Tutto quello che avreste voluto sapere sulla qualità dei condensatori

TECNICA
Tutto quello
che avreste voluto sapere
sulla qualità dei condensatori...
(e che nessuno prima ha mai dimostrato)
S
e i prodotti di punta dell'Hi-Fi
vengono mostrati aperti nelle
fiere e nelle prove delle riviste
dipende da una precisa ragione: l'audiofilo deve poter sincerarsi "de visu"
dell'ordine del layout, del dimensionamento delle sezioni e della qualità della
componentistica. Trascurando il capitolo "ordine" perché solo quello apparente è per l'appunto a portata di colpo
d'occhio (mentre l'ordine "vero" è quello che impronta i percorsi e soprattutto
i circuiti di massa, ma che ovviamente
sfugge all'analisi superficiale), il dimensionamento di alimentazione e radiatori
può anche essere parzialmente valutato
a vista. Dove invece l'aleatorietà diventa
estrema è sulla qualità della componentistica: tolte le resistenze a bassa tolleranza, i potenziometri delle sole 3-4
aziende rimaste a produrne di eccellente qualità, e qualche nome più o meno
di spicco in tema di trasformatori, il
"grosso" delle attenzioni si concentra di
solito sui condensatori, vero e proprio
campo di battaglia degli onnipresenti
"guru" dell'ascolto, ormai tanto influenti da spingere ad esempio un ben noto
produttore ad usare il colore rosso per
tutta la propria produzione, essendo ormai "acquisito" - sempre per i suddetti
guru - che il colore rosso è sinonimo di
polipropilene (e, invece, proprio no...).
In cosa si differenziano i condensatori?
E soprattutto, quali sono le loro vere
prestazioni? Possiamo misurarli?
Tagliando corto rispetto a problematiche che in prima approssimazione non
ci interessano, per i nostri scopi i parametri fondamentali sono sostanzialmente due:
- linearità
- ESR ed altre impedenze in serie.
La linearità riguarda quel fenomeno per
cui la capacità istantanea viene modulata dalla tensione applicata, generando una distorsione non lineare. Due sono le tipologie di condensatori affetti
da questo problema: ceramici ed elettrolitici al tantalio. I loro problemi sono
ben noti "quasi" da sempre, nel senso
che vennero evidenziati in articoli curati
da uno dei Grandi della progettazione
Audio, il prof. Stefano Sgandurra, alla
fine degli anni '70 sulla rivista Suono
Stereo HiFi. Da allora sono stati pratica-
AUDIOREVIEW n. 353 luglio 2014
mente banditi sul percorso del segnale
audio sebbene, di quando in quando,
l'inesperienza di qualche progettista
giovane fa riapparire i ceramici nelle
compensazioni dei finali di potenza, in
ragione dell'ottimo comportamento ad
alta frequenza ottenibile con questa tipologia di dielettrici. Con un minimo
ma fondato ottimismo, possiamo quindi assumere che la linearità dei condensatori non sia un problema nei circuiti
almeno discretamente progettati.
La ESR (Equivalent Series Resistance) è
invece importante sotto vari profili. Essa
rappresenta ovviamente la resistenza
equivalente in serie al condensatore, ed
è un parametro notevole sia sotto il profilo della qualità degli amplificatori in cui
quei condensatori vengono impiegati
sia, addirittura, sulla vita operativa attesa
per quel componente, nel caso in cui
l'applicazione sia particolarmente stressante. Un condensatore ideale sfasa la
corrente esattamente di 90 gradi rispetto alla tensione applicata, e questa è per
l'appunto una misura della sua bontà,
che la ESR (ed eventuali altre impedenze parassite) possono inficiare.
La misura della ESR può sembrare un
problema di semplice risoluzione, e la
semplicità concettuale di taluni ESR meter disponibili sul mercato sembrerebbe
confermarlo. Si tratta di dispositivi che
applicano treni di piccoli segnali impulsivi sul condensatore da misurare, misurando quanta tensione appare tra le armature e partendo dal presupposto che
la carica fornita sia tale da non caricare
apprezzabilmente il condensatore stesso. In questo modo si può indubbiamente conoscere in modo semplice e
rapido se un elettrolitico montato nella
sezione di livellamento di un alimentatore switching esploderà nel volgere di
un breve ciclo di vita, ma a noi audiofili,
che di quel componente vogliamo conoscere l'influenza sui segnali musicali,
quella lettura dice poco o nulla.
Quello che a noi interessa sapere è se
e quanto - ad ogni frequenza della banda audio - un condensatore presenta
una capacità stabile ed è in grado di
ruotare la corrente di 90 gradi, come da
modello teorico. Possibilmente, questo
dato dovrebbe essere acquisito mediante un segnale complesso e non una
semplice sinusoide, sia perché tale è la
musica, sia perché non possiamo dare
per scontata a priori l'assenza di forme
di distorsione non lineare.
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TECNICA
Figura 1 - Uno dei condensatori in polipropilene da 6,8 μF utilizzati nel
PA-60X e la relativa impedenza interna, misurata con una procedura
che consente la completa ricostruzione di questo parametro
svincolandosi dalle costrizioni indotte dalle tipiche condizioni al
contorno. Nel range di frequenze considerato (10-23.000 Hz) il
risultato collima in modo pressoché completo con il modello ideale di
un condensatore privo di perdite e reattanze parassite.
Figura 2 - Impedenza interna di uno degli elettrolitici di
filtraggio principale del PA-60X. Pur se l'errore di misura
è in questo caso comparabile con il valore cercato, l'esito
è comunque entusiasmante: circa 3 milliohm di ESR a
media frequenza (il costruttore dichiara 5,6 mohm
massimi) ed un residuo induttivo molto contenuto.
Può sembrare strano che nel 2014 non
esista un setup ed una metodologia
standard per eseguire questa rilevazione... eppure è così!
Noi però ce l'abbiamo, e ne parleremo
nel corso dei prossimi mesi. Nel frattempo consigliamo gli interessati a cercare di replicare quello che presentiamo qui con LIMP, sezione di un bellissimo software (ARTA) realizzato da un
professore di Split (Croazia), reperibile
sul web ad un costo molto contenuto.
Si tratta di un programma peraltro già
molto ben noto tra gli appassionati di
autocostruzione, anche perché consente la misura dei parametri di Thiele &
Small. Con LIMP non è possibile arrivare a misurare la ESR di elettrolitici di alta capacità ed alta qualità, né la piena
idealità di un condensatore anche a
bassa frequenza, ma permette di discernere abbastanza bene tra il "buono" ed il "cattivo" nell'ambito delle
reattanze di normale utilizzo. Già in
quest'ambito, siamo convinti che molti
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appassionati si accorgeranno di comportamenti che nessuno sospettava, soprattutto in materia di induttanze.
Ma torniamo a noi. Nella zona superiore di Figura 1 vediamo uno dei condensatori Icel in polipropilene utilizzati
all'interno del PA-60X, ovvero un 6,8
microfarad della serie PHC (che dovrebbe stare per "Polypropylene High
Current") nominalmente capace di gestire 270 ampère di picco e 10,5 ampère continui a 100 kHz, per una ESR pari
a 3,1 milliohm. Nella scala della "nobiltà" dei diettrici il polipropilene è sotto solo al polistirene e ben al di sopra
del poliestere, ma quanto il suo comportamento approssima quello ideale?
Possiamo ovviamente apprenderlo dalla
parte inferiore della stessa figura, ove è
riportato il modulo (in rosso) e la fase (in
giallo) della sua impedenza nel range da
10 a circa 23.000 Hz su un piano bilogaritmico frequenza-ampiezza (per il modulo, da 10 milliohm a 10.000 ohm) e su
una scala di ampiezza lineare per la fase
(da -180 a +180 gradi). Un condensatore
ideale dovrebbe presentare, in un piano
bilogaritmico, una retta inclinata per il
modulo ed una retta orizzontale, inchiodata sui -90 gradi, per la fase: il che è
esattamente quanto osserviamo nel
range di frequenze considerato. Nelle
piccole finestre in alto possiamo poi leggere il valore di capacità e di ESR a frequenze specifiche, e da qui apprendiamo da un lato che la capacità è costante
con la frequenza (così non è per gli elettrolitici) e che la ESR è certamente minore di 7 milliohm. L'accuratezza di questa
misura dipende dal setup impiegato e
dalla frequenza: il primo non permetteva
di salire oltre i 23 kHz, ed a questa frequenza il modulo di un 6,8 μF vale ancora 1 ohm, ovvero 3 ordini di grandezza al
di sopra del valore di ESR da verificare.
La fase bloccata a -90 gradi fino all'estremo alto permette però di confidare
nella totale bontà del componente.
Potrebbe sembrare un risultato straordinario, ma si tratta di un comportamento
AUDIOREVIEW n. 353 luglio 2014
TECNICA
Figura 3 - Impedenza interna di un ottimo elettrolitico "flash" da 2.200 μF. La
ESR vale circa 20 mohm.
sostanzialmente estensibile a tutti i condensatori a polimeri, perlomeno
nel range di frequenze fino a 100 kHz, anche se il polipropilene è ovviamente più adatto laddove siano richieste alte correnti di picco; un'analisi
estesa fino ad alcuni megahertz - al momento però non realizzabile - evidenzierebbe invece risonanze molto differenziate.
E veniamo infine alla parte "clou" del test, la verifica della bontà degli
elettrolitici di filtraggio. Per poterla effettuare, abbiamo dovuto impiegare
una cura certosina tanto nella calibrazione del sistema di misura quanto
nella collocazione dei morsetti di connessione, ed anche in questo modo
è rimasta un'incertezza valutabile in circa 3 milliohm in termini di modulo.
Inoltre è stato necessario effettuare un numero enorme di medie: ben
1.300, corrispondenti ad un tempo complessivo di poco più di un'ora.
In Figura 2 possiamo vedere uno degli elettrolitici "main" da 220.000
μF e la sua impedenza. La sua lettura non è agevole come la precedente, perché il segnale misurato è talmente piccolo, e quindi poco risolto,
che l'analisi selettiva non può non presentare un forte spread. L'andamento dell'inviluppo è però comunque chiaro: dopo un primo tratto in
cui il modulo scende linearmente e la fase vale approssimativamente
-90 gradi (per grandi linee, da 10 a 200 Hz), il valore del tratto rosso si
allinea tra i 2 ed i 3 milliohm, per poi salire fino a circa 8 milliohm a 20
kHz. Dato che anche la fase sale sopra i 200 Hz fino ad avvicinare i +90
gradi a 20 kHz, se ne deduce facilmente che si tratta di una componente induttiva parassita, di valore apparentemente prossimo ai 30 μH.
Si tratta di una misura addirittura entusiasmante; questo Nippon Chemi Con da 220.000 μF/35 V era, al momento in cui è stato misurato, di
gran lunga il miglior condensatore polarizzato di filtro esaminato nel
corso dei 2 anni di sperimentazione della procedura di cui sopra. Per
dare un'idea di quanto si incontra normalmente riportiamo, in Figura
3, la misura effettuata su un elettrolitico "flash" da 2.200 μF, ovvero un
condensatore costruito per scarica rapida e quindi anche a bassa ESR:
l'andamento è ottimo (sempre in tema di elettrolitici, ovviamente) fino
a circa 1.000 Hz, ma la ESR vale circa 20 milliohm.
"Al momento in cui è stato misurato" significa che poi abbiamo messo
sul banco il "fratello maggiore", ovvero uno dei giganteschi condensatori
N.C.C. da 330.000 μF/50 V montati nel finale A-300X. Il risultato in Figura
4 lascia quasi senza parole: a media frequenza la mediana della curva di
modulo si colloca sotto i 2 milliohm. Ne deriverebbero correnti limite di
scarica dell'ordine di molte migliaia di ampère per ambo i componenti,
anche se ovviamente una tale performance non è né nelle specifiche progettuali né è richiesta nelle condizioni operative, pur estremamente gravose, di un grande finale in classe A. Una ESR così bassa depone però
molto favorevolmente non solo rispetto alle prestazioni, ma anche all'affidabilità nel tempo del componente, dato che la corrente di ripple di un
classe A è sempre molto alta e che la ESR sale con la temperatura, creando, in presenza di valori non sufficientemente bassi, una sorta di "effetto
valanga" che può anche portare alla perforazione del dielettrico.
Qui, tuttavia, possiamo dormire tra quattro guanciali...
Fabrizio Montanucci
AUDIOREVIEW n. 353 luglio 2014
Figura 4 - Uno dei "mostri" montati nel finale A-300X, tra
i più grandi, veloci ed affidabili componenti di questo
tipo che l'industria dell'Audio abbia mai visto. Oltre 400
joule di energia trasferibili in tempi dell'ordine dei
millesimi di secondo grazie ad una resistenza parassita
serie dell'ordine di 2 millesimi di ohm. Sia questo
elettrolitico che il fratello "minore" montato nel PA-60X
sono del tipo capace di operare a 105 gradi, una
prerogativa imprescindibile in un finale in classe A.
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