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Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiserie?

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[31] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto UtenteSediciAmpere » 20 apr 2015, 14:07

Sono in parte d'accordo con Richiurci e in parte d'accordo con Caludiocedrone.
Bisognerebbe sapere di preciso come si comporta dal punto di vista elettrico un elettrolitico polarizzato al contrario: la tensione nel punto medio sarebbe esattamente la metà se i condensatori fossero uguali, ma sappiamo che un condensatore elettrolitico polarizzato al contrario non funziona bene, quindi anche la capacità potrebbe non essere la stessa
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[32] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto Utenterichiurci » 20 apr 2015, 14:41

non solo la capacità, ma anche altre grandezze caratteristiche, in particolare la R parallelo che rappresenta la corrente nel dielettrico.
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[33] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto Utenteobiuan » 20 apr 2015, 16:25

breve spiegazione senza entrare troppo nel dettaglio (anche perché in chimica sono una pippa e rischierei di scrivere castronate):

un condensatore elettrolitico è composto da:

- un foglio anodico (alluminio) rivestito di uno strato di ossido depositato in fase di costruzione (forming)
- un foglio di carta imbevuto di un elettrolita
- un foglio catodico (sempre alluminio)

i tre fogli sono avvolti a spirale tramite un procedimento che prende il nome di wounding.

La capacità non è fra anodo e catodo, ma fra anodo ed elettrolita, il catodo funziona solo da collettore di cariche, in pratica serve a mettere in contatto l'elettrolita con l'esterno.

Il fatto che siano "polari", deriva direttamente dalla chimica interna. Una polarizzazione inversa sufficientemente alta, se ricordo bene sopra 1.5V circa, causa il cosiddetto valve effect che in sostanza (mi perdonino i chimici per la scarsa precisione, se c'è qualcuno che può essere più preciso lo leggerei volentieri) porta l'elettrolita in corto con l'anodo e dunque, la conseguente alta corrente che ne deriva causa il danneggiamento e l'eventuale esplosione.

Negli elettrolitici cosiddetti NP (No Polarity), il foglio catodico è sostituito con un altro foglio anodico, i due condensatori pertanto condividono l'elettrolita.

Se si mettono due condensatori polarizzati in anti-serie, si ottiene una cosa simile (ma peggiore, soprattutto per il costruttore perché c'è la capacità catodica che va a finire in serie a quella anodica e quindi è costretto a compensare con anodi più lunghi per ottenere lo stesso valore di capacità), solo con i catodi in comune.

La capacità risulta in effetti dalla classica formula del parallelo \frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} ma la tensione totale massima non si somma, resta uguale alla minore delle due. Infatti in ogni semionda, proprio per il valve effect, il condensatore che non è polarizzato correttamente si comporta sostanzialmente da corto circuito, e dunque tutta la tensione va a finire sull'altro.
Ultima modifica di Foto Utentegotthard il 20 apr 2015, 16:31, modificato 1 volta in totale.
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[34] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto UtenteSediciAmpere » 20 apr 2015, 19:53

Grande!!!!!!
Mille pollici in sù per Foto Utenteobiuan
era proprio la spiegazione che cercavo
Cercando "valve effect" su google, ho trovato questo , è spiegato semplificato, ma chiaro
Praticamente nel punto medio c'è una tensione pari a 1,5V più del lato caricato inversamente
La coppia di condensatori in antiserie funzionerebbe meglio se si forza il nodo dei due catodi ad un potenziale più negativo dei due anodi con una resistenza?
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[35] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto Utenteclaudiocedrone » 20 apr 2015, 20:22

:-) Grande si; finalmente una spiegazione tecnica da qualcuno che ne sa qualcosa :ok: però... io non sono soddisfatto per una serie di motivi... non è la spiegazione che non mi soddisfa ma, in primis, non sono soddisfatto di me stesso in quanto tante cose che credevo di sapere risultano errate #-o. in secundis non sono soddisfatto poiché da ciò ne deriva che in questo thread ho scritto una marea di castronerie tecniche senza che nessuno si degnasse di appiopparmi dei meritatissimi voti negativi e questo fatto avvalora le teorie complottiste di Foto Utenterichiurci in merito di reputation, e infine perché Foto Utenteobiuan ha scritto "la capacità risulta in effetti dalla classica formula del parallelo" e invece a me quella sembra tanto la classica formula della serie di condensatori... :? :roll: :? ... O_/
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[36] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto Utenteobiuan » 20 apr 2015, 20:26

claudiocedrone ha scritto:...perché Foto Utenteobiuan ha scritto "la capacità risulta in effetti dalla classica formula del parallelo"


Obiuan ha scritto così perché. ..obiuan se almeno una castroneria non la scrive non è contento :-) ovviamente hai ragione, è la serie per i condensatori. Anzi, adesso per confermare ulteriormente la tesi complottista...ti piazzo pure un voto positivo! :D
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[37] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto Utentesandroz84 » 20 apr 2015, 21:43

Quindi alla fine "ci avevo ragione io" ?^!
2 condensatori elettrolitici da 100V 50uF in antiserie diventano come un non polarizzato da 100V 25uF con il piccolo problema che avrà una tolleranza ben più elevata di un ceramico/poliestere.
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[38] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 20 apr 2015, 23:14

Dobbiamo valutare due cose:

  1. Il comportamento dell'elettrolitico in tutte le regioni di funzionamento;
  2. la variazione dei parametri che si ottiene collegando due elettrolitici in antiserie.

Per il primo punto abbiamo bisogno di un modello dell'elettrolitico.
Usiamo il modello di Cornell Dubilier:

Dove:
ESR:(Equivalent Series Resistor) Rappresenta la resistenza serie equivalente (perché composta dalla struttura metallica del condensatore ma anche dalla resistenza della cella elettrochimica che si forma). Non è perfettamente lineare ma tende a salire con il diminuire della frequenza. Dipende dalla capacità e dalla temperatura del condensatore. Naturalmente contribuisce ad innalzare la temperatura se le si fa dissipare potenza. Varia da una decina di ohm per condensatori piccoli a qualche frazione di ohm per condensatori molto grandi. Tende ad aumentare col tempo e l'invecchiamento del componente.

ESL:(Equivalent Series Inductor) Rappresenta l'induttanza serie equivalente (perché composta dalla struttura metallica del condensatore. Gli effetti di cella sono trascurabili) E' pressochè indipendente dalla temperatura e dalla tensione applicata. E' dell'ordine del nH ma varia con la dimensione fisica del condensatore.

EPR:(Equivalent Parallel Resistor) Rappresenta la resitenza parallelo equivalente per tenere conto delle perdite del dielettrico, cioè quel sottile strato di ossido di Al formatosi all'interfaccia fra l'elettrodo e la cella elettrochimica. A tal proposito, esiste un potenziale di semicella (Faraday) che non viene considerato presente ai capi di questa resistenza ma viene inglobato nel diodo zener.

C:E' la capacità del condensatore. Cioè l'unico parametro che vorremmo avere :D E' poco noto, ma varia con la temperatura e la frequenza e l'ampiezza delle variazioni è funzione della tensione di lavoro e dalle dimensioni meccaniche del condensatore. E' invece noto che la tolleranza di questo parametro è molto ampia, nel migliore dei casi abbiamo un ±20%, ma potremmo avere anche -10% +75% (!).
Le tolleranze migliori si hanno per capacità piccole e ad alti valori di tensione di lavoro.

Ecco un grafico che riporta l'andamento della reattanza e della ESR in funzione della frequenza:
Z-ESR.png


Nella prima zona il condensatore si comporta come tale, nella seconda zona si comporta come una resistenza, nella terza come una induttanza.
Si vede la non linearità della ESR con la frequenza. Gli audiofili accusano questa variazione come fonte di distorsione. Sospetto che si tratti di una "audiofilata" ;-) .

EVM:(Equivalent Voltage Model) Rappresenta il comportamento del condensatore in funzione della tensione applicata.
Se la tensione applicata è positiva fra anodo e catodo lo zener è semplicemente un diodo in polarizzazione inversa e il condensatore si comporta come un condensatore "normale" di bassa qualità, cioè con ESR piuttosto alta e EPR piuttosto bassa.
Se la tensione cresce troppo lo zener entra in conduzione e si ha scorrimento di corrente nella cella elettrochimica, la quale si comporta (ovviamente) come tale: si ha elettrolisi con liberazione di idrogeno gassoso. Se la corrente è tale per cui si ha una dissipazione di potenza significativa nella ESR e nella EPR (di solito trascurabile in quest'ultima, a meno che la tensione di lavoro dell'elettrolitico non sia piuttosto alta) la temperatura può salire in modo notevole e l'elettrolita interno può bollire, facendo ulteriormente aumentare la pressione interna, che può salire a livelli notevoli e può essere sufficiente a far saltare via il cappellotto plastico che funge da bloccaggio per gli elettrodi, oppure, nei condensatori molto grandi, essere sufficiente a far saltare la valvola di sicurezza.
Voglio far notare che i due fenomeni sono diversi: uno è dovuto all'elettrochimica (produzione di H) e l'altro è sostanzialmente termico.
Per rendersi conto che l'effetto elettrochimico è sufficiente, da solo, a far esplodere il condensatore è sufficiente superare la tensione di lavoro, tanto da far scorrere una corrente significativa al suo interno, con il corpo del condensatore immerso in acqua e ghiaccio.
Per rendersi conto che il solo effetto termico è sufficiente a farlo esplodere è sufficiente riscaldare il condensatore con la fiamma di un accendino.
Per far scorrere corrente nella cella elettrochimica è anche possibile invertire la tensione fra A e K, lo zener si comporta da diodo ordinario e quando si supera la tensione di semicella della cella elettrolitica (che è rappresentata dalla tensione di conduzione diretta del diodo) quest'ultimo entra in conduzione, provocando gli effetti di cui sopra.
Il potenziale di semicella è dell'ordine di 1.5-2 V, a seconda del condensatore.
Notare che la cella elettrolitica è formata dalla EPR, da C e da EVM.
Nel modello che ho riportato si hanno problemi quando, per un motivo qualunque, scorre una corrente continua nella cella, che ho rappresentato con I_{dc}.


Adesso, con un modello, possiamo parlare con cognizione di causa.
Mettiamo due condensatori in antiserie:



Se avessimo unito gli anodi invece dei catodi avremmo semplicemente invertito gli zener, ma in sostanza non sarebbe cambiato nulla. Prima cosa che abbiamo scoperto.

Se chiudiamo questo circuito, a capacità scariche, su un generatore di tensione, notiamo che uno dei due diodi entra in conduzione. Si potrebbe pensare al partitore capacitivo, ma qualunque tensione sia presente sul condensatore che ha in parallelo lo zener rivolto con la polarità concorde al generatore lo fa entrare in conduzione -perchè uno zener è anche un diodo ordinario- e riduce quella tensione ad un valore al massimo pari al potenziale di semicella, cioè dalle parti di 1.5-2V circa.
L'altro condensatore, che ha il diodo in parallelo ma con tensione discorde rispetto al generatore, che non può entrare in conduzione (sempre restando nei limiti della tensione massima ammissibile, chiaramente) si sobbarca l'intera differenza di tensione.
Per questo ho risposto, nei miei post precedenti, di valutare la tensione nel punto centrale.

La capacità è quindi equivalente alla serie delle due capacità, cioè pari a C_{eq}=\frac{C_1 \cdot C_2}{C_1 + C_2}.
La tensione di lavoro è quella minima fra le due capacità e non la loro somma: quando si sale in tensione uno dei due zener è in conduzione diretta (tensione pari al potenziale di semicella) mentre l'altro si carica l'onere di reggere praticamente l'intera tensione sottoposta al condensatore.

Le ESR e le ESL si sommano, quindi il range di frequenza in cui il condensatore si comporta da capacità è più piccolo, aumentano le perdite, aumenta la temperatura di lavoro della capacità e diminuisce la prontezza di rispondere ad improvvise richieste di corrente.

Il risultato non è soddisfacente: capacità più piccola, tensione di lavoro uguale a quella precedente, parametri parassiti che aumentano.

Però, se la risposta è sostanzialmente "capacità in serie, tensione non pari alla somma", perché avevo risposto "no", per dire che le cose non stanno così?

perché non si erano considerati i parametri parassiti. Non è una finezza, in questo caso.
Poi non abbiamo fatto i conti con le tolleranze...
Non mettiamo praticamente mai due capacità uguali in antiserie, anzi, viste le tolleranze, è facile invece mettere capacità molto diverse in serie fra loro.
La tensione si distribuirà in modo non uniforme sulle capacità, facendo invecchiare più rapidamente una dell'altra.
Quando un elettrolitico invecchia, l'ESR aumenta, la capacità diminuisce e la EPR diminuisce (peggiora lo strato di ossido). Questo fa sì che la capacità che invecchia per prima si sobbarca sempre più tensione (partitore capacitivo), cosa che la spinge ad invecchiare ancora di più in fretta. :(
Succede una cosa ancora peggiore: durante le inversioni di polarità, quando una capacità si scarica e l'altra si carica, si ha sempre un po' di passaggio di corrente continua per la cella elettrolitica. A lungo andare questo danneggia lo strato di ossido, quindi la EPR si abbassa, cosa che fa aumentare la corrente che scorre nella cella, cosa che fa diminuire la EPR e... a lungo andare il condensatore si rovina, se le correnti sono piccole. Se le correnti sono un po' più grandi... BOOM.

In definitiva questo metodo per realizzare un elettrolitico non polarizzato ha davvero molti difetti, meglio non utilizzarlo.
Spero di avere risposto e di essermi ricordato tutto (spero :D )

Ciao,
Pietro.
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[39] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto Utenteposta10100 » 20 apr 2015, 23:30

Se ho capito bene quanto dici, se la tensione massima è molto piccola, diciamo meno di 1V, allora i due zener non entrano in conduzione e il collegamento in antiserie è accettabile.

Sbaglio?

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[40] Re: Elettrolitico non polarizzato o elettrolitici in antiser

Messaggioda Foto Utenterichiurci » 20 apr 2015, 23:31

grazie Pietro, 3d aggiunto ai preferiti per il circuito equivalente degli elettrolitici.

Non li uso mai in antiserie, ma aiuta a capirne meglio il funzionamento.

@Claudio: nessun complotto, semplicemente alcuni usano i voti in base a simpatia e antipatia più che per quello che si scrive. Forse perché credi che mi faccio gli account multipli :lol:

Infatti non ti ho ricambiato il torto solo per evitare l'inizio di una pericolosissima, ennesima faida su EY #-o
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