Filtrato

I condensatori sono ampiamente utilizzati per il filtraggio e il disaccoppiamento. Nelle applicazioni a piccolo segnale, la capacità è determinata dalla topologia del filtro e dalla sua gamma di frequenza. Nei circuiti di alimentazione, i condensatori devono essere in grado di immagazzinare livelli molto elevati di energia elettrica e soddisfare i requisiti di sicurezza. Questo è un chiaro esempio in cui "più grande è meglio", poiché la capacità di gestione della potenza e l'isolamento integrato del condensatore sono più importanti delle sue dimensioni. Le dimensioni, in particolare la distanza minima tra le tracce di alimentazione su un circuito stampato o tra i fili, sono un parametro cruciale in molti standard di sicurezza, il che spinge molti produttori a migliorare i materiali e la progettazione dei componenti per aumentare la capacità piuttosto che ridurne le dimensioni. Molti condensatori di grandi dimensioni sono progettati per il filtraggio nei sistemi di alimentazione.

Condensatori di classe X e classe Y

I condensatori di classe X e classe Y sono tra i condensatori di filtro di grandi dimensioni più comunemente utilizzati nelle applicazioni in corrente alternata e sono spesso indicati come condensatori di soppressione EMI/RFI o condensatori di sicurezza per filtri di linea CA. A causa dei rischi per la sicurezza derivanti dal collegamento diretto alla corrente alternata su linee di fase e neutro (classe Y), tutti questi connettori sono certificati per la sicurezza e qualsiasi guasto deve essere gestito in modo da garantire la sicurezza.

I condensatori di classe Y sono particolarmente sensibili alle sovratensioni e ai transienti di tensione che tipicamente caratterizzano l'alimentazione elettrica degli elettrodomestici e delle apparecchiature industriali. Ad esempio, un fulmine nelle vicinanze può causare transienti di tensione estremamente elevati, con un'alta probabilità di danneggiare il dispositivo. Tuttavia, un guasto in un dispositivo di classe Y può provocare una scossa potenzialmente fatale a causa della perdita di messa a terra. Per evitare ciò, i condensatori di classe Y sono progettati per guastarsi in circuito aperto, il che annulla la loro capacità di filtraggio ma elimina in definitiva un pericolo per la sicurezza.

Quando un condensatore di Classe X si guasta, è molto probabile che provochi un cortocircuito che, a sua volta, attiverà un dispositivo di protezione da sovracorrente, come un fusibile o un interruttore automatico. Pertanto, è improbabile che il guasto del condensatore provochi una scossa elettrica all'utente.

La suscettibilità di un condensatore ai guasti dipende dalla sua struttura interna. Nei condensatori ceramici di tipo X e Y, i danni possono verificarsi nel tempo, indebolendo il dispositivo fino al suo guasto. Tuttavia, i condensatori a film metallizzato, come la serie Vishay MKP3381 o la serie TDK (precedentemente EPCOS) B32916, incorporano capacità di autoriparazione che prevengono i cortocircuiti e i danni conseguenti. Nel punto di guasto, si forma una regione isolata che consente al condensatore di recuperare quasi completamente la sua capacità operativa, prevenendo così un cortocircuito. I condensatori a film metallizzato di tipo Y sono inoltre più soggetti a guasti da circuito aperto rispetto ai condensatori ceramici, il che ne migliora la sicurezza.

Lo standard internazionale EN 60384-14 definisce diversi sottotipi di condensatori X e Y. I condensatori di tipo X sono suddivisi nelle categorie X1, X2 e X3: i condensatori X1 sono utilizzati in applicazioni che richiedono un'elevata resistenza agli impulsi, mentre gli X2 e gli X3 sono utilizzati in applicazioni generiche. I condensatori di tipo Y sono classificati in modo simile, ma si differenziano per il livello di isolamento: dai condensatori di classe Y1 (fino a 500 VAC con una tensione di prova massima di 8 kV) ai condensatori di classe Y4 (fino a 150 VAC con una tensione di prova massima di 2,5 kV). Per migliorare la densità di capacità, produttori come Kemet integrano più di un condensatore nello stesso contenitore; ad esempio, il PHE840M ha una capacità massima di 10 µF.

Correzione del fattore di potenza

I condensatori di grandi dimensioni vengono spesso utilizzati anche per la correzione del fattore di potenza, che è obbligatoria per legge in molti paesi e può ridurre i costi di fornitura dell'energia elettrica.

Il fattore di potenza di un sistema è il rapporto tra la potenza effettivamente utilizzata dal sistema e il consumo medio di potenza durante un ciclo CA e il suo consumo massimo di potenza. Se si utilizzano convertitori di potenza lineari nello stadio di ingresso di un sistema, il suo fattore di potenza è in genere vicino a 1, il che causa alcuni problemi. Questi convertitori non sono efficienti rispetto agli alimentatori switching più avanzati utilizzati in molti stadi di ingresso; ricevono potenza in brevi impulsi anziché per l'intero ciclo della forma d'onda CA, con conseguente elevata potenza di picco rispetto alla potenza effettiva e un basso fattore di potenza. Anche un motore a induzione ad alta potenza mostrerà un basso fattore di potenza verso la sorgente.

Nei moduli di correzione del fattore di potenza, che vengono tipicamente installati in parallelo con le apparecchiature dell'utente per migliorare la densità di capacità e semplificare la progettazione, è possibile utilizzare condensatori ad alta tensione da 50 µF o superiori per fase CA. Produttori come TDK e Kemet offrono condensatori con terminali per tutte e tre le fasi, ciascuna collegata a un modulo di capacità interno separato.

Soppressione

I condensatori di grandi dimensioni sono molto utili per filtrare e sopprimere i picchi di tensione in un sistema, soprattutto per carichi altamente induttivi come quelli utilizzati per il controllo dei motori. I condensatori a film di polipropilene, simili a quelli spesso impiegati per la correzione del fattore di potenza, rappresentano una scelta efficace nelle applicazioni di soppressione dei picchi grazie alle loro capacità di autoripristino, alle basse perdite e all'elevato isolamento. Questi dispositivi hanno dimensioni che variano da diverse centinaia di nanofarad a centinaia di microfarad e sono disponibili presso vari produttori, tra cui Kemet, TDK, Vishay e Wima.

I motori possono assorbire correnti elevate durante l'avvio e gli arresti improvvisi. Questo rappresenta spesso un problema per i sistemi alimentati a batteria, che potrebbero avere difficoltà a fornire la corrente istantanea richiesta. L'integrazione di condensatori di grandi dimensioni, in grado di erogare impulsi di corrente elevati, consente di reagire a questi eventi e di prevenire cali di tensione in altre parti del sistema. I condensatori elettrolitici, come la gamma MS/MD di condensatori elettrolitici in alluminio di Kemet, offrono in genere la bassa resistenza in serie e la capacità necessarie per supportare il sistema durante i millisecondi di picco di richiesta di corrente.

I relè ad alta corrente in un sistema rappresentano un'ulteriore fonte di picchi di potenza che devono essere soppressi: gli archi elettrici che si formano lungo i contatti quando il relè si apre o si chiude. Se non controllati, gli archi ricorrenti erodono i contatti del relè, causandone infine il guasto. Un condensatore collegato in parallelo al carico del relè sopprime gli archi elettrici perché può caricarsi e scaricarsi più velocemente del tempo di commutazione del relè. Come per altre applicazioni di filtraggio e soppressione ad alta potenza, i condensatori efficaci utilizzano una struttura a film o lamina metallizzata. Poiché il tempo di carica è critico, la scelta del componente deve tenere conto del rapporto tra la capacità richiesta e la resistenza serie effettiva. Inoltre, poiché molti condensatori a film offrono una ESR inferiore a quella richiesta per un tipico circuito di soppressione, spesso viene collegata in serie una resistenza di basso valore.

Conclusione

Poiché la capacità di resistere a picchi di alta tensione e corrente e di gestire livelli di potenza elevati a lungo termine è fondamentale per molte applicazioni, i condensatori di grandi dimensioni e ad alta capacità sono essenziali. I produttori continuano a lavorare per migliorare le prestazioni e la densità del sistema attraverso la co-incapsulazione, ma in queste applicazioni la riduzione delle dimensioni non è vantaggiosa poiché le decisioni di progettazione sono guidate dalla capacità.