di valore ridotto o addirittura nullo. Kemet
ha creato la famiglia di prodotti commerciali al tantalio T496 MnO2,
che è dedicata specificatamente ai tipi di impiego descritti in precedenza,
grazie al fatto che i suoi dispositivi comprendono al proprio interno un
fusibile che si apre entro un secondo dall'istante in cui viene rilevata una
corrente di guasto, così da garantire che il condensatore rimanga isolato dal
resto del circuito. I condensatori al tantalio sono richiesti anche per essere
utilizzati in unità a stato solido, in schede di rete per collegamenti senza
fili e infine in sistemi Gps, tutte applicazioni che traggono vantaggio dalle
caratteristiche di elevata capacità, bassa resistenza-serie equivalente e
ridotte dimensioni, tipiche di questi componenti. Le versioni più recenti di
tali prodotti combinano, infatti, migliori caratteristiche in termini di capacità
e di resistenza-serie equivalente con un'altezza contenuta dopo il montaggio, e
una struttura completamente a stato solido. Un'ulteriore innovazione
tecnologica è costituita dai condensatori polimerici al tantalio impilati, che
presentano, sul catodo, uno strato di polimero organico conduttivo e
sovrappongono due, tre, quattro oppure sei componenti discreti impilandoli in
un unico dispositivo finale. Questi dispositivi
uniscono valori di capacità elevati con resistenze-serie equivalenti molto
basse e correnti di ripple
significative, proprietà che li rendono adatti per gli alimentatori.
Condensatori
a film polimerico
Le nuove tecnologie di condensatori polimerici permettono
ai progettisti di ridurre il numero complessivo di condensatori da utilizzare
e, di conseguenza, di abbassare i costi delle distinte base in applicazioni
come, ad esempio, radar a impulsi oppure convertitori Dc/Dc nel punto di carico
e alimentatori a commutazione, che trovano impiego nei settori informatico,
industriale, militare e delle telecomunicazioni. Questi dispositivi hanno
inoltre una ridotta resistenza-serie equivalente e un'elevata capacità di
dispersione del calore, che comporta una corrente di ripple maggiore rispetto ai dispositivi analoghi in biossido di
manganese. La serie di condensatori polimerici Cots T543 di Kemet unisce le più
recenti tecnologie polimeriche disponibili in commercio con ulteriori e
stringenti test di selezione che comprendono una prova ad alta temperatura e
alta tensione per una durata di almeno 24 ore e l'applicazione di sovracorrenti
a +25°C oppure a -55°/+85°C. I dispositivi, inoltre, si distinguono per avere
una modalità di guasto “benigna”. La garanzia di affidabilità a lungo termine
consente, infine, ai progettisti di impiegare fino al 90% in meno di
condensatori nei nuovi progetti di gestione della potenza.
