Condensatore

 

Il condensatore è un componente elettrico che immagazzina l'energia in un campo elettrostatico.

 

 

Se si applica una tensione elettrica alle armature, le cariche elettriche si separano e si genera un campo elettrico all'interno del dielettrico. L'armatura collegata al potenziale più alto si carica positivamente, negativamente l'altra. Le cariche positive e negative sono uguali ed il loro valore assoluto costituisce la carica Q del condensatore. La carica è proporzionale alla tensione applicata e la costante di proporzionalità è una caratteristica di quel particolare condensatore che si chiama capacità elettrica e si misura in Farad:

 

C = \frac {Q}{\Delta V}

 

La capacità di un condensatore piano a facce parallele è quindi:

 

C = \varepsilon \frac {S}{d}

 

L'energia immagazzinata in un condensatore è pari al lavoro fatto per caricarlo.

 

\operatorname d W = V \operatorname d q = \frac {q}{C}\, \operatorname d q

 

Integrando questa equazione si determina l'energia potenziale U immagazzinata dal condensatore:

 

W = \int_0^Q \frac {q}{C} \,\operatorname d q = \frac {1}{2} \frac {Q^2}{C} = \frac {1}{2} C \, V^2 = U

 

 

Le armature di un condensatore piano si attraggono con una forza proporzionale al quadrato della tensione tra le armature stesse. Se le armature sono libere di muoversi esse modificano la propria posizione e conseguentemente la capacità producendo distorsione per intermodulazione.

Se la struttura possiede una frequenza di risonanza a quella frequenza il moto ha ampiezza massima con massima variazione della capacità e della distorsione.

Colloms ha misurato questa risonanza con un accelerometro. Probabilmente l’accelerometro aveva la stessa massa del condensatore o anche maggiore……

La forza tra le armature si annulla quando la tensione ai capi del condensatore è nulla (a frequenza alta).

Nei filtri passa alto la tensione decresce e si annulla nella banda passante (condensatore in serie al segnale)

Quando il condensatore è in parallelo al segnale (filtro passa basso) la tensione è massima nella banda passante ma la risonanza meccanica è in alta frequenza e non viene eccitata.

Dato che la risonanza meccanica delle armature di un condensatore è posta verso 5000 Hz se non viene eccitata è come se non ci fosse.

Quindi i condensatori che potenzialmente possono dare più fastidio sono quelli in serie al tweeter.

Per limitare questi fastidi:

-          usare filtri del primo o secondo ordine

-          porre in serie una resistenza

-          tagliare basso (molto meno di 5000 Hz)

 

i condensatori migliori sono quelli per uso impulsivo.

C’è anche un altro effetto: un condensatore tende ad attirare il dielettrico tra le armature. Ma questo non dovrebbe avere effetti perché il dielettrico si trova già “sul posto”.

 

 

 

 

d = distanza tra le armature

S = area della armatura

V = tensione applicata tra le armature

q = densità di carica presente sulla armatura

F = densità di forza applicata alla armatura

 

E = campo elettrico presente all'interno dello spazio fra le armaturedel vuoto che vale 8.8*10E-12

Capacità del condensatore a facce piane e parallele

 è la costante dielettrica del vuoto che vale 8.8*10E-12

All'interno di questo condensatore sussiste un campo elettrico tra l due armature (rapporto fra la tensione la distanza tra le armature)

Il legame fra la carica accumulata nel condensatore e la tensione fra le armature

densità di carica su ciascuna armatura è

 

forza applicata alla carica

q è la densità di carica sulla membrana

La forza complessiva sulla armatura vale F per la superficie

Forza tra le armature di un condensatore

 

Secondo Maxim i condensatori in serie sul percorso del segnale possono produrre più distorsione dei convertitore A/D. La soluzione consiste nell’eliminare gli accoppiamenti in AC o utilizzare dei circuiti attivi per ridurre il valore dei condensatori e utilizzare C0G

Maxim consiglia di abbassare di 10 volte la frequenza di passa alto negli accoppiamenti AC. In questo modo l’impedenza del condensatore in banda passante diventa molto bassa (trascurabile) e con essa la variazione della capacità con la caduta di tensione (intermodulazione).

 

 

Figure 5. This novel line-input stage reduces degradation due to voltage-coefficient effects. Including the traditional AC-coupling capacitor inside the amplifier's error path lowers the value of that capacitor, and enables the use of C0G capacitors in portable designs.

Figure 6. Frequency response for the circuit in Figure 5 shows a smooth rolloff below 10Hz with the -3dB point at 5Hz. The ultimate rolloff rate with decreasing frequency is 20dB/decade.


La capacità di un condensatore dipende dalla tensione. Alcuni produttori indicano la variazione della capacità in funzione della tensione in un grafico.

Per misurarla basta realizzare un filtro passa alto o passa basso del primo ordine e misurare la distorsione al variare della ampiezza del segnale in ingresso (anche con una misura di DI). 

La distorsione è massima alla frequenza di taglio.

 

Per il condensatore d 15uF 100 V  la massima tensione sinusoidale (50 Vrms) è sopportata fino a 700 Hz e poi cade a 10 Vrms a 7000 Hz. Se la temperatura aumenta la regione di funzionamento lineare si restringe ulteriormente. Superando i limiti si entra in una regione di funzionamento non lineare.

Questa è la principale causa di distorsione.

 

La tensione applicabile ai capi di un condensatore è molto minore della tensione di isolamento da cui la necessità di utilizzare condensatori con isolamento molto elevato.

A destra invece si vede la risonanza elettrica del condensatore per cui oltre una certa frequenza il condensatore si comporta come una induttanza.

 

Vishay MKP1837 (a.k.a. ERO MKP1830) 0,01uF MKP 100VDC – 1% tolerance

Technical specifications: Metallised polypropylene, radial capacitor, designed for LC/RC filter circuits, coupling and de-coupling at high frequencies.

Sound: I was tipped by Klaus Witte of Germany to try this capacitor as a bypass cap for the Mundorf M-CAP SUPREME. I tried them as a bypass for the tweeter series caps in my Progress speaker and I must say I am very impressed! To get straight to the point they don't change a Supreme into a Supreme Silver-Oil but they really do clear things up. I must admit I was sceptical at first as the value is only 10nF (0,01uF) - and the caps in the Progress are 12,6uF. The difference is most noticeable with classical music but also good quality recordings of jazz and fusion benefit: No change in sound stage width or depth but there is more "concert hall acoustics" that let you get into the recording more. Not as liquid as silver/oil but they take away the "grainy" edge from the Supreme's. A gain in clarity and transparency making instruments better separable from each other, the violins in an orchestra are a group of individual violins instead of one mass. Jazz drum brushes sound more like a brush than a "shush".

Verdict: Can’t live without them! – Use them as bypass cap with any capacitor, they cost practically nothing!

 

Condensatore (tipi di):

 

Condensatori in carta

Il dielettrico di questi condensatori è formato da una speciale carta impregnata con una sostanza fluida o viscosa. Per aumentare l'isolamento, nei condensatori in carta si accoppiano spesso due o più strati. L'avvolgimento finito viene poi nuovamente impregnato sottovuoto in olio isolante o annegato in resina. l condensatori in carta vengono di solito prodotti con una tolleranza del +/- 20%, e sono utilizzati in genere come condensatori di filtro.

 

Condensatori in carta metallizzata

Il condensatore in carta metallizzata  è  una particolare versione del condensatore in carta: invece di usare la lamina di alluminio per la formazione delle armature, il metallo viene vaporizzato sotto vuoto sulla superficie stessa della carta, ed ha lo spessore solo di un µm. Questi condensatori presentano il vantaggio che una perforazione del dielettrico non porta necessariamente al cortocircuito tra le armature, poichè il calore prodotto dalla perforazione stessa fonde lo strato metallico della zona corrispondente evitando il possibile cortocircuito. I  valori di capacità arrivano fino a 32 µF, e con tensioni di lavoro di parecchie migliaia di volt.

 

Condensatori ceramici – NP0 – C0G

Il dielettrico dei condensatori ceramici è costituito da una massa ceramica la cui costante dielettrica va da 10 e 10.000. I condensatori ceramici a bassa costante dielettrica si distinguono per la stabilità del valore capacitivo e per le perdite molto basse, e quindi sono i preferiti per l'utilizzo nei circuiti oscillanti e ad alta precisione. I condensatori ad elevata costante dielettrica permettono di ottenere capacità elevate con scarso ingombro. I condensatori ceramici hanno in generale piccole dimensioni, e vengono utilizzati di preferenza nella tecnica delle alte frequenze. A seconda delle necessità sono disponibili in molte forme costruttive. La forma di condensatore ceramico più diffusamente utilizzata è quella a disco formata cioè da un dischetto di ceramica metallizzato sulle due facce, sulle quali vengono saldati i terminali

Vengono usati nelle apparecchiature portatili. Maxim consiglia di ridurre il valore dei condensatori e usare C0G (nei portatili)

 

Condensatori elettrolitici

Per capacità estremamente elevate. I condensatori elettrolitici sono composti da un elettrodo (anodo), sul quale viene formato uno strato di ossido con elevata costante dielettrica che funge da isolante. L'altro elettrodo (catodo) è costituito da un elettrolita, un fluido elettricamente conduttore di solito formato da una soluzione salina od acida, e da un secondo elettrodo metallico che, nella maggior parte dei casi, coincide con il contenitore stesso. In quest'ultimo caso, l'involucro metallico esterno stabilisce il collegamento tra l'elettrolita ed il terminale negativo del condensatore. Lo spessore dello strato di ossido varia in funzione della tensione di lavoro, e normalmente assume valori dell'ordine degli 0,001 µm.  . I condensatori elettrolitici possono essere a base di alluminio o di tantalio.

Utilizzare esclusivamente quelli a base alluminio.

Figure 8. THD+N vs. frequency for large-valued, 100µF capacitors driving a 16Ω load. Both types (tantalum and aluminum electrolytic) contribute heavily to THD at the nominal -3dB point of 100Hz. No such output-coupling capacitors are required with Maxim's DirectDrive headphone amplifiers.

 

Condensatore elettrolitico da 100 uF

 

 

Condensatori a film plastico

Le pellicole in film plastico possono essere prodotte con spessori inferiori a quello della carta impregnata, e presentano una minore probabilità di punti difettosi. Si possono quindi fabbricare condensatori che utilizzano queste pellicole come dielettrico, dello spessore di pochi µm soltanto, in grado di resistere ad una tensione abbastanza elevata. I condensatori a film plastico vengono prevalentemente utilizzati nei circuiti a transistori. Nei condensatori in poliestere come strato elettroconduttore si può utilizzare una lamina metallica, oppure il metallo può essere depositato direttamente sul film per vaporizzazione sotto vuoto, con uno strato dello spessore di 0,02 - 0,05 µm. Questi condensatori vengono prodotti con capacità fino ad alcuni µF e con tensioni di lavoro fino a 1000 V. Sono da preferire nei circuiti a bassa frequenza. Nei condensatori con dielettrico in policarbonato la capacità è molto costante, e di conseguenza sono utilizzati prevalentemente nei circuiti oscillanti. Vengono prodotti con capacità fino a 10 µF e tensioni di lavoro fino a 400 V.

 

condensatori in polistirolo

Sempre indicati per l'uso in circuiti oscillanti sono i condensatori in polistirolo, caratterizzati dal valore costante di capacità e reperibili per valori fino ad 1 µF. Una lamina metallica stirata viene avvolta a spirale assieme al dielettrico. Sotto l'azione del calore l'avvolgimento si restringe formando un blocco molto stabile e compatto che non assorbe praticamente umidità dall'aria. Si ottiene così una buona costanza della capacità. I condensatori in polistirolo vengono prodotti con capacità fino ad 1 µF.

 

Condensatori in policarbonato

I condensatori con dielettrico in policarbonato si trovano con valori di capacità fino a 10 µF e per tensioni di circa 400 V; presentano una capacità molto costante, per cui possono essere vantaggiosamente utilizzati nei circuiti oscillanti.

 

Condensatori in poliestere

I condensatori in poliestere vengono prodotti fino a capacità di qualche µF e per tensioni di lavoro fino a 1000 V; sono più adatti per l'impiego in bassa frequenza. Secondo maxim sono quelli che producono minore distorsione.

Figure 2. THD+N in funzione della frequenza per un filtro passa alto a 1000 Hz realizzato con un condensatore al polyestere

 

 

Si nota l’incremento di Distorsione a bassa frequenza.

 

 

Condensatori in poliestere metallizzato

I condensatori in poliestere metallizzato sono di buona qualità e stabilità rispetto alla temperatura.

 

Condensatori in polipropilene

I condensatori in polipropilene consentono valori di capacità più precisi, con tolleranze di circa l' 1%; sono adatti ad un campo di frequenze fino a 100kHz.

 

Condensatore: il dielettrico impiegato nel condensatore ne determina le caratteristiche, Il polipropilene possiede una costante dielettrica di 2.5 (il kapton arriva a 1.5). Il suono di un condensatore è determinato dai seguenti fattori:

 

dielettrico: linearità e dipendenza dalla frequenza (il migliore è polipropilene) il peggiore è l’elettrolitico

Dipendenza della capacità rispetto alla tensione applicata

Vibrazioni indotte dalla tendenza all’ inclusione del dielettrico (che viene attirato tra le armature)

L’induttanza è dovuta sostanzialmente ai reofori

Isolamento: più è alto e meglio è (entro certi limiti)

 

 

Material

k

Vacuum (reference)

1.00000

Air (Sea Level)

1.00059

Aluminium Oxide

7 - 12

carta

3

Ceramic

5 - 6,000  (5.4)

Mica

3 - 6

Mylar

3.1

Polycarbonate

2.9 - 3.0

Polyethelyne

2.25

Polyester (migliore distorsione)

2.8 - 4.5 (2.6)

Polypropylene

1.5

Polystyrene

2.4 - 2.6

Teflon

2.0- 2.1

vetro

7.75

Costante dielettrica

 

Fig 5

circuito equivalente semplificato di un condensatore

circuito equivalente di un condensatore che rappresenta l’effetto memoria e le perdite

 

Le sigle dipendono dal costruttore. Le MK... sono Siemens, e indicano Metall-Kunststoffolie e altro ancora.

Se una M precede il codice il conduttore è un film/foglio metallizzato ed il condensatore è molto stabile, la sua assenza indica un foglio metallico d'interconnessione ed il componente è destinato alle alte correnti.

 

MKL (o MKU)

Film/foglio acetato di cellulosa

MKT

Film/foglio polietilene teraftalato (mylar)

MKC

Film/foglio policarbonato

MKP

Film/foglio polipropilene

MKS  

Film/foglio  Polistirene

MKT 

Film/foglio di Poliestere

MKY

polipropilene autocicatrizzante e sono tutti metallizzati.

MP:

carta metallizzata

MKV

film plastico metallizzato, basse perdite

MKK

film plastico metallizato, compatto

MPK:

carta e film plastico metallizzati

FK:

Foglio metallico e film plastico (con o senza carta).

 

WIMA MKP 10 100VDC – 10% tolerance

Technical specifications: “Pulse capacitor. The construction principle of the series WIMA MKP 10 consists of a non-metallized dielectric film and an carrier film metallized on both sides acting as electrode. Thanks to the metallization on both sides, the electrical conductivity is considerably improved and the contact surface between the electrodes and the schoopage layer is doubled. This results in better contact and allows for high current and pulse loading capability. The properties of metallized capacitors such as excellent self-healing and high volume capacitance remain unchanged.”

Sound: With the WIMA MKP 10 you get a neutral, smooth and well balanced capacitor. For this price range the amount of transparency is quite reasonable and overall the MKP 10 is pleasant to listen to. Compared to the similar shaped and sized Mundorf RXF the presentation is more forward and a fraction less clear. But never the less it has good overall sound qualities. Don't forget to give it some time to burn-in. Fresh out of the box they sound “restricted” and dynamics are limited. After several weeks of use they open-up.

Verdict: 8

 

Obbligato aluminium-foil MKP 630VDC – 5% tolerance

Technical specifications: Chinese built, extra tight winding, no voids and thick-coated aluminium film imported from Germany. Very low inductance. Lead-outs are tinned copper, solid core.

Sound: Analogue is the word that keeps popping-up in my head when trying to describe these capacitors. They have a rich texture and produce an open and smooth image with realistic dynamics and good retrieval of ambient information. They have slightly less depth than a Clarity Cap DTAC but are also very detailed and never get harsh. They seem to have a sort of detailed warmth about them. In a direct comparison to the Clarity Cap PX, I would say that they are in the same league up to / into the midrange; however the Obbligato have more definition in the upper mid and treble; tones such as an acoustic guitar or solo violin attacks seem to gain in clarity and have better separation, the image seems to be less flat. Therefore the timbre of instruments is a bit more accurate with more air in between, allowing a more "naturalness" of the sound scene. Though they have higher definition, they are never harsh nor harsher than the smooth Clarity Cap PX and let me hear some nice but soft inner details. That's probably why I define them as "analogue". Very nice especially when you look at their price!

Verdict: 10

 

Mundorf M-Cap Supreme Silver/Oil MKP 1200VDC – 2% tolerance

Technical specifications (according to manufacturer): "The MCap® SUPREME silver/oil is an oil impregnated metallised polyprophylene dielectric capacitor. As the name indicates, high-purity silver is used for the capacitor coating, and the winding is impregnated with a special oil developed in an exhaustive series of experiments and listening tests. Both these features contribute to an even fuller and smoother tonal richness and diversity. Our state-of-the-art metallised polyprophylene foils make it possible to maintain extremely low production tolerances that cannot be achieved with traditional oil/paper capacitor designs. This is also the first time that the benefits of oil-impregnated capacitor design have been successfully combined with the well-known long-term stability of polypropylene foil and internal series wiring for induction-free SUPREME performance. Its lively reproduction of music impresses in particular with its subtly dynamic speed, precision and marked fine detail."

Sound: The M-CAP Supreme Silver/Oil is one of my favourite capacitors! I can only underline what Mundorf states:  “…wonderfully spacious and detailed sound reproduction … full and smooth tonal richness and diversity. This capacitor’s ability to bring out the finest nuances and the subtlest distinctions make the music sound more alive and “juicy”, …Wonderfully spacious music reproduction… ”. Music detail and depth throughout from top to bottom. Very smooth and liquid. To exaggerate things: it makes a standard Supreme Cap sound slightly rough!

Verdict: 10,5

.

Jantzen Audio Silver Z-Cap MKP 800VDC – 2% tolerance

Technical specifications: metallized polypropylene film, high-grade silver lead wire. The finish is a flame-retardant tape wrap, and the end of the caps is resin sealed to protect against humidity. Loss angle tan = 0.00002 to 1K; Loss angle tan = 0.00001 to 10K.

Sound: More transparent than the less expensive Superior Z-Cap, very detailed. Sometimes too detailed for my liking which makes them less coherent than the Superior Z-Cap. They give some emphasis on the upper treble but are still more civilised than a Clarity Cap SA for example; they have a so-called “high-end” flair. Objectively speaking they are better than the Superior Z-Cap but I prefer the Superior Z-Cap for it’s more neutral presentation. I guess you could call the Jantzen Audio Silver Z-Cap the “audiophile” capacitor and the Jantzen Audio Superior Z-Cap the “musical” capacitor.

Verdict: 10,5

 

Mundorf M-Cap Supreme Silver/Gold 1200VDC – 2% tolerance

Technical specifications (according to manufacturer): "The metallization of the capacitor foil for our MCap® SUPREME silver/gold consists of pure silver with an admixture of 1% pure gold. Gold alters the crystalline structure of silver and maximises its very good electrical conductivity. The outstanding properties of the MCap® SUPREME - high definition and auditory ambiance of the music playback - are once again audibly enhanced and substantially enriched in finely nuanced timbres through the utilisation of silver/gold. In this capacitor MCap® SUPREME silver/gold speed and precision combine harmonically with beauty and elegance."

Sound: Nicely clear and transparent, rich textured treble, very spacious – front to back and left to right, very good separation of individual instruments, deep black background, clean and dynamic, heaps of micro-detail information, the details get high-lighted a little. I know one could easily think that this capacitor must be good because everyone says so and it is very expensive but I have tried to keep my objective view and even so I am very impressed. Were I would describe the Silver/Oil as extremely neutral, I would describe the Silver/Gold as extremely natural if you know what I mean. Acoustic instruments like a viola da gamba sound really life-like. In comparison to the Duelund Copper Foil capacitor they can sound a little bright in the top-end, but this can be a plus point if you want to brighten up a dull sounding system or you just dig those so-called “high-end” recordings with bells, chimes and things. They are by no means harsh, just on the clear side of neutral sometimes.

Verdict: 11+

 

Mundorf M-Cap MKP 250VDC – 5% tolerance

Technical specifications (according to manufacturer): "The MCap® is an audiophile metallized polypropylene capacitor. In selection of the materials used, special attention was given to the sound properties. The practically induction-free type of construction and the low loss factor of the MCap® results in a very "quick" capacitor. The MCap® forms the basis for vivid music reproduction rich in nuance. The MCap® series of audiophile MKP condensers has been expanded by a complete 250 VDC lineup in order to avoid any loss of sonically quality caused by lack of space or a tightened budget."

Sound: The Mundorf M-CAP 250VDC has exactly the same tonal balance as the 400VDC type I originally tested. The only difference being a very small lack of fine detail and image size compared to the higher VDC rating M-Cap's.

Verdict: 7-

 

 

Condensatore elettrolitico: il dielettrico impiegato nel condensatore elettrolitico ha caratteristiche non lineari (quindi produce distorsione).