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POWER 7 - marzo 2015
XIV
Power
vengono riassunte di seguito:
•
i guasti di natura catastrofica si verificano quando il condensa-
tore si rompe a causa di un corto circuito o di un circuito aperto;
•
la degradazione si verifica quando il condensatore continua a
funzionarema le sue prestazioni sono peggiorate in una certami-
sura. Per esempio, la capacità del dispositivo potrebbe diminuire
nel tempo. La variazione del valore della capacità è accettabile o
meno a seconda dei requisiti della particolare applicazione con-
siderata. Se tale variazione non è accettabile, il dispositivo cessa di
funzionare.
Un corto circuito tra gli elettrodi può essere provocato da eventi
di natura meccanica quali ad esempio urti, vibrazioni o sollecita-
zioni sui terminali. Esso può anche essere causato da fattori di na-
tura elettrica, come ad esempio l’applicazione di una corrente o
di una tensione di tipo impulsivo che superano il valore massimo
nominale.
Numerose sono le cause di un circuito aperto. Per esempio se il
condensatore è sottoposto a una forza troppo elevata durante il
montaggio, il collegamento tra il conduttore e la linguetta potreb-
be risultare attorcigliato oppure deformato. Le alte temperature
sono anch’esse dannose, sia che si tratti del funzionamento a una
temperatura superiore al di sopra del valore massimo nominale,
oppure dell’esposizione a un calore eccessivo trasmesso attraverso
le piste della scheda che vaporizza l’elettrolita del condensatore.
In maniera del tutto analoga, l’esposizione del condensatore a
una corrente di ripple eccessiva provoca un aumento della tem-
peratura interna, con conseguente essiccazione dell’elettrolita.
Una riduzione della capacità e un incremento delle perdite di
potenza provocate da un alto valore della ESR (Equivalent Series
Resistance – resistenza in serie equivalente) si verificano nei se-
guenti casi:
•
una tensione inversa è applicata su base continuativa;
•
il condensatore è soggetto a un numero molto elevato di cicli
di carica/scarica;
•
la corrente applicata supera il valoremassimodella correntedi
ondulazione nominale.
Ottimizzazione in base alle condizioni operative
I limiti dei test di vita utile (load life test) standard applicati ai con-
densatori in alluminio (alla tensione nominale e alla temperatura
nominalemassima) misurano il tempo che intercorre fino al mo-
mento in cui il condensatore sperimenta una riduzione della ca-
pacità del 20 o 30% rispetto al suo valore iniziale, un incremento
del 200 o del 300% della tangente di perdita (ovvero una misura
delle perdite di potenza ascrivibili al dielettrico) o un incremento
del 200%della corrente di perdita, a seconda di quale condizione
si verifica per prima.
Questi limiti standard forniscono un metodo rapido, anche se
abbastanza approssimativo, per confrontare le prestazioni di di-
spositivi concorrenti. Essi comunque non rispecchiano necessa-
riamente i requisiti di ogni applicazione. Quindi, per ottimizzare
il compromesso tra durata e costo e individuare il condensatore
più adatto per un particolare alimentatore, il progettista deve cal-
colare l’aspettativa di vita dei condensatori in fase di valutazione
nelle condizioni operative previste per l’applicazione considerata.
Prima di fare ciò, è utile verificare in che modo sarebbe possibi-
le modificare le condizioni operative dell’alimentatore in modo
da minimizzare i rischi per ciascuno dei condensatori elettrolitici
presenti sulla scheda. Le caratteristiche elettriche dei condensa-
tori elettrolitici in alluminio sono più sensibili alla temperatura
rispetto a quelle di altre tipologie di condensatori. Ciò è dovuto
all’elettrolita liquido presente nei condensatori in alluminio le
cui proprietà (come conduttività e viscosità) sono fortemente in-
fluenzate dalla temperatura.
Al fine di ridurre l’esposizione alle alte temperature del dispositi-
vo, il progettista deve comprendere il flusso dell’energia termica
attraverso di esso (Fig. 1). All’interno della linea tratteggiata, tutti
i materiali si trovano alla temperatura di giunzione del dispositivo
(T
j
), mentre all’esterno la temperatura è quella ambiente (T
a
).
il calore generato all’interno della linea tratteggiata è trasportato
all’esterno per convezione, radiazione e conduzione.
Se il progettista riuscisse a implementare un mezzo per miglio-
rare la fuoriuscita del flusso di calore dal condensatore, sarebbe
possibile aumentare l’aspettativa di vita dello stesso. In base alla
teoria di Arrhenius, la vita utile di un condensatore in alluminio
raddoppia in corrispondenza di ogni diminuzione di 10 °C della
temperatura ambiente. Tale diminuzione influenza direttamente
il calcolo della durata fatto dal progettista nei casi in cui il calore
prodotto dalle perdite di tipo resistivo (per esempio nei circuiti
di temporizzazione) risulti trascurabile. Di seguito è riportata la
relazione che lega durata e temperatura ambiente:
dove
L = vita stimata [ore]
L
0
= vita alla temperatura nominale [ore]
Fig. 2 – Esempio di calcolo della durata prevista di
numerosi condensatori condotto su un ampio inter-
vallo di temperature ambiente