Понимание полимерных и гибридных конденсаторов

Электродинамика Г.И.Веселова (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Встроенные системы повышают надежность и производительность с использованием конденсаторов на основе проводящих полимеров

ПО ROB O 'CONNOR
Менеджер по продуктам, Capacitor Business Div.
Промышленные устройства Panasonic
www.panasonic.com/industrial

Конденсаторы могут казаться достаточно простыми, но уточнение их в последние годы стало более сложным. Причина сводится к свободе выбора. За последние несколько лет вселенная конденсаторов для приложений встраиваемых систем значительно расширилась, в основном из-за конструкций конденсаторов, которые используют преимущества в проводящих полимерах.

Эти передовые конденсаторы иногда используют проводящие полимеры для образования всего электролита. Или проводящие полимеры могут использоваться в сочетании с жидким электролитом в конструкции, известной как гибридный конденсатор (см . Фиг.1 ). В любом случае, эти конденсаторы на основе полимера имеют преимущество перед обычными электролитическими и керамическими конденсаторами, когда речь заходит о:

  • ESR и номинальное напряжение
  • стабильность
  • Долговечность и надежность
  • безопасности
  • Стоимость жизненного цикла

Различные полимерные и гибридные конденсаторы имеют различные сладкие точки с точки зрения их идеальных напряжений, частотных характеристик и условий окружающей среды.

Полимерные конденсаторные сорта

  • Слоистые полимерные алюминиевые конденсаторы (см. Рис.2 ) используют проводящий полимер в качестве электролита и имеют алюминиевый катод. Они охватывают диапазон напряжений от 2 до 25 В и обеспечивают от 2, 2 до 560 мкФ. Их отличительная электрическая характеристика - чрезвычайно низкая ЭПР. Упакованные в формованную смолу как компактные устройства для поверхностного монтажа, эти устройства имеют низкий профиль.
  • Конденсаторы из полимерного алюминия на ране также основаны на проводящих полимерах и алюминии, но они имеют структуру раневой фольги. Они охватывают более широкий диапазон напряжений и значений емкости, чем другие полимерные конденсаторы. Напряжения распространяются от 2, 5 до 100 В, а емкости - от 3, 3 до 2700 мкФ. Как и слоистые полимерные конденсаторы, раневой тип имеет чрезвычайно низкие значения ЭПР. Они могут быть установлены на поверхности, хотя они не столь компактны, как слоистые конденсаторы.
  • В полимерных танталовых конденсаторах используется электропроводный полимерный электролит и танталовый катод. Они охватывают от 1, 8 до 35 В с емкостями от 2, 7 до 680 мкФ и имеют низкую ЭПР. Упакованные в корпус из формованной смолы, конденсаторы из танталового полимера являются одними из самых компактных на рынке.
  • Полимерные гибридные алюминиевые конденсаторы используют комбинацию жидкого и проводящего полимера, чтобы служить электролитом, имеющим алюминиевый катод - лучший из обоих миров. Полимер обеспечивает высокую проводимость и соответственно низкое СОЭ. Жидкая часть выдерживает высокие напряжения и обеспечивает более высокие номинальные значения емкости благодаря большой эффективной площади поверхности. Они предлагают напряжение от 25 до 80 В и емкости от 10 до 330 мкФ. При значениях от 20 до 120 мОм значения ЭПР для гибридов выше, чем у других типов полимерных конденсаторов, но все же очень низкие.

Рис. 1: Технология гибридных конденсаторов сочетает в себе преимущества электролитического и полимерного применения.

Преимущества полимерных конденсаторов

Несмотря на различия в их материалах и конструкции, четыре типа полимерных конденсаторов имеют коллекцию желательных электрических свойств:

  • Большие частотные характеристики: при очень низких ЭПР полимерные конденсаторы имеют низкий импеданс вблизи их резонансной точки, что уменьшает пульсацию силовых цепей. Наше тестирование показало, что при сравнении полимерных конденсаторов с обычными танталовыми конденсаторами с низким уровнем ЭПР произошло пятикратное снижение изменений пикового напряжения.
  • Стабильная емкость: с керамикой, емкостные дрейфы в ответ на температуру и смещение постоянного тока. Полимерные конденсаторы не имеют такой проблемы и остаются стабильными. Эта стабильность особенно важна в промышленных и автомобильных применениях, которые, как правило, испытывают широкие рабочие температуры. Мы видели случаи, когда повышенные температуры вызывали эффективную потерю емкости 90% или более для керамических конденсаторов. Гибридные конденсаторы сохраняют стабильную емкость в условиях общих рабочих условий - высоких частот и низких температур - что уменьшает емкость обычных жидких электролитических конденсаторов.
  • Повышенная безопасность: обычные электролитические конденсаторы могут страдать от проблем безопасности, которые могут привести к короткому замыканию и сбою. Проблема возникает, когда электрическая перегрузка или механические напряжения создают дефекты или разрывы в оксидной пленке, которая образует диэлектрик. Полимерные конденсаторы обладают возможностью самовосстановления, что устраняет этот режим отказа. Обогрев разрушает молекулярную цепь проводящего полимера вблизи дефекта, повышая его сопротивление и эффективно создавая барьер против любого тока, протекающего с электрода. В случае гибридных конденсаторов вступает в действие дополнительный механизм самовосстановления, поскольку жидкий электролит вызывает ток, протекающий вблизи дефекта, для повторного окисления алюминия. Мы провели многочисленные испытания на перенапряжение, чтобы продемонстрировать самовосстанавливающуюся природу полимерных и гибридных конденсаторов. Один из таких тестов сравнивал наши полимерные конденсаторы SP-Cap с обычным конденсатором Tantalum-MnO 2 . Модель полимера выдерживала короткие токи до 7 А, в то время как конденсатор тантала начал курить при 3 А и воспламенялся при 5 А. Это повышение безопасности имеет важные конструктивные и финансовые последствия. Обычные танталовые конденсаторы обычно снижаются с использованием на 30-50% их помеченного напряжения, чтобы обеспечить их безопасную работу. Это снижение, в то время как общая и принятая инженерная практика, приводит к увеличению емкости конденсаторов и увеличению стоимости. Для наших полимерных конденсаторов, напротив, мы гарантируем работу при 90% от номинального напряжения.

Рисунок 2: Полимерные гибридные алюминиевые конденсаторы используют комбинацию жидкости и

проводящий полимер, служащий электролитом и алюминием в качестве катода.

Гибкие преимущества производительности cpacitor

В результате миниатюризации и более высоких частот переключения многих электрических устройств гибридные конденсаторы начали получать больше тяги. Гибриды известны своими стабильными электрическими характеристиками на высоких частотах. Эти надежные конденсаторы также имеют другие убедительные преимущества, которые делают разницу в таких приложениях, как компьютерные серверы, устройства резервного копирования и сетевые устройства, а также промышленные двигатели, блоки управления автомобильным двигателем, камеры безопасности и светодиодное освещение. Среди преимуществ:

  • Гибриды компактны. Гибридные конденсаторы с поверхностным креплением размером всего 6, 3 х 5, 8 мм могут обрабатывать 35 В с емкостью 47 мкФ. Небольшой размер может сэкономить значительное количество места на плате. В недавнем приложении питания на 48 В гибридные конденсаторы занимали всего 13% площади платы, что требовалось алюминиевым электролитическим конденсаторам.
  • Гибриды повышают надежность. Почти все меры, гибридные конденсаторы превосходят эквивалентные алюминиевые электролитические и полимерные конденсаторы. Чтобы взять несколько примеров, гибридные конденсаторы имеют значительно лучшую выносливость и влагостойкость, чем их электролитические или полимерные аналоги. Гибриды также имеют значительно более высокую допуск для больших пульсаций, пусковых токов и повышенной температуры.

В совокупности размер и надежность дают сильную экономическую выгоду для использования гибридных конденсаторов - несмотря на их более высокие первоначальные цены. Более высокая спецификация тока пульсации может привести к снижению стоимости на 20% за счет увеличения жизненного цикла конденсатора. В упомянутом ранее заявлении о потреблении энергии на 48 В гибридные конденсаторы имели общую стоимость на 50% ниже, чем эквивалентные алюминиевые электролитические конденсаторы, при этом экономия достигалась за счет сокращения стоимости платы, стоимости гарантии и способности выдерживать высокий пульсационный ток ( см . фиг.3 ).

Рисунок 3: Гибридные конденсаторы проявляют высокую надежность при воздействии высоких пульсаций тока. В недавних испытаниях конденсаторы имели электрические характеристики без нагрузки и номинальный ток пульсации (1300 мА). При трехкратном номинальном пульсационном токе (3600 мА) электрические характеристики конденсатора изменились, но недостатка не произошло.

По ROB O 'CONNOR, менеджер по продукции, подразделение по производству конденсаторов, промышленные устройства Panasonic, www.panasonic.com/industrial