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Condensatori adatti per circuiti di alimentazione

Negli alimentatori vengono impiegati condensatori di capacità molto alta per fungere da effetto volano e stabilizzare la corrente rettificata dal gruppo trasformatore-ponte di Graetz.
Proprio la dimensione di questi componenti ne esalta alcuni lati negativi che potrebbero pregiudicare la buona riuscita di un progetto.
Di seguito, ben lungi dal fare una trattazione esaustiva, analizzeremo i criteri di scelta per questi componenti.

Condensatori per circuito di alimentazione: scelta del tipo di condensatore

Nella scelta della tipologia siamo vincolati ad ottenere una grande capacità con dimensioni accettabili. Il condensatore, in genere deve entrare in un alloggiamento e deve avere dimensioni e peso accettabile.
Questo limita la scelta ai soli condensatori elettrolitici.

A sinistra un esempio della varietà di questo tipo di condensatori, guardate il riferimento dimensionale costituito dalla moneta da 2 euro!! Questi condensatori (tranne il più piccolo posto vicino alla moneta) hanno gli attacchi a vite che in molti casi hanno la doppia funzione di collegamento elettrico e fissaggio meccanico.

Condensatori per circuito di alimentazione: dimensionamento della tensione massima

Fin qui è facile, occorre ovviamente un condensatore in grado di reggere una tensione superiore a quella di utilizzo nel circuito.
In realtà è sempre meglio eccedere compatibilmente con lo spazio che occupa un condensatore con una tensione di lavoro più alta rispetto ad uno con una tensione di lavoro più bassa e ovviamente tenere anche conto del maggior costo a parità di qualità.
Ricordatevi sempre che la tensione massima presente in un circuito di alimentazione è molto più alta nel momento dell'accensione che non a regime, questo perché le valvole nel momento iniziale hanno il catodo freddo, quindi non conducono e l'alimentatore praticamente lavora senza carico.
In alcuni amplificatori per ovviare a questo inconveniente la tensione anodica viene generata in ritardo rispetto all'accensione con un temporizzatore collegato con un relè che collega il secondario del trasformatore dell'anodica quando i catodi delle valvole sono già caldi.

Condensatori per circuiti o di alimentazione: dimensionamento empirico della capacità

Innanzi tutto occorre tenere in considerazione la struttura del filtro dell'alimentatore.
Se si tratta di un filtro pigreco ad ingresso capacitivo, il primo condensatore del filtro ha una capacità massima che è dettata dalle caratteristiche del diodo rettificatore (se si tratta di un diodo termoionico il valore massimo del condensatore è reperibile nel datasheet).
Non può essere troppo grande per non innescare dei picchi di corrente troppo accentuati nel diodo e, in qualche caso è bene che non sia neppure elettrolitico per via della bassa durata di vita dovuta alle correnti alternate (la componente del ripple) che lo attraversano.

Sempre tenendo conto di un filtro di alimentazione pigreco ad ingresso capacitivo il secondo condensatore, quello dopo l'induttore si dimensiona usando i seguenti criteri: In linea di massima ci sono diversi approcci possibili per stabilire la capacità utile a livellare convenientemente una tensione di alimentazione e nel contempo fungere da serbatoio di energia per gli stadi di potenza.

1. Nel primo caso si tiene in considerazione la corrente massima che viene richiesta al condensatore e in funzione di questa con una formula empirica si sceglie la capacità.
   In genere la corrente viene calcolata per il caso più sfavorevole e la capacità viene calcolata in 1000uF per ogni Ampere di picco. Questo negli amplificatori allo stato solido. Per gli amplificatori a valvole si veda il caso 2)

2. Si calcola l'impedenza del circuito che vogliamo alimentare e si sceglie il condensatore con una impedenza a 100Hz che sia almeno 20 volte minore se si tratta di un push-pull o 40 volte se si tratta di un single ended.

3. Si tiene conto dell'energia immagazzinata nei condensatori di filtro dimensionandola a 1 Joule ogni 1W di potenza in uscita.
   L'energia immagazzinata in un condensatore ricordiamo che si calcola (CxVxV)/2 dove V è la tensione di carica e C la capacità in Farad del condensatore.

4. Comprare la capacità più grossa che ci possiamo permettere sia a livello di costo che di ingombro. Nessun amplificatore si è mai lamentato per una capacità di filtro troppo grande.

Condensatori per circuiti o di alimentazione: dimensionamento analitico della capacità

Per un approccio più analitico e preciso che tuttavia si può rivelare notevolmente più complesso si procede nel seguente modo:

1. Occorre avere un dato fondamentale per tale calcolo che è la reiezione dell'amplificatore che andremo ad alimentare ai disturbi di alimentazione. Questo dato ci serve per determinare quanto il ripple si ripercuote poi sull'uscita dell'amplificatore sottoforma di rumore.

2. Dobbiamo stabilire quanta energia assorbe l'amplificatore ad una data potenza per cui vogliamo fare il calcolo.

3. Occorre calcolare quanta è l'energia immagazzinata dai condensatori di livellamento.

• A questo punto si determina l'energia che l'amplificatore assorbe in un lasso di tempo pari a 1/100 di secondo, tempo che intercorre in un alimentatore a doppia semionda fra una carica del condensatore e quella successiva.

• Si decurta questa energia da quella immagazzinata dal condensatore.

• Si calcola la tensione che corrisponde all'energia residua del condensatore.

• Si fa la differenza fra la tensione massima di carica del condensatore e la tensione ricavata al punto sopra e si ottiene il valore picco a picco della tensione di ripple.

• A questo punto si divide tale tensione per il rapporto di reiezione dell'amplificatore e si ottiene la tensione picco a picco del ronzio in uscita dovuto al ripple.

• Si trasforma il valore della tensione di uscita in valore efficace del ripple.

• Si mette in rapporto la tensione del segnale in uscita con quello generato dal ripple in uscita (su scala logaritmica) e si ottiene il rapporto segnale/rumore. Se questi è dell'ordine di 80-90 o meglio 100 dB allora non avremo problemi.

• Partendo dal valore di rapporto segnale/rumore che vogliamo ottenere possiamo fare il calcolo inverso e ottenere l'energia immagazzinata dal condensatore e di conseguenza la sua capacità.

Complesso? Neanche più di tanto.
Unica incognita il rapporto di reiezione del ripple dell'amplificatore, dato che non abbiamo a priori fino a che non lo avremo costruito e poi misurato, è per questo che si usano quasi sempre metodi empirici per determinare la capacità di livellamento.

Condensatori per circuiti o di alimentazione: Numero dei condensatori

Altro bel dilemma: quanti condensatori usare ?
Uno solo di capacità "N" o più che sommati danno sempre "N" ma con una minor induttanza e una minor resistenza serie? Un altro aspetto da prendere in considerazione è la più facile collocazione nel contenitore dove è alloggiata l'elettronica di tanti condensatori più piccoli che non uno grande.
In linea di massima anche questa volta l'approccio più costoso è anche quello migliore, che consiste nel frazionare la capacità.
Questo elimina il problema connesso alle grosse capacità che è quello della induttanza parassita serie che ne limita la reattività ai transienti.
Purtroppo questa soluzione se non implementata correttamente si rivela deleteria in molti casi.
Questo perché molti condensatori in parallelo hanno un MTBF (mean time between failures= tempo medio fra i guasti) che statisticamente è dato dall'MTBF di un condensatore diviso per il numero dei condensatori.
Questo fa si che la durata di vita di un pacco di condensatori troppo frazionato sia breve, quindi occorre mediare fra i predi e i difetti di questa soluzione.
Per contro tanti condensatori in parallelo si dividono equamente la corrente in ingresso/uscita dal componente riducendola proporzionalmente. Essendo la corrente che circola causa del surriscaldamento delle armature del condensatore che ne limita la vita mettendoli in parallelo la vita del condensatore si allunga in controtendenza a quanto visto sopra.
Per unire fra loro i condensatori occorre usare un conduttore estremamente performante per non introdurre della resistenza fra i terminali dei vari condensatori e per avere un valido punto di massa comune.
Quindi una placca di materiale conduttore di grossa sezione di rame puro o d'argento se si vuole veramente fare la differenza.

Caratteristiche da tenere in considerazione nella scelta della capacità

Per ogni componente al modello teorico occorre affiancare il modello reale. Nel modello reale della capacità occorre sempre scegliere i condensatori con una resistenza serie (Rs) ed una induttanza serie (Ls) serie minore.
Queste sono caratteristiche costruttive ben note, fornite dal produttore, quindi facilmente reperibili.
Importanza minore ha invece la resistenza Rp che rappresenta le perdite, la corrente che passa fra le armature attraverso il dielettrico, che nei condensatori elettrolitici è abbastanza grande rispetto agli altri tipi di condensatori.

Nel circuito equivalente a sinistra non è riportata la sezione relativa alla isteresi del dielettrico (detta anche effetto memoria) che in questo genere di impiego non ci interessa.

Eliminazione dell'influsso dell'induttanza serie

Per eliminare gli effetti dell'induttanza serie normalmente si mette in parallelo alla capacità principale costituita da condensatori elettrolitici tutta una serie di condensatori più piccoli e quindi caratterizzati da una induttanza serie Rs molto più bassa.
Questi condensatori hanno il duplice compito di bypassare eventuali componenti ad alta frequenza captate dal circuito trasformatore-raddrizzatore, come ad esempio disturbi captati dalla rete elettrica o rumore di commutazione dei diodi rettificatori e di sopperire a transienti nell'assorbimento dovuti all'amplificazione di alte frequenze.
Per evitare di vanificarne i benefici, questi condensatori devono essere collocati il più vicino possibile al carico ed il quantità sufficiente.

Scaricare il condensatore

Questa è una nota fuori tema ma meglio rimarcare che come precauzione, considerata l'alta energia in gioco e in alcuni casi l'alta tensione è sempre bene scaricare i condensatori di stabilizzazione. Basta collegare in parallelo al carico una resistenza di valore tale da scaricare i condensatori in alcuni minuti.
Per stabilire il valore della resistenza e il tempo di scarica basta ricordare che la formula che lega questi valori è la seguente: T=4,6 RC dove T è il tempo in Secondi, 4,6 è una costante, R è il valore della resistenza in Ω, C il valore del condensatore in Farad.