Scegliere la giusta tecnologia di condensatori per un'applicazione

La scelta del condensatore giusto per un'applicazione può fare una differenza significativa nelle prestazioni, nell'affidabilità e nell'efficienza di prodotti come gli alimentatori destinati a settori come la difesa, l'aerospazio, la tecnologia medica, le infrastrutture energetiche critiche o i caricatori veloci per veicoli elettrici.

I condensatori sono componenti essenziali in molti circuiti elettronici in quanto immagazzinano ed erogano energia elettrica, filtrano i segnali indesiderati e svolgono altre funzioni. Tuttavia, non tutti i condensatori sono uguali e i diversi tipi hanno caratteristiche, vantaggi e limiti diversi.

La scelta del tipo di condensatore giusto è fondamentale nella progettazione dei prodotti. Le tre opzioni più comuni - condensatori ceramici multistrato (MLCC), a film o elettrolitici in alluminio - offrono vantaggi e svantaggi e ciascuna categoria offre una miriade di varianti. La scelta del tipo giusto garantisce che il prodotto finale abbia un accumulo di energia sufficiente, che si adatti allo spazio disponibile e che funzioni in modo affidabile per l'uso previsto.

Il caso degli MLCC

Gli MLCC sono costituiti da strati alternati di dielettrico ceramico ed elettrodi metallici impilati e sinterizzati insieme per formare un'unità compatta. Ampiamente utilizzati in molti dispositivi elettronici, gli MLCC offrono elevati valori di capacità in piccole dimensioni, bassa resistenza equivalente in serie (ESR), bassa corrente di dispersione, elevata risposta in frequenza e buona stabilità termica.

Gli MLCC sono adatti per applicazioni che richiedono un'elevata densità di potenza, un'alta efficienza, un basso rumore e un'alta affidabilità. Tuttavia, le varianti in questa categoria possono fare la differenza nello sviluppo di prodotti di successo:

• MLCC ad alta affidabilità: offrono un'elevata affidabilità, un basso tasso di guasto, una lunga durata e prestazioni elevate in condizioni difficili. Queste caratteristiche sono importanti per soddisfare i severi requisiti di settori come quello aerospaziale e della difesa, comprese le specifiche MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 e MIL-PRF-39014, nonché quello delle applicazioni mediche.
• MLCC ad alta tensione: funzionano a tensioni superiori a 500 V e fino a 12 kV. Sono progettati per applicazioni che richiedono isolamento ad alta tensione, come alimentatori, generatori di impulsi e apparecchiature radiografiche. Sono caratterizzati da elevata capacità, bassa ESR, basso fattore di dissipazione ed elevata tensione di rottura.
• MLCC per alte temperature: funzionano a temperature superiori a +125 °C, fino a +250 °C. Sono progettati per applicazioni che richiedono stabilità alle alte temperature, come la trivellazione petrolifera, il settore automotive e quello industriale. Offrono elevata capacità, bassa ESR, basso coefficiente termico ed elevata resistenza agli shock termici.

Vantaggi dei condensatori a film

I condensatori a film sono adatti per applicazioni che richiedono alta potenza, alta corrente, alta tensione e alta frequenza, come la conversione di potenza, il filtraggio, la soppressione e l'accoppiamento. Questi condensatori sono costituiti da un film sottile di materiale dielettrico - come poliestere, polipropilene, policarbonato o solfuro di polifenilene - compresso tra due elettrodi metallici avvolti in forma cilindrica o impilati in forma piatta.

I condensatori a film sono spesso più grandi e più costosi degli MLCC, ma offrono valori di capacità elevati, tensioni nominali elevate, bassa ESR, basso fattore di dissipazione, risposta in frequenza elevata e lunga durata. I vantaggi di questa tecnologia includono valori di tensione più elevati, variazione lineare della capacità con la tensione e la temperatura, assenza di rumore piezoelettrico, capacità autorigeneranti e lunga durata.

Esistono diverse categorie di condensatori a film che possono determinare la scelta giusta per un'applicazione:

• I condensatori a film in poliestere metallizzato utilizzano come elettrodi un sottile strato di metallo, come alluminio o zinco, depositato sul film di poliestere. Offrono elevata capacità, bassa ESR, basso costo e buone proprietà autorigeneranti. Soddisfano le esigenze di applicazioni generiche come bypass, accoppiamento e disaccoppiamento.
• I condensatori a film in polipropilene metallizzato utilizzano come elettrodi un film di polipropilene con un sottile strato di metallo, come alluminio o zinco. Sono caratterizzati da elevata capacità, bassa ESR, basso fattore di dissipazione, elevata risposta in frequenza ed elevata stabilità. Sono adatti per applicazioni ad alte prestazioni, come la correzione del fattore di potenza, il filtraggio e la soppressione.
• I condensatori a film in policarbonato utilizzano un film di policarbonato come materiale dielettrico. Offrono elevata capacità, alta tensione nominale, basso coefficiente termico ed elevata affidabilità. Sono adatti per applicazioni che richiedono alta stabilità termica, come i circuiti di temporizzazione, di rilevamento e di precisione.
• I condensatori a film in solfuro di polifenilene utilizzano il film di solfuro di polifenilene come materiale dielettrico. Offrono alta capacità, temperatura nominale elevata, bassa ESR, basso fattore di dissipazione e alta risposta in frequenza. Le applicazioni più adatte sono quelle che richiedono prestazioni ad alta temperatura, come nel campo automotive, industriale e delle telecomunicazioni.
• I condensatori a film di carta metallizzata utilizzano il film di carta metallizzata come materiale dielettrico. Offrono elevata capacità, alta tensione nominale, bassa ESR, basso fattore di dissipazione ed elevate proprietà autorigeneranti. Sono adatti per le applicazioni che richiedono l'isolamento ad alta tensione, come gli alimentatori, i generatori di impulsi e le apparecchiature radiografiche.

Condensatori elettrolitici in alluminio

I condensatori elettrolitici in alluminio sono adatti per applicazioni che richiedono alta capacità, alta tensione e bassa frequenza, come il livellamento, il filtraggio e l'immagazzinaggio dell'energia.

Grazie alla capacità di immagazzinare grandi quantità di energia elettrica per le sue dimensioni, un condensatore elettrolitico in alluminio è ideale per livellare l'alimentazione dei dispositivi elettronici. Possono avere una durata inferiore rispetto agli MLCC e alle alternative a film e, dato che sono polarizzati con un terminale positivo e uno negativo, possono danneggiarsi se installati al contrario. Inoltre, possono perdere continuamente una piccola quantità di corrente e non sono stabili alle alte frequenze rispetto alle alternative.

I condensatori elettrolitici in alluminio sono disponibili con vari tipi di elettrolita, liquido, solido o ibrido, con caratteristiche diverse in termini di prestazioni, stabilità e affidabilità:

• I condensatori elettrolitici in alluminio con elettrolita liquido utilizzano una soluzione elettrolitica liquida come catodo. Offrono un'elevata capacità, un'alta tensione nominale e un costo contenuto. Tuttavia, presentano anche un'elevata ESR, un'elevata corrente di dispersione, un elevato fattore di dissipazione e una durata limitata. Sono adatti per applicazioni generiche, come il livellamento, il filtraggio e l'immagazzinaggio dell'energia.
• I condensatori in alluminio con elettrolita solido hanno come catodo un materiale elettrolitico solido, come il biossido di manganese o un polimero conduttivo. Offrono bassa ESR, bassa corrente di dispersione, basso fattore di dissipazione e lunga durata. Tuttavia, hanno anche una capacità inferiore, una tensione nominale inferiore e un costo più elevato rispetto ai condensatori con elettrolita liquido. Sono adatti per applicazioni ad alte prestazioni, come alimentatori a commutazione, driver LED e amplificatori audio.
• I condensatori elettrolitici in alluminio con elettrolita ibrido utilizzano come catodo una combinazione di elettroliti liquidi e solidi. Offrono un buon equilibrio tra capacità, tensione nominale, ESR, corrente di dispersione, fattore di dissipazione e durata. Sono adatti per applicazioni che richiedono un'elevata densità di potenza, alta affidabilità e prestazioni ad alta temperatura, come nel settore automotive, industriale e delle telecomunicazioni.

L'acquisizione tra fornitori amplia il portafoglio di condensatori

Knowles e Cornell Dubilier Electronics (CDE) sono due produttori leader di condensatori e offrono un'ampia gamma di tecnologie e prodotti per condensatori. Knowles ha acquisito CDE nel 2023, unendo i punti di forza complementari di entrambe le aziende, tra cui i condensatori a film e i condensatori elettrolitici in alluminio di CDE e i condensatori a film e MLCC di Knowles Precision Devices.

Knowles offre una gamma completa di MLCC in contenitori standard a montaggio superficiale e in contenitori a nastro o con conduttori radiali, con valori nominali da meno di un picofarad a centinaia di microfarad, da 6,3 V a 12 kV. Gli MLCC di Knowles sono disponibili in vari materiali dielettrici con diversi coefficienti termici, costanti dielettriche e tassi di invecchiamento.

L'approccio produttivo FlexiCap™ di Knowles utilizza un materiale di terminazione epossidico flessibile proprietario, applicato sotto la consueta finitura a barriera di nichel, che consente un maggior grado di flessione della scheda rispetto ai condensatori convenzionali. La gamma StackiCap™ consente di ridurre significativamente la superficie occupata sulla PCB a fronte di un valore di capacità equivalente, nei casi in cui lo spazio sulla scheda è limitato; ad esempio, un chip standard da 150 nF in un formato 8060 è disponibile in un formato 3640 molto più piccolo.

Syfer 2220Y5000564KXT di Knowles (Figura 1) è un MLCC FlexiCap a montaggio superficiale in grado di immagazzinare 0,56 µF di carica elettrica, con una tolleranza di ±10%, ed è progettato per gestire fino a 500 V. Fa parte di una famiglia di prodotti MLCC a corrente continua che vanno da 0,2 pF a 22 µF e con dimensioni dell'involucro da 0402 a 8060.

Figura 1: Modello Syfer 2220Y5000564KXT di Knowles. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Syfer 2220Y6300105KETWS2 di Knowles (Figura 2) è un MLCC StackiCap in grado di immagazzinare 1 µF di carica elettrica con una tolleranza di ±10%, ed è classificato per 630 V.

Figura 2: Confezionamento StackiCap per Sifer 2220Y6300105KETWS2 e MLCC simili di Knowles. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Knowles CDE offre un'ampia selezione di condensatori standard e personalizzati con terminale a vite, a scatto e per montaggio su scheda per applicazioni critiche, che vanno dai defibrillatori alla diagnostica medica per immagini, dai sistemi radar alll'alimentazione ausiliaria via UPS per grandi sistemi di dati.

477XMPL002MG19R di CDE fa parte della serie di condensatori in chip polimerici XMPL per applicazioni che richiedono requisiti di tensione e/o capacità più elevati. Grazie alla bassa ESR e alla robusta corrente di ripple, superano i modelli elettrolitici a montaggio superficiale di dimensioni maggiori e garantiscono una maggiore durata, una maggiore stabilità alle variazioni termiche e una ESR più bassa a frequenze più elevate. I valori di capacità standard della serie vanno da 6,8 µF a 470 µF con una tensione massima di lavoro di 35 V_c.c. in un contenitore stampato di 7,3 x 4,3 x 1,9 mm.

Tra una vasta gamma di condensatori a film, i condensatori a film acrilico di tipo FCA di CDE, come il modello FCA0805C104M-J2, offrono valori di capacità elevati in contenitori standard per il montaggio superficiale. La serie offre un intervallo di capacità da 0,10 µF a 1,0 µF. Come condensatori di accoppiamento nei circuiti audio, possono produrre un suono privo di distorsioni e un filtraggio ad alta frequenza.

Conclusione

I condensatori sono componenti elettronici fondamentali e la scelta di quello giusto è cruciale nella progettazione dei prodotti. Fortunatamente, Knowles e Cornell Dubilier Electronics offrono una vasta selezione di tipi comuni in molteplici varianti, oltre a tipi speciali progettati per applicazioni specifiche.