Verständnis von Polymer- und Hybridkondensatoren

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Eingebettete Systeme erhalten Zuverlässigkeit und Leistung durch Kondensatoren auf Basis von leitfähigen Polymeren

VON ROB O 'CONNOR
Produktmanager, Kondensator Business Div.
Panasonic Industrielle Geräte
www.panasonic.com/industrial

Kondensatoren mögen einfach genug erscheinen, aber ihre Spezifizierung ist in den letzten Jahren komplexer geworden. Der Grund dafür liegt in der Wahlfreiheit. Das Universum von Kondensatoren für Anwendungen mit eingebetteten Systemen hat sich in den letzten Jahren stark erweitert, hauptsächlich aufgrund von Kondensatorkonstruktionen, die die Vorteile von leitfähigen Polymeren ausnutzen.

Diese fortschrittlichen Kondensatoren verwenden manchmal leitfähige Polymere, um den gesamten Elektrolyten zu bilden. Oder die leitfähigen Polymere können in Verbindung mit einem flüssigen Elektrolyten in einer Konstruktion verwendet werden, die als Hybridkondensator bekannt ist (siehe 1 ). In jedem Fall bieten diese Kondensatoren auf Polymerbasis gegenüber herkömmlichen Elektrolyt- und Keramikkondensatoren einen Leistungsvorteil, wenn es um Folgendes geht:

  • ESR und Nennspannung
  • Stabilität
  • Langlebigkeit und Zuverlässigkeit
  • Sicherheit
  • Lebenszykluskosten

Die verschiedenen Polymer- und Hybridkondensatoren haben unterschiedliche Sweet-Spots hinsichtlich ihrer idealen Spannungen, Frequenzcharakteristiken und Umgebungsbedingungen.

Polymer-Kondensator-Sorten

  • Geschichtete Polymer-Aluminium-Kondensatoren (siehe Fig. 2 ) verwenden ein leitfähiges Polymer als Elektrolyt und haben eine Aluminiumkathode. Sie decken einen Spannungsbereich von 2 bis 25 V ab und bieten 2, 2 bis 560 μF. Ihre unterscheidende elektrische Eigenschaft ist extrem niedriger ESR. Diese Geräte sind kompakt in einem oberflächenmontierbaren Kunststoffgehäuse untergebracht und zeichnen sich durch ein niedriges Profil aus.
  • Auch gewickelte Polymer-Aluminium-Kondensatoren basieren auf leitfähigen Polymeren und Aluminium, haben jedoch eine gewickelte Folienstruktur. Sie decken einen größeren Bereich von Spannungen und Kapazitätswerten ab als andere Polymerkondensatoren. Die Spannungen reichen von 2, 5 bis 100 V und die Kapazitäten reichen von 3, 3 bis 2700 μF. Wie die geschichteten Polymerkondensatoren hat der Wundstil extrem niedrige ESR-Werte. Sie können auf der Oberfläche montiert werden, obwohl sie nicht so kompakt sind wie die geschichteten Kondensatoren.
  • Polymertantalkondensatoren verwenden einen leitenden Polymerelektrolyten und eine Tantalkathode. Sie reichen von 1, 8 bis 35 V mit Kapazitäten von 2, 7 bis 680 μF und haben einen niedrigen ESR. Die Tantal-Polymer-Kondensatoren gehören zu den kompaktesten auf dem Markt.
  • Polymer-Hybrid-Aluminium-Kondensatoren verwenden eine Kombination aus einem flüssigen und leitfähigen Polymer, um als Elektrolyt eine Aluminium-Kathode zu haben - das Beste aus beiden Welten. Das Polymer bietet eine hohe Leitfähigkeit und einen entsprechend niedrigen ESR. Der flüssige Teil hält hohen Spannungen stand und bietet aufgrund seiner großen effektiven Oberfläche höhere Kapazitätswerte. Sie bieten eine Spannung von 25 bis 80 V und Kapazitäten zwischen 10 und 330 μF. Bei 20 bis 120 mΩ sind ESR-Werte für Hybride höher als bei anderen Arten von Polymerkondensatoren, aber immer noch sehr niedrig.

Bild 1: Die Hybrid-Kondensator-Technologie kombiniert die Leistungsvorteile von Elektrolyt und Polymer.

Polymerkondensator Vorteile

Trotz der Unterschiede in ihren Materialien und ihrer Konstruktion teilen die vier Arten von Polymerkondensatoren eine Reihe wünschenswerter elektrischer Eigenschaften:

  • Große Frequenzcharakteristik: Polymerkondensatoren haben bei sehr niedrigem ESR eine niedrige Impedanz in der Nähe ihres Resonanzpunkts, was die Welligkeit in Stromkreisen reduziert. Unsere Tests haben gezeigt, dass eine Verkleinerung der Spitze-zu-Spitze-Spannungsänderungen um das Fünffache möglich ist, wenn Polymerkondensatoren mit herkömmlichen Tantal-Kondensatoren mit niedrigem ESR verglichen werden.
  • Stabile Kapazität: Bei Keramik driftet die Kapazität als Reaktion auf Temperatur und DC-Vorspannung. Polymerkondensatoren haben kein solches Problem und bleiben stabil. Diese Stabilität ist besonders wichtig in industriellen und Automobilanwendungen, die dazu neigen, breite Betriebstemperaturen zu erfahren. Wir haben Fälle gesehen, in denen erhöhte Temperaturen einen effektiven Kapazitätsverlust von 90% oder mehr für Keramikkondensatoren verursachten. Hybridkondensatoren halten eine stabile Kapazität angesichts der üblichen Betriebsbedingungen - hohe Frequenzen und niedrige Temperaturen - bei, die die Kapazität herkömmlicher Flüssigelektrolytkondensatoren verringern.
  • Erhöhte Sicherheit: Herkömmliche Elektrolytkondensatoren können unter Sicherheitsproblemen leiden, die zu einem Kurzschluss und einem Ausfall führen können. Das Problem tritt auf, wenn eine elektrische Überlastung oder mechanische Spannungen Defekte oder Diskontinuitäten in dem Oxidfilm erzeugen, der das Dielektrikum bildet. Polymerkondensatoren haben eine Selbstheilungsfähigkeit, die diesen Fehlermodus beseitigt. Beim Aufheizen bricht die Molekülkette des leitfähigen Polymers in der Nähe des Defekts auf, wodurch der Widerstand erhöht wird und effektiv eine Barriere gegen jeden Strom gebildet wird, der von der Elektrode austritt. Im Fall von Hybridkondensatoren kommt ein zusätzlicher Selbstheilungsmechanismus zum Tragen, da der flüssige Elektrolyt einen Stromfluss in der Nähe des Defekts verursacht, um das Aluminium erneut zu oxidieren. Wir haben zahlreiche Überspannungstests durchgeführt, um die Selbstreparatureigenschaften von Polymer- und Hybridkondensatoren zu demonstrieren. Ein solcher Test verglich unsere SP-Cap-Polymerkondensatoren mit einem herkömmlichen Tantal-MnO 2 -Kondensator. Das Polymermodell hielt kurzen Strömen von bis zu 7 A stand, während der Tantalkondensator bei 3 A zu rauchen begann und bei 5 A entzündete. Diese Verbesserung der Sicherheit hat bedeutende Auswirkungen auf Konstruktion und Kosten. Herkömmliche Tantal-Kondensatoren werden normalerweise im Gebrauch um 30% bis 50% ihrer markierten Spannung reduziert, um sicherzustellen, dass sie sicher arbeiten. Diese Herabsetzung, während eine übliche und anerkannte technische Praxis, führt zu einer Vergrößerung der Kondensatoren und zu erhöhten Kosten. Bei unseren Polymer-Kondensatoren garantieren wir dagegen einen Betrieb bei 90% der vollen Nennspannung.

Abb. 2: Polymer-Hybrid-Aluminium-Kondensatoren verwenden eine Kombination aus einer Flüssigkeit und

leitfähiges Polymer als Elektrolyt und Aluminium als Kathode.

Hybrid-Kondensator Leistungsvorteile

Durch die Miniaturisierung und höhere Schaltfrequenzen vieler elektrischer Geräte haben Hybridkondensatoren begonnen, mehr Traktion zu bekommen. Hybride sind für ihre stabilen elektrischen Eigenschaften bei hohen Frequenzen bekannt. Diese robusten Kondensatoren haben auch andere überzeugende Vorteile, die sich in Anwendungen wie Computerservern, Backup-Geräten und Netzwerkgeräten sowie Industriemotoren, Motorsteuergeräten für Kraftfahrzeuge, Überwachungskameras und LED-Beleuchtungen unterscheiden. Unter den Vorteilen:

  • Hybriden sind kompakt. Oberflächenmontierte Hybridkondensatoren, die nur 6, 3 x 5, 8 mm messen, können 35 V mit einer Kapazität von 47 μF verarbeiten. Die geringe Größe kann eine erhebliche Menge Platz auf dem Board einsparen. In einer neueren 48-V-Stromversorgung verwendeten Hybridkondensatoren nur 13% des Platinenraums, der von Aluminium-Elektrolytkondensatoren benötigt wurde.
  • Hybride maximieren die Zuverlässigkeit. Durch nahezu jede Maßnahme übertreffen Hybridkondensatoren äquivalente Aluminiumelektrolyt- und Polymerkondensatoren. Um einige Beispiele zu nennen, haben Hybridkondensatoren eine wesentlich bessere Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Beständigkeit als ihre elektrolytischen oder polymeren Gegenstücke. Hybride haben auch eine wesentlich höhere Toleranz für große Brummströme, Einschaltströme und erhöhte Temperaturen.

Insgesamt ergeben sich durch die Größe und Zuverlässigkeit hohe Kostenvorteile bei der Verwendung von Hybridkondensatoren - trotz höherer Vorleistungspreise. Die höhere Ripple-Strom-Spezifikation allein kann zu einer 20% -igen Verringerung der Kosten führen, indem die Lebensdauer des Kondensators erhöht wird. In der gerade erwähnten 48-V-Netzteilanwendung waren die Hybridkondensatoren insgesamt 50% billiger als die entsprechenden Aluminium-Elektrolytkondensatoren, wobei die Einsparungen durch die Senkung der Leiterplattenkosten, Garantiekosten und die Fähigkeit, hohen Rippelströmen standzuhalten ( siehe Abb. 3 ).

Abb. 3: Hybrid-Kondensatoren weisen eine hohe Zuverlässigkeit auf, wenn sie hohen Ripple-Strömen ausgesetzt sind. Bei neueren Tests hatten die Kondensatoren die elektrischen Eigenschaften bei Leerlauf und Nennwelligkeitsstrom (1300 mA). Bei einem Dreifachen des Nennwelligkeits-Stroms (3600 mA) änderten sich die elektrischen Eigenschaften des Kondensators, aber es gab keinen Mangel.

Von ROB O 'CONNOR, Produktmanager, Geschäftsbereich Kondensatoren, Panasonic Industrial Devices, www.panasonic.com/industrial