Lo stato postmortem dei condensatori
In che tipo di stato erano questi condensatori? Per scoprirlo usiamo un semplice generatore di impulsi ed un partitore di tensione formato da due resistori da 2kΩ in serie. Ci aspetteremmo che un buon condensatore raggiunga il 63% della tensione applicata dopo un tempo costante, dove τ = RC in secondi. Un'altra area d'interesse che può essere osservata con questa semplice configurazione di test è il primo microsecondo della curva di carica. Qualsiasi brusca variazione di tensione indicherebbe una significativa resistenza in serie. Dal momento che stiamo usando un divisore di tensione, tenete a mente che l'equivalente Thévenin sarebbe una sorgente della metà della tensione con una resistenza in serie 1kΩ.
Il primo condensatore che analizziamo è quello "morto" da 680µF sull'uscita 5VSB. In principio la costante di tempo avrebbe dovuto essere 680 ms. Ma qui raggiunge il 63% del suo valore finale a circa 120ms, agganciando la sua capacità da qualche parte vicino a 120μF. Il condensatore raggiunge una tensione finale di 5,3V, che è 300mV sotto la tensione applicata, il che implica una dispersione di corrente di 300μA. Sulla base della tipica formula relativa alla dispersione di corrente di 0,01 CV, il valore è tre volte peggiore dei 68μA previsti.
Osservare il primo microsecondo della curva di carica rivela uno step di 60 mV, un segno rivelatore di una significativa resistenza in serie: a 1µs, a fronte di 100µF ideale dovremmo avere meno di 56µV, quindi l'incremento di tensione iniziale mostrato nei primi 400ns circa è chiaramente dominato da ESR (Resistenza Equivalente Serie). Lavorando tramite l'equazione del divisore di tensione abbiamo un valore di Resistenza Equivalente Serie di circa 11Ω. Basandoci sulla tabella delle specifiche di Teapo, che sembrano avere un errore dato che il nostro condensatore da 680µF è 8x15 anche se le specifiche dicono 8x11, l'ESR dovrebbe essere di 0,11Ω. In altre parole, questo vecchio condensatore è di due ordini di grandezza fuori dalle specifiche per quanto riguarda ESR.
Siamo tornati nell'alimentatore per togliere l'altro condensatore 680µF che abbiamo dovuto riutilizzare e fatto controlli rapidi per amor di completezza. Il 63% del tempo è azzeccato per il condensatore da 680µF, la dispersione a 5V è stata di 5µA e lo step iniziale è stato di 20mV, indicando un ESR di circa 4Ω. Anche se ci troviamo davanti a valori migliori rispetto al primo condensatore, non è neanche lontanamente sufficiente per parlare di un fix definitivo. Se mettiamo questo alimentatore in un PC e iniziamo a estrarre un po' di corrente da 5VSB, il debole condensatore ESR porterebbe a un surriscaldamento e a una rottura in breve tempo. Il ripple ulteriore che ciò potrebbe causare sul condensatore ausiliario contribuirebbe anche a un suo fallimento prematuro.
Sulla base delle specifiche di Teapo, questi condensatori sono buoni solo fino a una corrente ripple di 640mA, che potrebbe essere sul lato basso per un 2A flyback. La corrente di ripple RMS su un convertitore flyback discontinuo può raggiungere l'80-90% della corrente DC in uscita. Essendo la sezione 5VSB progettata per una lunga durata di vita a pieno carico, il condensatore che accetta energia dal trasformatore dovrebbe avere almeno una classificazione della corrente di ripple di 1,6A RMS. Molti incolperebbero subito i condensatori, ma persino quelli migliori fallirebbero operando al doppio o al triplo della loro corrente di ripple indicata. In questo caso, il condensatore usato è quasi certamente sottodimensionato.
Avere un condensatore morto e uno moribondo sull'uscita 5VSB spiega certamente perché il nuovo condensatore è stato così efficace nel ridurre i ripple 5VSB, anche mentre era connesso alla fine del cavo di alimentazione ATX.
Ora, diamo un secondo sguardo agli altri due condensatori rimpiazzati.
Accanto c'è il condensatore da 47µF della linea ausiliaria. Raggiunge il 63% in 140ns, fissando la sua capacitanza nel campo di 140pF, effettivamente la stessa del nostro multimetro quando sottraete 20pF o circa di capacitanza dei puntali e della sonda. Per quanto riguarda la dispersione, abbiamo meno di 1µA. Nessuna sorpresa qui.
Osservando le specifiche delle serie TN di Fuhjyyu emerge la seguente informazione circa questo condensatore 5x11mm: solo 550 ore di durata e una corrente RMS da 82 mA, 164mA se lo mantenete sotto i 70 °C, circa 200 mA per frequenze sopra 1kHz. Queste potrebbero sembrare specifiche assurdamente basse, ma per un condensatore che fa poco più che fornire 100mA o circa al chip PWM principale per il suo funzionamento e al MOSFET gate drive, sono probabilmente adeguate. Il nostro rimpiazzo FC è attestato per 615mA a 105 ºC, o circa 520mA se declassato a 1kHz, molto oltre le specifiche di Fuhjyyu.
Vale inoltre la pena di notare che ci sono picchi di 30-40V lungo il condensatore ausiliario nel nostro primo set di misure della tensione del condensatore ausilario con il vecchio condensatore inserito. Questo condensatore è attestato solo per 25V, che è già un margine contenuto per un'uscita nominale di 20V senza contare le transizioni legate alla commutazione. Il ridotto margine di tensione indica che la sua protezione contro i picchi flyback dipende interamente dai condensatori 5VSB.
L'ultimo è il condensatore di bypass da 22µF del PWM. Per arrivare al 63% la sua capacitanza scende all'incirca a 16µF, che è in linea con il risultato del multimetro. Tuttavia la curva di carica a uno step di 300mV immediatamente dopo il test di applicazione della tensione, il che si traduce in una resistenza in serie di circa 57Ω. Per quanto concerne la dispersione, è sotto 1µA a 12V.
Sfogliando le specifiche della serie TN troviamo che questo condensatore ha un rating nominale di 52mA, o circa 150mA dopo aver applicato i moltiplicatori, che è abbastanza buono dato che questo condensatore ha bisogno solamente di favorire impulsi gate current drive per accendere il MOSFET principale. In questo caso il nostro rimpiazzo FC è attestato a 220mA dopo aver applicato 1kHz di declassamento.
Quando tutti i condensatori sulle uscite flyback dell'alimentatore hanno fallito, rimane ben poco in piedi del funzionamento flyback che genera picchi di alta tensione e distrugge i componenti. Dallo stato in cui erano questi condensatori, con picchi fino a 40V che si mostravano lungo il condensatore ausiliario da 25V che erano probabilmente peggiori prima che rinnovassimo i condensatori 5VSB, siamo rimasti sorpresi di non vedere del fumo. Inoltre, a seconda del condensatore che falliva l'apertura e un altro con un ESR stellare per la gate drive current, questi potevano facilmente causare un lento avvio del MOSFET e distruggerlo. Poche cose rovinano i MOSFET più rapidamente che spendere microsecondi in uno stato half-on con alcuni ampere che vi scorrono attraverso e 250V lungo il loro canale drain-source.
Aveamo ancora i nostri condensatori d'uscita originali principali - i Fuhjyyus mostrati nella pagina introduttiva - quindi abbiamo deciso di sottoporli una rapida occhiata, vedendo se se la cavavano meglio sulle uscite principali del convertitore flyback. Non l'abbiamo fatto prima semplicemente perché l'unico multimetro decente in nostro possesso fino alcuni mesi fa andava solo fino a 20µF. Tutti tranne uno erano almeno di un ordine di grandezza fuori per quanto riguarda la capacitanza. Quello "buono" moriva con un ESR di 90Ω. Non ci sono stati sopravvissuti. Siamo realmente sorpresi che questo alimentatore sia riuscito ad alimetare un Core 2 e una Radeon HD 5770 per ore di World of Warcraft: Wrath of the Lich King.
Come dovrebbe apparire un buon condensatore?
Un'immagine vale più di mille parole, quindi eccone una a scopi comparativi:
Ecco come dovrebbero apparire 0,05Ω su un condensatore a basso ESR. C'è un po' di oscillazione quando lo step viene applicato per via delle induttanze in serie nel filo e nel condensatore, poi lo step di tensione del condensatore si assesta a circa 0,3mV sopra la sua tensione iniziale entro alcuni nanosecondi. Lo step è così piccolo che è quasi perso nel rumore di fondo della sonda.