Condensatori polarizzati

CONDENSATORI ELETTROLITICI

I condensatori elettrolitici si basano sulla passivazione dell’alluminio, cioè sulla pellicola isolante di ossido, estremamente sottile, che fa da dielettrico fra il metallo e una soluzione elettrolitica acquosa: per questo essi hanno una polarità ben precisa che deve essere rispettata pena la possibilità di esplosione del condensatore. Inoltre, vista la esiguità fisica del dielettrico, non possono sopportare tensioni molto alte.

 

Quando sono necessarie capacità estremamente elevate si devono utilizzare condensatori elettrolitici, perchè i utilizzando condensatori non polarizzati questi assumerebbero dimensioni proibitive. I condensatori elettrolitici sono composti da un elettrodo (anodo), sul quale viene formato uno strato di ossido con elevata costante dielettrica che funge da isolante. L’altro elettrodo (catodo) è costituito da un elettrolita, un fluido elettricamente conduttore di solito formato da una soluzione salina od acida, e da un secondo elettrodo metallico che, nella maggior parte dei casi, coincide con il contenitore stesso. In quest’ultimo caso, l’involucro metallico esterno stabilisce il collegamento tra l’elettrolita ed il terminale negativo del condensatore. Lo spessore dello strato di ossido varia in funzione della tensione di lavoro, e normalmente assume valori dell’ordine degli 0,001 µm. Il piccolo spessore dello strato, e la sua costante dielettrica relativamente elevata, permettono di ottenere valori capacitivi molto elevati. I condensatori elettrolitici possono essere a base di alluminio o di tantalio.
Nei condensatori elettrolitici non è presente un materiale dielettrico, ma l’isolamento è dovuto alla formazione e mantenimento di uno sottilissimo strato di ossido metallico sulla superficie di una armatura. A differenza dei condensatori comuni, la sottigliezza dello strato di ossido consente di ottenere molta più capacità in poco spazio, ma per contro occorre adottare particolari accorgimenti per conservare l’ossido stesso. In particolare è necessario rispettare una precisa polarità nella tensione applicata, altrimenti l’isolamento cede e si ha la distruzione del componente. Inoltre nei condensatori elettrolitici è presente una soluzione chimica umida che se dovesse asciugare porterebbe al non funzionamento del dispositivo. Per consentire l’utilizzo dei condensatori elettrolitici in corrente alternata si usa connettere due condensatori identici in antiserie, ovvero connessi in serie ma con polarità opposta.

La capacità di un condensatore elettrolitico non è definita con precisione come avviene nei condensatori a isolante solido. Specialmente nei modelli in alluminio è frequente avere la specifica valore minimo garantito, senza un limite massimo alla capacità. Per la maggior parte delle applicazioni (filtraggio dell’alimentazione dopo il raddrizzamento e accoppiamento di segnale) questo non rappresenta un limite.

Esistono diversi tipi di condensatori elettrolitici:

Alluminio: il dielettrico è costituito da uno strato di ossido di alluminio. Sono compatti ma con elevate perdite. Sono disponibili con capacità da meno di 1 µF a 1.000.000 µF con tensioni di lavoro da pochi volt a centinaia di volt. Contengono una soluzione corrosiva e possono esplodere se alimentati con polarità invertita. Su un lungo periodo di tempo tendono a seccarsi andando fuori uso, e costituiscono una delle più frequenti cause di guasto in diversi tipi di apparecchi elettronici.
Tantalio: rispetto ai condensatori ad alluminio hanno una capacità più stabile e accurata, minori corrente di perdita e bassa impedenza alle basse frequenze. A differenza dei primi però, i condensatori al tantalio non tollerano i picchi di sovratensione e possono danneggiarsi, a volte esplodendo violentemente, cosa che avviene anche qualora vengano alimentati con polarità invertita o superiore al limite dichiarato. La capacità arriva a circa 100 µF con basse tensioni di lavoro. Le armature del condensatore al tantalio sono differenti: Il catodo è costituito da grani di tantalio sinterizzati ed il dielettrico è formato da ossido di titanio. L’anodo è invece realizzato da uno strato semi-conduttivo, depositato chimicamente, di biossido di manganese. In una versione migliorata l’ossido di manganese è rimpiazzato da uno strato di polimero conduttivo (polipirrolo) che elimina la tendenza alla combustione in caso di guasto.

Supercondensatori o elettrolitici a doppio strato: sono condensatori con capacità estremamente elevate, che possono arrivare a decine di farad, ma a bassa tensione. L’alta capacità è dovuta alla grande superficie dovuta a batuffoli di carbone attivo immerso in un elettrolita, e con la tensione di ogni batuffolo tenuta al di sotto di un volt. La corrente scorre attraverso il carbone granulare. Questi condensatori sono in genere usati al posto delle batterie tampone per le memorie di apparecchi elettronici.
Ultracondensatori o ad aerogel: hanno valori di capacità fino a centinaia di farad, simili ai supercondensatori ma basati su un aerogel di carbonio che costituisce un elettrodo di immensa superficie.

Che cosa sono i Superccondensatori?

 Un supercondensatore è un condensatore elettrochimico che ha una quantità insolitamente grande di possibilità di stoccaggio di energia riguardante il relativo formato, una volta confrontato ai condensatori comuni. Questi sono di interesse particolare nelle applicazioni automobilistiche per i veicoli ibridi e come immagazzinaggio supplementare per i veicoli elettrici a batteria, così come le applicazioni di elettronica di alimentazione .

Condensatore elettrolitico di alluminio

Dielettrico usato: Ossido di alluminio

Caratteristiche/Applicazioni: Capacità molto grande in rapporto del volume, economico, polarizzato. Le applicazioni primarie sono  di livellamento nei gruppi di alimentazione.

Svantaggi: La perdita dielettrica è alta, grandi resistenza ed induttanza interne e limita delle prestazioni ad alta frequenza, stabilità in temperatura insufficiente. Può esplodere o bruciare se sovraccaricato e/o surriscaldato. Limitato a circa 500 volt.

Condensatore al Tantalio

Dielettrico usato: Ossido di tantalio

Caratteristiche/Applicazioni: Grande capacità in rapporto al volume, formato più piccolo , buona stabilità, larga gamma di temperatura di funzionamento , durata di funzionamento più lunga rispetto al condensatore elettrolitico. Usato estesamente in attrezzature e calcolatori miniaturizzati. Disponibile sia nelle varietà polarizzate che non polarizzate. I condensatori di tantalio hanno caratteristiche migliori rispetto al condensatore elettrolitico.

Svantaggi: Costo più alto dei condensatori elettrolitici di alluminio. Tensione limitata a circa 50 volt. Esplode abbastanza violentemente quando si supera la tensione di lavoro, o quando una versione polarizzata è sottoposta a tensione inversa.

Condensatori elettrolitici a doppio-strato (EDLC) Supercapacitors

Dielettrico usato: Strato sottile dell’elettrolita a carbonio attivato

Caratteristiche/Applicazioni: Capacità estremamente grande al rapporto del volume, basso ESR  . Disponibile nelle centinaia, o nelle migliaia, di farad. Una tecnologia relativamente nuova del condensatore. Usato spesso per fornire temporaneamente  alimentazione ad apparecchiatura durante il rimontaggio della batteria. Polarizzato, tensione di funzionamento bassa. I gruppi delle cellule sono impilati per fornire l’più alta tensione generale di funzionamento.

Svantaggi: Costo relativamente alto.

Ultracondensatori o ad aerogel

Dielettrico usato: Aerogel di carbonio

Caratteristiche/Applicazioni: Eccellenti condensatori cilindrici di capacità ultraelevata destinati per uso complementare nel campo automobilistico, basso  ESR.  La capacità va da 1F fino a 3000F. Questa combinazione della capacità ultraelevata e l’ESR molto basso fanno i componenti estremamente versatili .

Costo relativamente alto.

ESR

ESR è la somma delle resistenze in corrente alternata (comprese la resitenza del dielettrico, della armatura, della soluzione elettrolitica e dei terminali elettrici) misurata ad una frequenza di 100 Hz a 20°C. L’ESR si comporta come un resistore in serie ad un condensatore da qui il nome (Resistore in Serie Equivalente). Questo resistore può provocare errori in circuiti che risultano corretti in fase di progettazione ed è spesso la causa di insuccesso dei circuiti con condensatori. Per caricare il materiale dielettrico la corrente ha bisogno di scorrere attraverso i conduttori elettrici, attraverso le armature, attraverso i metalli stessi e anche attraverso il materiale dielettico. Le perdite dielettrche possono essere viste come l’attrito dei poli che si allineano e, di conseguenza potrebbero apparire come un aumento di ESR misurati come aumenti di frequenza. A mano a mano che lo spessore del dielettrico aumenta, aumenta anche l’ESR.

Testare l’ESR di un condensatore richiede una strumentazione diversa dal misuratore di capacità. Anche se un capacimetro è un dispositivo utile non è in grado di rilevare evenuali difetti del condensatore che può provocare l’ESR. Più passa il tempo e sempre più progetti contano sul funzionamento corretto di condensatori a basso ESR .

Eventuali difetti nell’ESR possono presentare sintomi circuitali diffici da diagnosticare.