Caratteristiche e applicazioni dei condensatori Snubber

Cos'è un condensatore smorzatore?

A condensatore smorzatore , noto anche come condensatore buffer, è un tipo speciale di condensatore utilizzato per sopprimere i picchi di tensione in un circuito, ridurre le interferenze elettromagnetiche e proteggere i dispositivi di commutazione. Solitamente è collegato in serie con un resistore e quindi in parallelo al dispositivo di commutazione (come un IGBT, MOSFET o tiristore) che necessita di protezione o a un nodo che subisce un picco di tensione.
La sua funzione principale non è quella di fornire energia, ma di "assorbire" o "tamponare" l'energia eccessiva dannosa e momentanea.

Caratteristiche chiave

Le caratteristiche di un condensatore snubber ne determinano le prestazioni e gli scenari applicabili. Le sue caratteristiche principali sono le seguenti:

1. Resistenza all'alta tensione e capacità di resistenza agli impulsi elevati

Deve essere in grado di resistere a picchi di alta tensione istantanei molto più elevati della normale tensione operativa del circuito.
Il suo design e i materiali gli consentono di resistere a impulsi di corrente ripetuti e ad alta intensità senza danni.

2. Induttanza in serie equivalente bassa

Questo è uno dei parametri critici di un condensatore smorzatore. I picchi di tensione cambiano in modo estremamente rapido e, se l'induttanza parassita del condensatore è troppo grande, ostacolerà il rapido cambiamento di corrente, non riuscendo così ad assorbire il picco in tempo.

Per ridurre l'ESL, i condensatori smorzatori utilizzano tipicamente strutture speciali, come:

Le strutture laminate a film sottile, come i condensatori a film di polipropilene, sono i condensatori snubber comunemente usati.

Pacchetto piatto: Riduce l'area del circuito di corrente, riducendo così l'induttanza.

Design multi-pin: Fornisce connessioni interne parallele, riducendo ulteriormente l'ESL e la resistenza in serie equivalente.

3. Resistenza in serie equivalente bassa

Un basso ESR significa che il condensatore genera meno calore quando assorbe energia, con conseguente elevata efficienza e lunga durata.
Nelle applicazioni di commutazione ad alta frequenza, l'aumento di temperatura causato dall'ESR è una delle principali cause di guasto dei condensatori.

4. Elevata stabilità e lunga durata

I condensatori smorzatori funzionano in ambienti elettrici difficili e richiedono stabilità della temperatura, caratteristiche di frequenza e una lunga durata. I condensatori a film di polipropilene eccellono in questi aspetti.

5. Capacità di risposta rapida

Può rispondere rapidamente alle variazioni di tensione a livello di nanosecondi e caricarsi e scaricarsi in modo tempestivo.

Funzione fondamentale e principio di funzionamento

In poche parole, un condensatore smorzatore utilizza la caratteristica fondamentale secondo cui la tensione ai capi di un condensatore non può cambiare bruscamente.
Quando si verifica un picco di tensione: il condensatore fornisce un percorso a bassa impedenza, assorbendo (caricando) istantaneamente la carica in eccesso generata dal picco, "appiattendo" così il picco di tensione.

Dopo che il picco di tensione è passato: il condensatore rilascia (scarica) lentamente l'energia immagazzinata attraverso il resistore collegato in serie ad esso, dissipando l'energia assorbita sotto forma di calore nel resistore.

La funzione dei resistori in serie:

Limitare la corrente di scarica del condensatore per evitare che si formi una corrente di spunto eccessiva sul dispositivo di commutazione quando è acceso.
Lo smorzamento può essere ottenuto mediante un circuito risonante LC costituito da condensatori e induttanza parassita del circuito per prevenire l'oscillazione.
Principali ambiti applicativi
I condensatori soppressori sono ampiamente utilizzati in tutti i circuiti elettronici di potenza con azione di commutazione rapida e carichi induttivi.

1. Commutazione dell'alimentazione
Utilizzato per assorbire picchi di tensione sui transistor di commutazione di potenza, proteggere MOSFET o IGBT, ridurre il rumore di commutazione e migliorare la compatibilità elettromagnetica.

2. Azionamenti motore e convertitori di frequenza
In un ponte inverter, il superamento della tensione è collegato in parallelo con dispositivi di potenza come gli IGBT per sopprimere il superamento della tensione durante la commutazione, causato principalmente da carichi induttivi come motori e induttanza parassita nelle linee. Questo è fondamentale per proteggere i costosi moduli di potenza.

3. Circuito di correzione del fattore di potenza
Nei circuiti boost PFC, i circuiti buffer aiutano a livellare la tensione sui nodi di commutazione, migliorando l'efficienza e l'affidabilità.

4. Invertitore/Convertitore
In apparecchiature quali inverter solari e UPS, viene utilizzato per proteggere i principali dispositivi di commutazione dell'alimentazione e garantire un funzionamento stabile del sistema.

5. Riscaldamento a induzione
Queste applicazioni comportano un'elevata frequenza di commutazione, elevata potenza e sollecitazioni di tensione e corrente estremamente elevate, rendendo i condensatori smorzatori un componente protettivo essenziale.

6. Circuito di pilotaggio del laser a semiconduttore
Utilizzato per sopprimere i picchi e gli squilli dell'impulso di corrente del convertitore, garantendo la stabilità e la durata dell'uscita laser.

7. Elettronica automobilistica
Nei controller dei motori dei veicoli elettrici/ibridi e nei convertitori DC-DC, l'ambiente di lavoro è difficile e i requisiti di affidabilità sono estremamente elevati, quindi i condensatori smorzatori ad alte prestazioni sono ampiamente utilizzati.

8. Piano cottura a induzione
L'assorbimento della tensione di picco inversa sul transistor di potenza è una tipica applicazione a basso costo e ad alta affidabilità.