- Quando si effettua la ricerca dei guasti negli apparecchi elettronici, si tenga presente che in particolare i condensatori elettrolitici possono degradarsi provocando un significativo ed inaccettabile aumento della ESR senza una similare riduzione della capacità in uF quando si effettua la misurazione con un tipico tester digitale provvisto di funzione di capacimetro, o finanche su un economico misuratore di LCR.
- Esistono in commercio dei misuratori di ESR e kit di prezzo variabile da 50 a 200 dollari ed oltre. Questi apparecchi sono in genere utilizzati anche per misurare le resistenze tipicamente molto ridotte di dispositivi o circuiti non induttivi (vengono utilizzate correnti alternate e quindi le misure di induttanza potrebbero risultare in letture poco accurate). Visto che la portata più bassa è di almeno 10 volte inferiore rispetto a quella di un tipico tester digitale (1 Ohm fondo scala, con risoluzione di 0,01 Ohm), è possibile utilizzarli per localizzare componenti in cortocircuito sui circuiti stampati.
- In sostanza, la ESR è senza dubbio correlata al Fattore di Dissipazione (DF), ma non si tratta dello stesso argomento. Un dispositivo per la misurazione del DF potrebbe non identificare prontamente un condensatore guasto come farebbe un misuratore di ESR, visto che la lettura è variabile e indiretta, come mi accingo a descrivere.
- E' possibile immaginare un condensatore come composto da pura capacità (C) ed una qualche pura resistenza (R), entrambi gli elementi in serie. Un condensatore ideale dovrebbe presentare solo C, e nessuna R. Ad ogni modo, i terminali e le armature presentano una certa resistenza e contribuiscono al reale fattore R. Qualunque R in serie con C tende a ridurre l'abilità del condensatore di far passare la corrente in risposta al variare della tensione applicata, come nelle applicazioni di filtraggio o isolamento DC, e dissipa del calore che costituisce uno spreco e spesso può portare al guasto del componente. Come nella ESR, un DF più basso (o Q più elevato, che è inverso) potrebbero essere uguagliati con migliori prestazioni, rimanendo costanti tutti gli altri parametri.
Iniziamo
ora ad utilizzare un po' di matematica, limitandoci comunque alla teoria
elettronica di base e relative formule, in modo tale che il discorso
possa essere comprensibile da chiunque.
Il DF è
definito come Rc/Xc, cioè il rapporto tra la R (Rc) e la reattanza
del condensatore (Xc). Maggiore la Rc, maggiore il DF e minore la qualità
del condensatore. Tutto bene sin qui.
La reattanza
(Xc) varia in funzione della frequenza. Xc=1/(2*pi*f*C). Quindi, al
salire della frequenza, Xc scende. Ora ritorniamo alla formula per calcolare
il DF. DF è funzione inversa di Xc. Al decrescere di Xc, cresce
DF, e viceversa. Quindi DF varia proporzionalmente con la frequenza.
Ecco un
esempio che utilizza il classico condensatore elettrolitico da 22 uF
16 Volt, che sembra essere troppo spesso guasto in molti alimentatori
a commutazione.
A 1000
Hz, questo condensatore presenta una Xc di 7,2 Ohm. Se la Rc in serie
è di soli 0,05 Ohms (abbastanza buona), allora il DF è
di 0,0069.
A 50.000
Hz, questo stesso condensatore presenterebbe una Xc di soli 0,14 Ohm.
A questa frequenza, il DF è di 0,36, ancora buona.
Ora, variamo
la Rc da 0,05 a 25 Ohm. A 1000 Hz, DF = 3,4. A 50.000 Hz, DF = 178.
Vediamo
quindi che il DF varia in funzione della frequenza di test. Maggiore
la frequenza, maggiore il DF. Il DF misura la "qualità"
del condensatore, ma la figura è valida solo alla frequenza di
test. Un buon condensatore, con una Rc ideale uguale a zero, è
caratterizzato da una DF di zero indipendentemente dalla frequenza.
Il DF può
senza dubbio essere utilizzato per identificare un cattivo condensatore,
ma l'utente deve interpretare il livello del DF misurato, che rivelerebbe
un cattivo componente. Una tabella di valori DF 'ok/non ok' risulterebbe
valida solo alla frequenza specificata. Come alternativa, l'utente può
calcolare la Rc misurando innanzitutto sia DF che C e quindi, nota la
frequenza di test, stabilire se la Rc risulta eccessiva. (Rc=DP*Xc).
Ad ogni
modo, il sistema di misurazione della ESR adottato dai vari strumenti
non sembra essere una funzione di Xc. Viene misurata la tensione ai
terminali del condensatore, risultante dall'applicazione di un brevissimo
impulso di corrente. Tale impulso non è sufficiente a caricare
il condensatore, e quindi la tensione misurata ai terminali del componente
è principalmente una funzione di Rx, che non è sensibile
alle variazioni di frequenza. E, con le 'tavole' delle tipiche ESR (=Rc)
fornite con i misuratori di ESR che ho avuto modo di vedere, non c'è
alcun bisogno di effettuare ulteriori calcoli.
I misuratori
di ESR non risultano affidabili in presenza di condensatori di capacità
molto ridotta. In questo caso, i componenti si caricano maggiormente
per via della corrente applicata nel momento in cui lo strumento campiona
la tensione. Anche se la Rc è uno zero Ohm ideale, lo strumento
legge la tensione accumulata dal condensatore e la interpreta come una
ESR molto elevata (forse superiore al fondo-scala). Quindi il suo vantaggio,
e la finalità primaria, consiste nel controllo degli elettrolitici
che in genere risultano di capacità più elevata.
Nota: l'incapacità
dei misuratori di ESR di controllare i condensatori di bassa capacità
vale solo se lo strumento non è in grado di distinguere tra le
tensioni in fase e quadratura, come in effetti accade. Se fosse in grado
di rivelare solo la tensione in fase prodotta su Rx (in fase cioè
con la corrente applicata), allora non risulterebbe affatto sensibile
alla tensione ritardata (meno 90 gradi) accumulatasi sulle armature
del condensatore.
Ai condensatori
elettrolitici piace lavorare al fresco! Se c'è qualcosa che questi
condensatori non possono sopportare, è il calore, che li fa asciugare.
Esistono
condensatori elettrolitici di (almeno) due differenti temperature massime
di lavoro: 85 e 105 gradi Centigradi. Gli ultimi risultano ovviamente
più resistenti alle alte temperature. Sfortunatamente tendono
a presentare una maggiore ESR rispetto ai loro simili da 85 gradi Centigradi.
Quindi, in un'applicazione dove il calore è causato da I^2 *
dissipazione ESR, i condensatori da 105 gradi potrebbero in effetti
costituire una scelta *peggiore*! Se il calore è dovuto ad una
vicina aletta di raffreddamento, allora il tipo da 105 gradi rappresenta
di sicuro la scelta migliore.
Cura,
alimentazione, ed imagazzinamento dei condensatori elettrolitici
Tecnicamente, un elettrolitico "stantio" (più di un anno rispetto alla sua data di produzione) presenterebbe una eccessiva perdita DC, e andrebbe adeguatamente ricondizionato prima dell'utilizzo. In pratica, nel 99 per cento dei casi non si è mai trattato di un problema (l'unica eccezione è costituita dai critici circuiti di temporizzazione/ad accoppiamento diretto, molto rari oggiogiorno). Il caso peggiore con cui mi sono scontrato nell'installazione di un elettrolitico rimasto a lungo depositato è stato un circuito leggermente instabile per 15 minuti, ma che si è in seguito ripreso senza MAI manifestare nuovamente il comportamento iniziale (non accetto perà scommesse sul funzionamento di un eventuale componente cosà vecchio da essere coperto da "fibrisse").
Quando vecchio è davvero vecchio? Ritengo che fino a cinque anni sullo scaffale non dovrebbero in pratica costituire un problema. Ma dieci anni di inattività POTREBBERO scombussolare un po' la situazione.
Tecnicamente, se leggete i fogli di specifica dei condensatori elettrolitici, troverete che la migliore (cioè la più bassa) perdita DC non ha luogo fino a che il componente non è REALMENTE utilizzato per almeno il 10% della durata totale prevista: in genere un condensatore elettrolitico da 1.000 ore a 105C non raggiunge la minor perdita DC fino a che non viene utilizzato per 100 ore a 105C (o per 600 ore a 65C, ma questa conversione è un'altra storia).