I Condensatori hanno scadenza ? ..

A volte capita in una riparazione la necessità di dover sostituire un condensatore e non avendolo a disposizione ci si adatta con quello che si ha nel cassettino, e magari da diverso tempo; oppure si ha una scheda elettronica di un non meglio identificato dispositivo e si vuole recuperare i componenti dissaldandoli fra cui il condensatore che serve al caso.

E in questi casi a volte sorge il dubbio : “ma questi condensatori saranno buoni, funzionanti ?”E’ un po’ come chiedersi , se “i condensatori hanno scadenza ?” .

A mio avviso la risposta è NI.

Direi che  la tecnologia costruttiva del condensatore, determina in buona parte la stabilità o meno nel tempo delle caratteristiche del condensatore, pertanto se sia buono o meno, a prescindere dalla verifica/ misura del valore di capacità, dipende molto dal tipo di condensatore che stiamo valutando.

Non credo sia corretto considerare  una scadenza vera e propria, bensì la durata in funzione del valore di tempo di lavoro espresso in ore indicato nel datasheet dal costruttore. Nel caso di un condensatore elettrolitico nuovo  e stoccato per un periodo di tempo lungo sicuramente sarà meno performante il dielettrico; mentre se disinstallato da una scheda elettronica avrà senz’altro lavorato a regime per un periodo e poi c’è da chiedersi con quale compito; nel caso di un condensatore di livellamento  (capacità di filtro in un alimentatore di tipo lineare) sarà probabilmente poco riutilizzabile. Questo perché il dielettrico nei condensatori elettrolitici è di tipo fluido pertanto soggetto a variazioni nel tempo e in condizioni di temperatura di lavoro eccessiva.

Diverso potrebbe essere il caso di un condensatore ceramico, o al tantalio che presentano un dielettrico di tipo solido, quindi maggiormente stabile.

Nella pratica si è portati a considerare per il condensatore il solo parametro di capacità e tensione di isolamento, e questo vale per il caso ideale; nella sono presenti nel modello del condensatore altri parametri che introducono comportamenti che vanno considerati in virtù dell’utilizzo del condensatore nel circuito elettrico a cui è destinato.

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Cosa sia un condensatore, credo sia noto a tutti coloro che appartengano per professione, studio, hobby o passione al mondo elettrico; ai quali è nota la definizione di condensatore: # il condensatore è quel dispositivo elettrico costituito da due “armature” o piastre  conduttive e parallele, fra le quali è interposto un materiale di tipo isolante il “dielettrico”, il quale ha la caratteristica di conservare una certa carica elettrica, e la sua conseguente energia #.  La definizione che descrive il classico “condensatore piano” citato in fisica e poi in elettrotecnica nel percorso di studi delle superiori dei miei ricordi.

Quando ai capi delle armature viene applicata una differenza di potenziale (V) il campo elettrico che si realizza nel dielettrico sposterà una quantità di cariche elettriche (Q) immagazzinando energia elettrica. Il rapporto fra la carica elettrica Q e la differenza di potenziale V sarà sempre costante e realizza una grandezza fisica che avrà un determinato valore per ogni condensatore, tale da caratterizzarlo, e prende il nome di Capacità espressa dal rapporto :

C = Q / V

con Q  quantità di carica elettrica espressa in Coulomb, e V  la differenza di potenziale applicata espressa in Volt, pertanto la sua unità di misura si esprime in Coulomb per Volt. In memoria del fisico inglese Faraday, l’unità di capacità viene indicata con il nome internazionale di Farad ponendo:

1 F = 1 C / V.

Come è noto il Farad è una capacità molto grande, quindi si utilizzano i suoi sottomultipli, come il milliFarad (mF _millesimi di Farad), il microFarad (uF_ milionesimi di Farad), il nanoFarad (nF_ miliardesimi di Farad) e ancora il picoFarad (pF_milionesimi di milionesimi di Farad).

Quando si parla del condensatore viene sempre in mente, e/o si prende in considerazione ”  il “condensatore piano”, immagino perché si presti meglio ad una esposizione funzionale o descrittiva, o perché come modello più vicino al suo simbolo elettrico; anche se la realizzazione del primo condensatore noto con il nome  la  “Bottiglia di Leyda” il nome  dalla città del suo scopritore Musschenbrock, era tutt’altro modello.

Un recipiente cilindrico di vetro, rivestita al suo interno da una foglia di stagno per 2/3 e riempita di acqua, ed un’asta conduttrice conficcata nel tappo che funge da collegamento all’armatura interna cosi realizzata; la parete esterna rivestita con un’altra foglia di stagno a realizzare l’altra armatura. Il tappo verrà poi isolato esternamente con della ceralacca dal vetro.

Attualmente la tecnologia offre diverse soluzioni realizzative dei condensatori, si trovano in commercio ed   installati su varie elettroniche, un vasto tipo di condensatori, differenti per materiale utilizzato e per tecnologia. Le caratteristiche offrono un campo di tensione di isolamento da pochi volt a decine di kV e capacità da qualche pF e centinaia di Farad. Ci sono i condensatori  elettrolitici (in polimero_alluminio), i condensatori in film plastico (poliestere o polipropilene), condensatori a disco (in ceramica), condensatori a goccia (al tantalio), condensatori a carta; condensatori in  mica argentata ,condensatori per rifasamento, condensatori di filtro; condensatori per alte tensioni, condensatori in tecnica SMD, condensatori supercapacitori … tutti con differenze costruttive nel dielettrico e nella tipologia nascono per esigenze specifiche di utilizzo pur avendo valori di capacità uguali.

Nell’applicazione pratica, nota la caratteristica fisica di un condensatore, si è portati ad  identificarlo con il suo valore di capacità e tensione di isolamento, senza giustamente commettere errori, ma .. questo può essere valido se si considera il modello ideale del condensatore, perché nella realtà un condensatore non è caratterizzato dalla sola capacità, ma anche da altri parametri, che influiscono su funzionamento in determinate applicazioni circuitali  ..

E’ noto agli addetti ai lavori  qualora si debba sostituire un condensatore, valutarne la  capacità e della tensione di isolamento caratteristiche del condensatore, ed  anche la tipologia costruttiva.

Ad esempio non si andrà a sostituire un condensatore di avviamento di un motore elettrico , tipo 18 uF 400 V con un condensatore poliestere di pari capacità e tensione di isolamento, vien da se che la differenza di dimensioni  fra i due condensatori indica  una differenza costruttiva nei materiali fondata su specifiche costruttive e destinazione d’uso.

Questa differenza giustifica la presenza di caratteristiche elettriche, che influiscono su elementi di perdita che il condensatore presenta nelle applicazioni tipo, e caratterizzano il condensatore introducendo altri elementi  che considerano elementi reali di perdita, di tipo induttivo e di tipo resistivo.

Questi elementi di perdita sono tipici di tutti i condensatori, e rappresentativi di varie grandezze/fenomeni.

• Corrente di perdita (leakage), si considerano valori bassissimi dell’ordine dei microA. In un condensatore reale il dielettrico presenta una resistenza di valore elevato, ma non infinito (nota con il nome di resistenza di leakage : RL), questa resistenza fa si che il condensatori secondo una costante di tempo RL-C si scarichi lentamente; caratteristica che andrà peggiorando in presenza di calore e con il degradare del dielettrico. Questo parametro pertanto risulterà importante nelle applicazioni di condensatori come “capacità di memoria”
• Assorbimento del dielettrico (DA_ dielectric absorption), rende il condensatore non completamente scarico, poiché il dielettrico in alcuni casi tende a conservare una parte della quantità di carica. Questo fa si che in alcune applicazioni e per alcuni condensatori (con DA elevato) sia necessario scaricare i condensatori prima di intervenire per misure e/o riparazioni. La rappresentazione nel modello del condensatore reale avviene con un ramo serie RC composto da una resistenza RDA di valore elevato ed una capacità CDA di valore minore di quella nominale collegate in derivazione alla capacità principale.
• ESR (Equivalent Serie Resistance_resistenza serie equivalente). E’ il parametro maggiormente noto e considerato, quando si parla di caratteristiche dei condensatori, ed è il parametro che meglio descrive un condensatore reale, quando viene utilizzato in applicazioni “particolari” e al contempo “quotidiane”.

Questo parametro introduce nello schema rappresentativo di un condensatore reale, una resistenza in serie alla capacità indicata appunto con ESR, questa resistenza dissiperà della potenza attiva a causa della corrente che la attraversa, e genererà calore per effetto Joule. Trattandosi di una resistenza la sua unità di misura è Ohm.

Quindi mentre nel caso del condensatore ideale è rappresentata la sola componente reattiva, ovvero la capacità, il condensatore ideale non scalderà; mentre in quello reale si considera anche la resistenza serie ESR che rende il condensatore un elemento che produce calore.

Nel caso di applicazioni circuitali in cui sono previste intensità di correnti notevoli (vedi i circuiti di rifasamento della tensione di rete, o circuiti di alimentazione di tipo switching ..) il riscaldamento eccessivo del condensatore e la necessità di smaltire il calore prodotto, farà si che nel tempo il dielettrico degradi, con conseguente perdita delle sue caratteristiche elettriche, e la successiva dipartita del condensatore. Questo sta anche a significare che il deterioramento nel tempo del dielettrico (condensatori elettrolitici) rende il condensatore sempre meno utilizzabile.

Anche nei circuiti elettrici interessati da piccole intensità di corrente elettrica la presenza della resistenza serie (ESR) realizzerebbe insieme alla capacità (C) una rete R_C che limiterebbe la carica/scarica dello stesso condensatore.

Questo parametro è importante nell’impiego del condensatore nei circuiti a frequenze elevate, come gli alimentatori di tipo switching, e/o condensatori di filtro.

Il valore dell’ESR viene considerato misurandolo a frequenze differenti secondo l’utilizzo del condensatore, nel caso di condensatori utilizzati negli alimentatori di tipo lineare, come capacità di livellamento dopo il ponte raddrizzatore, la misura dell’ESR avviene alla frequenza di 100Hz, mentre nella misura standard si utilizza una frequenza di 1kHz.

L’ESR dipende dalla tecnologia costruttiva del condensatore, ogni costruttore indica il valore espresso in ohm, variando da qualche decina di ohm a qualche millesimo di ohm; va altresì considerato che i condensatori con “LowESR” appartengono alla famiglia di condensatori che lavorano in range di temperatura 105°/130°C pertanto sono di fascia alta e quindi non di basso costo.

• ESL (Equivalent Serie Inductanze_ induttanza serie) altro parametro del condensatore ideale, che ne caratterizza la componente induttiva e la sua dipendenza alle alte frequenze, meno incisivo nelle basse frequenze, pertanto questo parametro entrerà nelle considerazioni di condensatori utilizzati nei circuiti in alta frequenza e/o radiofrequenza. Anche in questo caso la tecnologia utilizzata nella realizzazione del condensatore, rende il parametro ESL meno presente, come nel caso dei condensatori ceramici, molto utilizzati nei circuiti in radiofrequenza.

Pertanto lo schema equivalente di un condensatore, che tiene conto degli elementi elettrici visti, che considerano aspetti resistivi ed induttivi di un condensatore, assume la configurazione circuitale del tipo :

Occorre poi tener conto anche di altri parametri non meno importanti, quale appunto ..

• La tensione di isolamento, superata la quale avviene la perforazione del dielettrico con conseguente distruzione del condensatore, anche in questo caso la tecnologia costruttiva la fa da padrone. Nella scelta del valore della tensione di isolamento è bene tenersi sempre sul valore superiore a quello necessario, per non far lavorare al limite il componente; considerando sempre che nei circuiti alimentati a tensione alternata il valore di tensione da considerare è quello di picco e non quello efficace.
• Temperatura di esercizio, come ogni componente anche il condensatore ha un suo range di temperatura in cui può lavorare, oltre la quale si determina il deterioramento del dielettrico e conseguente perdita del condensatore; valori di range tipici:
  • 40/85°C
  • 40/110°C
  • 55/130°C

Parametro da considerare, in funzione dell’ambiente in cui andrà a lavorare il circuito elettrico che utilizza quel condensatore (quadro elettrico non ventilato _ in ambiente esterno _ su dispositivi mobili _ elettronica di potenza ..)

• Intensità di corrente. Ovvero il valore di corrente che il condensatore può gestire. E’ un dato importante ad esempio nei condensatori di rifasamento in applicazioni industriali nei circuiti in corrente alternata, dove il condensatore supporta la corrente richiesta dal carico; viene indicato la tensione di isolamento in V, la potenza di rifasamento in kVAr, la capacità in µF e la corrente nominale in A.

L’idea di questa presentazione è quella di rendere noto, per chi non ne avesse info dell’esistenza di questi elementi che caratterizzano un condensatore, al fine di approcciarne quanto meglio possibile la scelta  al momento di una sostituzione o acquisto.

Questo perché un condensatore preso da un cassettino dove era da tempo stoccato potrebbe non avere più le caratteristiche dichiarate, e si può evitare di utilizzarlo in un circuito dove si potrebbero manifestare malfunzionamenti che porterebbero a complicare la ricerca del guasto. Quindi nei casi in cui si verifichi un condensatore di recupero o un condensatore ritenuto guasto, in virtù di quanto esposto vien da se  che la sola misura della capacità con un capacimetro non sarà sufficiente a determinarne la bontà di un condensatore.

Per questo in alcuni casi, la misura di un condensatore prevede attraverso strumenti dedicati la misura del parametro di ESR il maggiormente incriminato, per come si è visto di determinare un surriscaldamento del condensatore con la conseguente dipartita dello stesso.

Pertanto, attenzione nel sostituire un condensatore valutarne bene le sue caratteristiche, ed attenzione al recupero da vecchie schede, non tutti i condensatori possono essere riutilizzabili, alcuni potrebbero essere scaduti .. 😉

Per la misura dell’ESR dei condensatori ci sono in commercio strumenti di misura per diverse fasce di prezzo, io ne acquistai tempo fa uno molto semplice ma efficace a pochi euro, ed utile per la verifica anche di altri componenti , ve lo mostrerò in una prossima presentazione ..  😉