Dimensionamento nei filtri

📌 PARAMETRI CHIAVE

1. Tensione di lavoro (V): deve essere almeno il 20-30% maggiore della tensione massima che il condensatore vedrà (es. per 12 V usa un condensatore da almeno 16 V o 25 V).

2. Capacità (μF): dipende dalla corrente assorbita dal carico e dalla tolleranza al ripple (variazione di tensione).

3. Ripple accettabile (Vripple): la massima variazione di tensione che puoi tollerare durante la scarica del condensatore.

⚙️ FORMULA DI BASE PER ALIMENTATORI DC

Se devi stabilizzare una tensione in un alimentatore dopo un raddrizzatore, la formula approssimativa è:

• C = capacità in Farad

• I = corrente in Ampere

• f = frequenza del ripple (doppia della rete: 100 Hz in Europa per raddrizzatore a ponte)

• ΔV = ripple massimo ammesso in Volt

🔧 Note pratiche

• Per piccoli circuiti (es. Arduino, moduli sensori), bastano 470 µF o 1000 µF.

• Per switching o regolatori buck/boost, conviene aggiungere anche condensatori ceramici a bassa ESR vicino al carico.

• In circuiti audio o motori, considera anche il picco di corrente e l’ESR del condensatore.

Prendiamo ad esempio la stabilitazione della tensione all'ingresso del VMOT del driver DRV8825 per pilotare un motore nema 17 con 1.7A per fase:

Considerando:

• Con 1.7 A per fase su un motore NEMA 17, la corrente totale per due fasi attive potrebbe arrivare a circa 3.4 A (se entrambe le fasi sono alimentate contemporaneamente al massimo).

  Usando la stessa formula di dimensionamento:

Dove:

• I = 3.4 A (corrente totale)

• f = 100 Hz (frequenza di ricarica, in caso di raddrizzatore o ripple del driver)

• ΔV = 1 V (ripple massimo)

Per sicurezza, possiamo arrotondare il valore a 47,000 µF (47 mF), che è una capacità comune e utile per gestire la stabilizzazione su alimentazioni da 24 V.

✅ Condensatore consigliato:

• Valore: 47,000 µF – 100,000 µF

• Tensione nominale: 35 V o 50 V (almeno 1.5x la tensione di alimentazione per il margine di sicurezza)

• Tipo: Elettrolitico con bassa ESR

➕ (Opzionale ma consigliato):

• Un condensatore ceramico da 0.1 µF o 1 µF per ridurre disturbi ad alta frequenza.

• Se il carico è relativamente leggero e non hai un'elevata richiesta di corrente (magari solo piccole accelerazioni o velocità), un 100 µF o 470 µF può essere sufficiente.

• Se invece stai cercando di stabilizzare con maggiore affidabilità e hai correnti elevate (come nel caso di carichi pesanti o veloci), è meglio usare un condensatore molto più grande (ad esempio 47,000 µF).

Tutto dipende dall'uso specifico e dalle esigenze del tuo motore e driver. Se il carico è impegnativo, il condensatore più grande garantirà una protezione migliore. Se non ci sono carichi pesanti o richieste particolarmente alte, il condensatore da 470 µF andrà bene.

Che dimensioni potrà avere un condensatore da 47000 µF

Le dimensioni di un condensatore elettrolitico da 47.000 µF dipendono da vari fattori, come la tensione nominale, la tecnologia di costruzione (tipicamente cilindrica), e il tipo di elettrolita usato. Tuttavia, posso darti delle stime approssimative in base alle informazioni comuni sui condensatori elettrolitici di queste capacità.

Dimensioni tipiche per un condensatore da 47.000 µF:

1. Tensione nominale: supponiamo una tensione nominale di 35 V (la tensione di alimentazione tipica per il tuo caso con il DRV8825 è di 24 V, quindi un margine di sicurezza di 35 V è ragionevole).

2. Tecnologia: i condensatori elettrolitici hanno generalmente un design cilindrico con un diametro e una lunghezza che dipendono dalla capacità e dalla tensione.

In base a questi parametri, un condensatore da 47.000 µF a 35 V potrebbe avere dimensioni approssimative di:

• Diametro: circa 40-50 mm.

• Lunghezza: circa 70-100 mm.

Questi valori sono approssimativi e possono variare a seconda del produttore e delle specifiche esatte del condensatore (tipo di elettrolita, resistenza ESR, ecc.).

Se invece del DRV8825 usassi il TMC2209 potrei usare un condensatore più piccolo

Sì, con il TMC2209 al posto del DRV8825, potresti usare un condensatore più piccolo. Ecco perché:

Differenze tra DRV8825 e TMC2209:

1. Tecnologia di commutazione:

   • Il DRV8825 è un driver di tipo bipolare che utilizza una tecnologia di commutazione più tradizionale. Questo può comportare una maggiore generazione di ripple (oscillazioni di corrente) e richiede generalmente un condensatore di maggiore capacità per stabilizzare la tensione.

   • Il TMC2209, invece, utilizza una tecnologia di commutazione più avanzata, come la microstepping avanzata e il SilentStepStick, che riduce i picchi di corrente e il ripple. Il che significa che c'è meno stress sui componenti e maggior efficienza nella gestione della corrente.

2. Ripristino e gestione del ripple:

   • Il TMC2209 è progettato per ridurre significativamente il ripple grazie alla sua tecnologia di controllo avanzata della corrente. Ha una migliore gestione delle fluttuazioni di corrente, il che significa che può essere più tollerante con un condensatore di capacità inferiore, rispetto al DRV8825, che può generare più oscillazioni.

3. Alimentazione e filtro:

   • Il TMC2209 tende a essere più efficiente nel filtrare e stabilizzare la tensione in ingresso, quindi il condensatore necessario potrebbe essere di capacità inferiore rispetto a quello richiesto dal DRV8825. Questo potrebbe significare che un condensatore da 100 µF o 220 µF potrebbe essere sufficiente per ottenere la stessa stabilità.

Per il TMC2209, un condensatore più piccolo potrebbe bastare:

• Condensatore consigliato: Per il TMC2209, un condensatore da 100 µF a 220 µF potrebbe essere sufficiente, a seconda delle esigenze specifiche della tua applicazione.

• Valore di tensione: Come nel caso del DRV8825, il condensatore dovrebbe avere una tensione di almeno 25-35 V (considerando una tensione di alimentazione di 24 V, il margine di sicurezza è consigliato).

In sintesi:

Usando il TMC2209, la dimensione del condensatore potrebbe essere significativamente ridotta rispetto al DRV8825, poiché il TMC2209 è progettato per essere più efficiente e per ridurre il ripple. Questo ti permette di usare un condensatore da 100 µF, 220 µF, o al massimo 470 µF con buona efficacia, mentre per il DRV8825 potrebbe essere necessario qualcosa di più grande (come 470 µF o 1.000 µF).

Se hai già ordinato dei condensatori da 470 µF e hai deciso di utilizzare il TMC2209, non c'è problema! Anche se il TMC2209 potrebbe funzionare bene con condensatori più piccoli, 470 µF è comunque una scelta sicura e adeguata, soprattutto se stai cercando di garantire una stabilità maggiore nella tua applicazione.

Un condensatore da 470 µF ti offrirà un buon livello di filtraggio per ridurre il ripple e migliorare le prestazioni generali, e dovrebbe essere più che sufficiente per gestire la stabilizzazione della tensione, anche se il TMC2209 è più efficiente nel ridurre il ripple rispetto ad altri driver.

Puoi quindi procedere tranquillamente con il tuo progetto! Se dovessi avere bisogno di ulteriori chiarimenti o assistenza in futuro, non esitare a chiedere!

Un condensatore da 470 µF a 50 V è perfetto per il tuo caso, considerando che il TMC2209 funziona con alimentazioni fino a 28 V (ma hai detto che la tua tensione di alimentazione è 24 V).

Perché va bene:

1. Tensione nominale: Il condensatore da 50 V ha una tensione nominale superiore alla tensione di alimentazione di 24 V, quindi c'è un buon margine di sicurezza. In generale, la tensione nominale del condensatore dovrebbe essere almeno del 20-30% superiore alla tensione di alimentazione per garantire una durata e una sicurezza ottimali. In questo caso, 50 V è decisamente più che sufficiente.

2. Capacità: Il valore da 470 µF è abbastanza grande da offrire un buon filtraggio della tensione e ridurre il ripple, anche se il TMC2209 è già più efficiente di altri driver.

3. Uso sicuro: Non c'è alcun problema nell'usare un condensatore con una tensione nominale più alta di quella effettiva, anzi è preferibile perché garantisce una maggiore resistenza a stress termici e voltaggi transitori.

Conclusione:

Il condensatore da 470 µF a 50 V è una scelta perfetta per il tuo sistema con il TMC2209! Ti garantirà una buona stabilità e una lunga durata, senza alcun rischio. Puoi usarlo tranquillamente.

🔹 Cos'è l'ESR di un condensatore?

ESR (Equivalent Series Resistance) è la resistenza interna equivalente di un condensatore. Non è la resistenza in continua (ohmica), ma una resistenza che agisce come se fosse in serie con il condensatore stesso, ed è presente solo quando il condensatore lavora in AC (corrente alternata) o con segnali impulsivi come nei circuiti elettronici.

In parole semplici:

• Un condensatore ideale bloccherebbe le variazioni di tensione istantaneamente.

• Un condensatore reale, invece, ha una piccola resistenza interna (ESR) che limita la velocità con cui può assorbire o rilasciare energia.

• Più basso è l’ESR, meglio il condensatore riesce a filtrare e stabilizzare la tensione in applicazioni a commutazione rapida, come nei driver dei motori stepper.

🔹 L’ESR è indicato sul condensatore?

No, l’ESR non è stampato fisicamente sul condensatore (salvo rari casi in ambito professionale). Tuttavia:

• Puoi trovarlo nel datasheet del condensatore, cercando la voce ESR o Impedance at 100 kHz.

• I condensatori low ESR (basso ESR) sono specificatamente progettati per usi dove servono filtraggi rapidi, come switching power supply, driver di motori, ecc.

🔹 Quali ESR sono ottimali per il TMC2209 + Nema 17?

Il TMC2209, essendo un driver molto efficiente e moderno, non richiede ESR bassissimo, ma comunque un valore basso aiuta ad assorbire meglio i picchi e i disturbi.

Valori consigliati:

• ESR ≤ 0.2 Ω → Ottimale

• ESR ≤ 0.5 Ω → Accettabile

• ESR > 1 Ω → Troppo alto per applicazioni dinamiche (meglio evitarli)

Se usi un condensatore elettrolitico da 470 µF 50 V, come nel tuo caso:

• Se è di buona qualità (marchi come Nichicon, Panasonic, Rubycon, Chemi-Con), probabilmente l’ESR sarà tra 0.1 e 0.4 ohm, quindi ottimo per il TMC2209.

il condensatore Panasonic FM 470 µF 50 V (Ø12,5 mm x 20 mm) è un’ottima scelta! Ecco perché:

si può acquistare qui

✅ Caratteristiche principali della serie Panasonic FM:

• Basso ESR: molto adatto per applicazioni con carichi impulsivi come i driver per motori stepper.

• Alta affidabilità: lunga durata (fino a 7000 ore a 105 °C).

• Alta corrente ripple: ideale per stabilizzare tensioni in circuiti alimentati da motori.

• Tensione nominale: 50 V, perfetta per l’alimentazione a 24 V con margine di sicurezza.

• Capacità: 470 µF, sufficiente per stabilizzare VMOT in applicazioni con DRV8825 o TMC2209.

📏 Dimensioni:

• Diametro: 12,5 mm

• Altezza: 20 mm

Queste dimensioni sono compatte e compatibili con la maggior parte dei PCB e breadboard, senza diventare ingombranti.

🧠 In sintesi:

Questo condensatore è ideale per il tuo progetto con il TMC2209 e un motore Nema 17, ed è preferibile rispetto a condensatori generici o senza marca, soprattutto se vuoi garantire stabilità e durata nel tempo.

L’aggiunta di un condensatore ceramico vicino al driver (come il TMC2209 o DRV8825) è complementare al condensatore elettrolitico. Entrambi lavorano insieme per garantire una stabilizzazione efficace della tensione. Ecco perché:

🔌 Differenze tra elettrolitico e ceramico

⚡ Motivo dell’uso combinato

• Il condensatore elettrolitico da 470 µF filtra bene il ripple di bassa frequenza generato dai cambiamenti di carico del motore.

• Il condensatore ceramico (tipico: 100 nF o 1 µF, 50 V X7R) sopprime disturbi ad alta frequenza generati dai MOSFET interni del driver o da risonanze sulle piste del PCB.

• Posizionandolo molto vicino ai pin VMOT e GND del driver, assorbe impulsi rapidi che l’elettrolitico non riesce a gestire.

✅ Raccomandazione pratica

Aggiungi in parallelo al tuo elettrolitico:

• 1× condensatore ceramico da 100 nF o 1 µF, 50 V, preferibilmente X7R (buona stabilità termica).

• Salda il ceramico il più vicino possibile al connettore di alimentazione del driver (VMOT–GND).

Modello di capacità:100nF). Tensione minima: 50 V. Tolleranza capacità: ±5%. Materiale principale: ceramica Colore: giallo. Caratteristiche:
● Condensatori in ceramica multistrato con piombo radiale, rivestimento in resina epossidica. ● Eccellente resistenza all’umidità, dimensioni ridotte, ampia capacità e prestazioni affidabili. Ad es. (104) = 0,1uF = 100nF = 100000pF = 10*10^4pF.