I condensatori: applicazioni audio e tipologie di dielettrici

Funzionamento e costruzione

I condensatori sono i componenti reattivi più diffusi i nelle costruzioni audio. Un condensatore è costituito da due armature conduttive isolate da un materiale dielettrico, che gli conferiscono la capacità di accumulare energia in un campo elettrostatico.

L’energia accumulabile in un condensatore è proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi, ed alla sua capacità, che si misura in farad (F), secondo la relazione: \(E=\frac{1}{2}CV^2\).

La capacità è proporzionale alla superficie delle armature, e dipende dal tipo e dallo spessore del dielettrico. Da questi ultimi dipende anche la rigidità dielettrica, che stabilisce la massima tensione applicabile al condensatore prima che la rottura del dielettrico comprometta l’isolamento delle armature. Per questo motivo, i condensatori reali riportano, oltre al valore di capacità, anche un valore di tensione massima oltre il quale il dispositivo subisce danni permanenti.

Per ottenere grandi capacità in un volume ragionevole, i condensatori reali impiegano dielettrici specifici e geometrie costruttive che permettono di ottenere grandi superfici di armatura. Questi aspetti costruttivi determinano le qualità e perciò i campi applicativi delle varie tipologie di condensatori.

A causa dei limiti fisici imposti dalla loro costruzione, i condensatori reali sono caratterizzati da alcuni parametri “non ideali”, tra cui la resistenza equivalente in serie (ESR) e l’induttanza equivalente in serie (ESL). Questi parametri possono essere modellati rispettivamente come una resistenza e un’induttanza connesse in serie ad un condensatore ideale.

A causa di questi parametri parassiti, il condensatore reale si discosta dal modello ideale \(X_C=\frac{1}{\omega C}\) secondo cui la reattanza dovrebbe diminuire con l’aumentare della frequenza. In pratica, ad una certa frequenza, l’impedenza raggiunge un minimo pari all’ESR, oltre la quale iniziare ad aumentare a causa dell’ESL.

Tuttavia, questi elementi in serie non sono gli unici parametri parassiti. Le imperfezioni del dielettrico comportano anche un certo difetto nell’isolamento tra le armature, che può essere rappresentato da una resistenza in parallelo al condensatore.

Questa resistenza ha l’effetto di produrre una certa corrente di perdita. Ad alte tensioni, questa resistenza può dissipare una quantità significativa di energia (i produttori descrivono questo fenomeno tramite la misura del fattore di dissipazione). In definitiva, un condensatore reale può essere quindi rappresentato da un circuito equivalente come quello in figura.

Valori comuni di capacità in elettronica vanno dall’ordine dei picofarad a quello dei millifarad e oltre. La varietà di dielettrici impiegati riflette la necessità di coprire un range così ampio di capacità. I valori più facilmente reperibili sono quelli normalizzati secondo la serie E12, indicati in tabella. I valori della serie E24 sono assai più difficili da reperire.

11

12

15

18

22

27

33

39

47

56

68

82

Valori normalizzati della serie E12

10	11	12	13	15	16	18	20	22	24	27	30
33	36	39	43	47	51	56	62	68	75	82	91

Valori normalizzati della serie E24

I processi produttivi implicano un’incertezza del valore reale di capacità rispetto quello atteso, pertanto i produttori indicano una tolleranza, generalmente espressa come il massimo errore atteso della capacità di un dato condensatore rispetto il suo valore nominale. Per esempio, un condensatore da 1 µF con il ±10% di tolleranza potrebbe avere un valore compreso tra 0.9 µF e 1.1 µF. Il valore di tolleranza ottenibile dipende dal processo produttivo, e perciò è in qualche modo correlato alla tipologia di dielettrico ed alla capacità; valori comuni di tolleranza sono compresi tra il ±5% e il ±10%, sebbene sia possibile ottenere condensatori con precisione fino al ±0.5% o meno.

Negli alimentatori è comune impiegare condensatori di livellamento caratterizzati da tolleranze dell’ordine del −20%/+80%: questa tolleranza “asimmetrica” indica che il produttore garantisce che la capacità sia compresa tra il 20% in meno e l’80% in più rispetto al valore nominale.

La tolleranza è riportata nel corpo del condensatore in forma numerica, oppure attraverso un codice alfabetico.

Codice	Tolleranza
C	±0.25 pF
D	±0.5 pF
F	±1%
G	±2%
J	±5%
K	±10%
M	±20%
S	−20%/+50%
Z	−20%/+80%

Codice alfabetico per le tolleranze

In base al processo produttivo, alla geometria costruttiva, e al dielettrico utilizzato, è possibile ottenere una varietà di condensatori caratterizzati da ampi intervalli di capacità, tensioni di lavoro, precisione, e parametri parassiti. Il progettista deve pertanto conoscere le non-idealità dei dispositivi reali al fine di operare la scelta corretta per soddisfare i requisiti di progetto.

Tipologie di dielettrici e loro caratteristiche

La tabella seguente mostra una comparazione delle principali caratteristiche dei più comuni dielettrici commercialmente impiegati nella costruzione dei condensatori. I valori indicati sono da considerarsi indicativi, in quanto soggetti anche a variazioni dipendenti dalle case costruttrici.

Dielettrico	Capacità (F, typ)	Tolleranze (min)	Tensioni (V, max)	Resistenza d’isolamento (Ω, typ)	Fattore di dissipazione (typ)	Risposta in frequenza (*)	Frequenza operativa (**)
Ceramico a disco	1p ÷ 100n	10%	10k	100G	2%	8	100M
Ceramico multistrato	1p ÷ 5µ	5%	200	10G	2.5%	8	10M
Ceramico NP0	1p ÷ 10n	0.5%	200	100G	0.1%	9	10M
Vetro multistrato	1p ÷ 10n	0.5%	2k	100G	0.2%	9	10M
Mica	1p ÷ 50n	0.5%	500	100M	0.1%	7	100M
Poliestere	1n ÷ 50µ	5%	2k	10G	2%	6	100M
Policarbonato	1n ÷ 10µ	1%	2k	100G	1%	6	N.A.
Polipropilene	1n ÷ 50µ	0.5%	2k	100G	0.35%	6	N.A.
Polistirene	100p ÷ 100n	0.5%	1k	1T	0.1%	6	N.A.
Tantalio solido	10n ÷ 1000µ	5%	100	1M	16%	5	2k
Elettrolitico in alluminio	50n ÷ 1	20%	600	100M	8%	2	N.A.

Sebbene sia fondamentale fare riferimento alla scheda tecnica del produttore in quanto le caratteristiche di ciascun condensatore possono variare enormemente per ciascun modello, questa tabella è utile per una panoramica delle caratteristiche dei principali dielettrici.

Condensatori ceramici

I dielettrici a base ceramica sono molto diffusi e permettono di realizzare condensatori dall’ottimo comportamento alle alte frequenze, con ESR dell’ordine di pochi milliohm ed ESL dell’ordine di frazioni del nanohenry. Le tipologie più comuni sono i condensatori a disco e multistrato (MLCC). La costruzione e la tipologia di dielettrico impattano notevolmente sulle caratteristiche del condensatore.
Le ceramiche paraelettriche impiegate nei condensatori di Classe 1 (e.g., C0G/NP0) permettono di ottenere dispositivi estremamente stabili, lineari, e caratterizzati da bassissime perdite, ma con capacità limitate. Ne deriva che questi sono i condensatori ceramici più comunemente impiegati nei circuiti di precisione e di segnale che richiedano piccole capacità, come per esempio alcuni filtri.

Al contrario, le ceramiche ferroelettriche dei condensatori di Classe 2 (e.g., X7R, X5R, Y5V, Z5U) consentono maggiori capacità a fronte di minori precisione e stabilità nei confronti della temperatura, della tensione applicata, e dell’invecchiamento. Possono inoltre esibire fenomeni di accoppiamento elettromeccanico dovuti a piezoelettricità ed elettrostrizione del dielettrico, causando microfonicità o vibrazioni del condensatore (fenomeno noto come “singing capacitor“) e contribuendo a comportamenti non lineari. Per queste ragioni, i condensatori di Classe 2 trovano il principale impiego nelle linee di alimentazione, dove la bassa impedenza alle alte frequenze è prioritaria alla precisione, e la polarizzazione a tensione costante e le basse impedenze ai capi del condensatore non determinano effetti elettromeccanici.

Condensatori a film plastico

Nei condensatori a film plastico il dielettrico è costituito da un polimero sintetico. Le armature possono essere realizzate isolando le due lamine metalliche col film plastico, oppure tramite metallizzazione diretta del dielettrico. Queste costruzioni vengono identificate da codice costituito da un prefisso che indica il tipo di costruzione, ed un suffisso che indica il tipo di dielettrico impiegato, come illustrato nella tabella di seguito.

Di seguito sono illustrate alcune sigle comuni nei condensatori usati in ambito audio.

Sigla	Dielettrico e costruzione
MKT, o MKS usata da Wima	Poliestere (polietilene tereftalato, PET) metallizzato
MKP	Polipropilene (PP) metallizzato
KT, FKT	Film di poliestere (polietilene tereftalato, PET) con armatura a lamine
KP, KFP	Film di polipropilene (PP) con armatura a lamine

I condensatori a film metallizzato possiedono buone caratteristiche di precisione e stabilità, basse perdite, e un buon rapporto tra capacità e volume, grazie alla metallizzazione spessa poche decine di nanometri. In caso di una rottura localizzata del dielettrico, l’elevata densità di corrente può vaporizzare la metallizzazione circostante isolando il difetto e consentendo al condensatore di continuare a funzionare, fenomeno noto come self-healing (autoriparazione). Per queste caratteristiche, i condensatori a film metallizzato trovano largo impiego nei circuiti audio, nei filtri, nell’accoppiamento dei segnali in alternata e nella soppressione dei disturbi sulla rete elettrica. In quest’ultimo caso sono disponibili condensatori di sicurezza di Classe X, destinati al collegamento tra i conduttori della rete (across-the-line), e di Classe Y, destinati al collegamento tra un conduttore attivo e terra; le relative sottoclassi, come X1, X2, Y1 e Y2, devono essere scelte in funzione delle condizioni di impiego e dei requisiti di sicurezza previsti dalla norma IEC 60384-14 (norma internazionale per i condensatori di soppressione delle interferenze collegati alla rete).

Al contrario, i condensatori a lamine metalliche (film/foil) utilizzano armature metalliche discrete dello spessore di alcuni micrometri, che possono sopportare correnti più elevate; sono pertanto preferiti nei circuiti risonanti, nelle reti snubber, nei circuiti di commutazione, o nelle applicazioni impulsive caratterizzate da elevati valori di $\frac{dV}{dt}$.

I condensatori a film di poliestere e di polipropilene costituiscono le tipologie più diffuse di condensatori a film plastico. Nei primi, il dielettrico è costituito da PET (polietilene tereftalato), noto anche con il nome commerciale Mylar; le versioni metallizzate sono comunemente indicate con la sigla MKT, oppure MKS nella nomenclatura WIMA. Presentano buone caratteristiche di stabilità, dimensioni relativamente contenute e tolleranze comunemente disponibili fino a circa ±5%, con capacità comprese, a seconda della serie, da pochi nanofarad a diversi microfarad e tensioni di lavoro che possono raggiungere alcuni chilovolt. Sono largamente utilizzati nei circuiti di segnale, nei filtri, nell’accoppiamento in alternata e, più in generale, nelle applicazioni in cui siano richieste buone prestazioni e ingombri contenuti.

I condensatori a film di polipropilene presentano invece perdite dielettriche, assorbimento dielettrico e correnti di perdita generalmente inferiori rispetto agli equivalenti in poliestere, oltre a una migliore stabilità termica ed elettrica. Le versioni metallizzate sono indicate con la sigla MKP, mentre KP identifica generalmente i tipi con armature a lamina metallica. Queste caratteristiche rendono il polipropilene particolarmente adatto ai circuiti di precisione, ai filtri, agli integratori, ai circuiti sample-and-hold, alle applicazioni ad alta tensione e ai circuiti soggetti a elevate correnti impulsive o elevati valori di (dV/dt). Sono disponibili anche componenti selezionati con tolleranze dell’ordine di ±0.5% e costruzioni a bassa ESL, ottenute mediante geometrie e collegamenti interni progettati per ridurre l’induttanza parassita.

I condensatori a film di policarbonato erano tradizionalmente apprezzati per l’elevata stabilità della capacità con la temperatura, il buon isolamento e l’ampio intervallo termico di funzionamento, ma sono oggi relativamente poco diffusi a causa della limitata disponibilità del relativo film dielettrico. I condensatori a film di polistirene, anch’essi ormai meno comuni, sono invece caratterizzati da bassissime perdite, ridotto assorbimento dielettrico, elevata resistenza d’isolamento e ottima stabilità, con tolleranze che possono raggiungere circa ±0.5%; tali prestazioni li rendono adatti ai circuiti di precisione, a fronte però di maggiori dimensioni e di una temperatura massima di esercizio relativamente limitata.

Condensatori elettrolitici

Nel caso dei condensatori elettrolitici, il dielettrico viene ottenuto ricoprendo un’armatura metallica (anodo) con uno strato di ossido dello spessore di pochi µm. L’altra armatura (catodo) è costituita da un elettrolita liquido o solido fortemente conduttore. Questi condensatori sono di tipo polarizzato, ed il dielettrico viene rigenerato continuamente durante il funzionamento del condensatore. Questo causa, però, una certa corrente di perdita.

Molto diffusi sono i condensatori elettrolitici in alluminio, che possono raggiungere capacità molto elevate, ma con tolleranze considerevoli (tipicamente comprese tra il -20% e il +100%). Grazie agli elevati valori di capacità raggiungibili, questi condensatori trovano largo impiego negli alimentatori per il livellamento delle tensioni pulsanti. Tuttavia, a causa della loro costruzione, questi condensatori presentano ESR ed ESL significative che li rendono poco adatti alle applicazioni ad alta frequenza. Esistono modelli a bassa ESR che trovano applicazione negli alimentatori a commutazione (switching). Anche questi dispositivi sono prodotti in forma tangenziale o assiale. La versione con terminali snap-in permette l’inserimento a scatto sul circuito stampato, facilitando le operazioni di saldatura senza richiedere il taglio dei terminali.

Generalmente, i condensatori elettrolitici in alluminio possono sopportare per brevi periodi tensioni inverse di circa -1 V. Se prolungata e di maggior entità, la polarizzazione inversa può causare il danneggiamento e l’esplosione del condensatore. A questo proposito, esistono condensatori elettrolitici elettrolitici non polarizzati, che possono anche essere realizzati collegando due condensatori polarizzati in antiserie.

I condensatori elettrolitici al tantalio sono più piccoli dei rispettivi condensatori in alluminio, sono polarizzati e la loro forma più diffusa è quella cosiddetta “a goccia”. A differenza dei condensatori elettrolitici in alluminio, presentano una migliore risposta alle alte frequenze per via della loro minor ESL, ma risultano assai sensibili alle inversioni di polarità che portano spesso alla rottura del dielettrico con possibile esplosione o cortocircuito del condensatore. Anche transitori di tensioni elevate possono danneggiare irreversibilmente il condensatore.

I condensatori elettrolitici al tantalio umido (wet tantalum), di forma tipicamente assiale, hanno avuto la maggior diffusione verso gli anni ’70. Progettati originariamente su specifiche militari (MIL-STD-39006), sono caratterizzati da migliori prestazioni rispetto ai comuni condensatori al tantalio, dovute in particolar modo alle loro perdite molto contenute e all’ottima risposta in frequenza. Per questi motivi, questi condensatori sono talvolta impiegati in applicazioni critiche laddove i condensatori al tantalio secco non risultano idonei.

Inoltre possono tollerare piccole tensioni inverse (fino a circa -1,5 V) senza danneggiarsi. Questi condensatori sono tuttora in produzione, sebbene a costi elevati, per applicazioni speciali.

Condensatori a mica e a vetro

Nonostante siano disponibili solo per modesti valori di capacità, i condensatori a mica e a vetro multistrato sono in grado di fornire un’elevatissima stabilità termica, basse tolleranze (±0,5%) e grandi resistenze d’isolamento. Pertanto, questi condensatori trovano larga applicazione nei circuiti ad alta frequenza dove sia richiesta stabilità e precisione. I condensatori a vetro multistrato sono impiegati per applicazioni militari ad alta affidabilità dove sia richiesta insensibilità alle radiazioni nucleari.

Condensatori a carta

Quando l’elevata rigidità dielettrica e l’economicità sono preferiti alle altre caratteristiche si fa uso dei condensatori a carta in olio (paper in oil, PIO), dove il dielettrico è costituito da un nastro di carta impregnato in olio minerale o di ricino. Questi condensatori, diffusi in passato, hanno il vantaggio di risultare relativamente economici alla produzione e resistenti alle alte tensioni, aspetti che li rendono utili nel rifasamento dei motori. D’altro canto, presentano tipicamente ESR ed ESL considerevoli, unitamente ad una scarsa resistenza d’isolamento che può peggiorare nel tempo a causa della tendenza della carta ad assorbire umidità. Vengono generalmente prodotti con amplie tolleranze (±10%; ±20%) dal momento che, per costituzione, non sono in grado di garantire una buona stabilità termica e risentono rapidamente dei fenomeni d’invecchiamento.