FőoldalKonstruktőrElektrolitkondenzátorok
2013. január 04., péntek ::

Elektrolitkondenzátorok

Az alumíniumelektrolit-kondenzátor majd’ minden elektronikai áramkör alapvető építőeleme. Az elektronika mind szélesebb körű alkalmazása okán egyre fontosabb szerepet tölt be a készülékekben, hiszen azok élettartamát nagyban befolyásolja a beépített kondenzátor minősége. Ahhoz, hogy az alkalmazáshoz a tervezés fázisában a legjobb ár/érték arányú komponenseket lehessen kiválasztani, szükség van a piacon fellelhető különböző kondenzátorcsaládok tulajdonságainak mélyreható ismeretére

Ebben a cikkben szeretnénk áttekinteni azokat a kulcsfontosságú tényezőket, amelyek alkalmassá – vagy adott esetben alkalmatlanná tesznek – egyes típusokat az adott alkalmazásban való felhasználásra, megvizsgáljuk a standard és speciális elektrolitkondenzátorok felépítését, jellemzőit, várható élettartamát, előnyeit és hátrányait, valamint speciális alkalmazási területeiket a jól ismert japán SANYO és SUNCON gyártmányain keresztül

A kondenzátorokról általánosságban
A kondenzátorok olyan elektronikai alkatrészek, amelyek csak a váltakozó áramot (AC) vezetik, az egyenáramot (DC) nem, képesek az áram DC-komponensének blokkolására, energiatárolásra, illetve jelek frekvencia szerinti szűrésére is. A kondenzátor a szigetelő dielektrikummal elválasztott vezetőfegyverzeten képes töltés tárolására akár nagyon hosszú ideig is, a töltés növekedése folytán — a dielektrikumban növekvő elektromos tér hatására — az elektródák között arányosan növekszik a feszültség is. A felhalmozott töltés és a hatására megjelenő feszültség közötti arányt a kondenzátorra jellemző kapacitásértékkel definiáljuk, amely a megengedett legnagyobb feszültséggel együtt a legfőbb kondenzátor-paraméter. Az eszköz kapacitása a fegyverzet geometriájától és az alkalmazott dielektrikum jellemzőitől függ.
Amikor folyamatos töltésnövekedés hatására a feszültség egy meghatározott határérték, a letörési feszültség fölé növekszik, a dielektrikum nem képes egymástól elszigetelni a vezetőfegyverzeteket, töltésáramlás hatására a kondenzátor elkezd kisülni, amely belső felmelegedéshez vezet. Az alkatrész üzemi feszültségét ezért mindig ez alatt a feszültségérték alatt kell tartani. A kapacitás és a maximális feszültségérték meghatározása mellett még egy sor egyéb paramétert is be kell állítani a tervezőnek, ezek meghatározásához azonban először át kell tekinteni a kondenzátorok fizikai jellemzőit.

Áramköri modell – ESR, szivárgási áram, ripple
Mint minden fizikai eszköz, a kondenzátor is véges ellenállású anyagokból készül, hiba lenne csak ideális kapacitással számolni áramköri modellezéskor. Így célszerűen bevezetésre került az ideális kapacitással sorba kötött, kis értékű, ekvivalens, soros ellenállás (ESR — equivalent series resistance), illetve a szigetelő dielektrikum szivárgási jelenségét leíró, párhuzamosan kapcsolt szivárgási, vagy szigetelési ellenállás (paralel leakage resistance).

A kondenzátor belsejében található dielektrikum természetesen nem tökéletes szigetelőanyag, a fegyverzetek töltése által gerjesztett elektromos tér az anyagban nA-nagyságrendű, úgynevezett szivárgási áramot hajt át. Ez az áram tulajdonképpen a dielektrikum kis hibáinál átszökő elektronok mozgása, amely a tápfeszültség megszűnésekor előbb-utóbb kisüti a kondenzátort. Az ábrán látható áramköri modellben ezt a jelenséget az ideális kapacitással párhuzamosan kapcsolt Rleakage ellenállás reprezentálja, amelyet a szakirodalom gyakran szigetelési ellenállásnak is hív, és értéke a kondenzátor fajtájától függően nagyon nagy, legnagyobb fóliakondenzátorok esetében. Olyan kondenzátorok esetében, ahol ez az ellenállás viszonylagosan kisebb, mint például folyékony elektrolittal rendelkező alumínium E-cap esetén, a szakirodalom a szivárgási ellenállás elnevezést használja. A kondenzátor szivárgási árama nagyon fontos paraméter, mert minél nagyobb az adott családra jellemző értéke, annál kisebb a kondenzátor töltéstárolási képessége.
Az ESR, ami nagyfrekvencián a kondenzátor váltakozó áramú impedanciája, hőmérséklet- és frekvenciafüggő érték, amely a dielektrikum ellenállását, a kivezetések, a dielektrikum és a fegyverzetek közötti kapcsolódás egyenáramú ellenállását tartalmazza, ideálisan kis érték (általában 0,1 Ω nagyságrend).
A legtöbb alkalmazásban az egyenfeszültség AC-komponenst is tartalmaz, amely váltakozó áramot hajt át a kondenzátoron, ennek az effektív értékét „ripple”-áramnak hívjuk, és megengedett legmagasabb értéke szintén fontos jellemző az alkatrész kiválasztásakor, mert eredményeképpen a kondenzátor belsejében hő keletkezik. A komponensre jellemző ESR határozza meg a teljes I2R veszteséget, ami különösen fontos kapcsolóüzemű és teljesítményelektronikai alkalmazásokban. A viszonylag nagy ESR-értékkel rendelkező kondenzátorok nehezebben táplálják a külső áramkört, mert lassabban töltődnek és sülnek ki. A folyékony elektrolittal rendelkező alumíniumkondenzátorok ESR-értéke a kiszáradás miatt idővel egyre nő. Természetesen léteznek nagyon kis ESR-értékű, speciális elektrolitkondenzátorok is, amelyek elsősorban szűrőkondenzátorként ideálisak.

Folyékony elektrolittal rendelkező kondenzátor élettartamkérdései
Az elektronikus paraméterek folyamatos változásának és a véges élettartamnak legfőbb oka az ilyen kondenzátorokban a folyékony elektrolit. A rajta átfolyó áram tulajdonképpen az ionok mozgásából ered, melyek a hőmérséklet emelkedésének hatására fellépő viszkozitáscsökkenés miatt könnyebben haladnak, az ESR csökken, a „ripple”-áram pedig növekszik. Az elektrolit anyagára jellemző forráspont határozza meg a belső hőt keltő, maximálisan megengedhető „ripple”-áram értékét. Az elektronikus paraméterek időbeni változását és végső soron a véges élettartamot az elektrolitban fellépő elektrokémiai reakciók és a kiszáradás együttesen okozzák. Az elektrolitkondenzátorok várható élettartamának leírására és meghatározására általánosan elfogadott modell három fő faktort vesz számításba:

  • a hőmérséklet hatásának vizsgálatakor az Arrhenius-összefüggésből származtatott, úgynevezett 10 Kelvin-szabályt vesszük figyelembe, mely szerint az üzemi hőmérséklet 10 fokkal történő csökkenése megkétszerezi a várható élettartamot,
  • a „ripple”-áram hatása fontos tényező, mert ez okozza a belső melegedést,
  • a nagyobb méretű elektrolitkondenzátorok esetében a kapocsfeszültségnek is komoly hatása van az élettartamra, mert a névleges feszültség közeli és afeletti értékek roncsolják a dielektrikumot, és több elektrolitot emészt fel az öngyógyulás folyamata.

A várható élettartam meghatározásához az alábbi formula használható:


L: Várható élettartam (óra) T1 (°C) hőmérsékleten
L0: Garantált élettartam (óra) T0 (°C) hőmérsékleten
T0: Maximális üzemi hőmérséklet (°C)
T1: Aktuális üzemi hőmérséklet (°C)
dT0: Hőmérséklet-változás a névleges „ripple”-áram okozta felmelegedés hatására (°C) (Suncon furatszerelt ELKO-ra 85 °C dT0 = 5 °C, 105 °C—os típusokra 3 … 4 °C, SMD típusokra 1,5 … 3 °C)
dT1: Hőmérséklet-változás az aktuális „ripple”-áram okozta felmelegedés hatására (°C)

A „ripple”-áramértékekkel kifejezve:


I0: Névleges ripple-áram (ARMS)
I1: Aktuális ripple-áram (ARMS)

Alumíniumelektrolit kondenzátorok


Ezek a kondenzátorok két vezető alumíniumfólia felhasználásával készülnek, amelyek közül az egyiket szigetelőréteg (Al-oxid dielektrikum) borít, köztük pedig folyékony elektrolittal átitatott elválasztópapír helyezkedik el. A szigetelő dielektrikum-réteggel ellátott fólia anódként, a nedves elektrolit a másik fóliával együtt pedig katódként funkcionál. Az elektrolit egy nemfémes, ionos vezetőanyag, amelynek segítségével más konstrukciókhoz képest nagyobb fajlagos kapacitásérték érhető el. Az ábrán látható, rétegezett elrendezést azután kivezetésekkel ellátva felcsévélik, és alumíniumhengerbe helyezik. A folyékony elektrolitalapú kondenzátorok nagy előnye, hogy a dielektrikum magától „gyógyul”, mihelyt DC-feszültség kapcsolódik a folyadékban lévő lemezekre. Ezt a folyamatot anodizációnak hívják, amely során a dielektrikum hibái mentén keletkezett szivárgási áram elektrolitikus úton a szigetelő oxidréteget addig vastagítja, amíg ez a feszültség fenntartására szükséges. Emiatt előnyösebb a folyékony elektrolit­alapú kondenzátorokat folyamatosan töltés alatt tartani. Hátrányuk azonban, hogy a fordított polarizáció esetén még a legkisebb hiba is a dielektrikum gyors leépítéséhez és — öngerjesztő folyamat során — a komponens tönkremeneteléhez vezet. Másik probléma a folyékony elektrolit párolgása, amely kiszáradáshoz, illetve a felszabaduló gázok miatt fellépő nyomás a kondenzátor kilyukadásához, szélsőséges esetben felrobbanásához vezethet. Amikor a többnyire savas elektrolit elszökik, az korrodálja a szomszédos áramköri elemeket a panelen. Az élettartam vége felé közeledve a dielektrikum már nem képes regenerálódni, tönkremegy, az elektrolit elpárolog, a szivárgási áram megnövekszik, a kiszáradás miatt pedig a kapacitás drasztikusan csökken. A folyékony elektrolitos kondenzátorok előnye alacsony költségük mellett az, hogy nagy egységnyi kapacitásérték érhető el velük, nagy feszültségeken alkalmazhatóak, viszont hőmérséklettől erősen függő, gyenge szigetelési ellenállásuk okozta viszonylag magas szivárgási áramuk miatt (kb. 5 … 20 µA µF-onként) használatuk tárolási alkalmazásokhoz nem javasolt.
A SUN Electronics Industries az olcsó standard típusok mellett rengeteg speciális alumíniumelektrolit kondenzátorsorozatot kínál, léteznek hosszú élettartamú, alacsony ESR-értékű változatok is különféle fizikai kivitelekben.

Szilárd (polimer) kondenzátorok
Tantál- és Sanyo PosCap-sorozat
Amikor az alkalmazásnak hosszú élettartamú, nagy kapacitású, rendkívül kisméretű, megbízható és nagy hőmérsékleten is alkalmazható kondenzátorra van szüksége, a szilárd elektrolittal rendelkező (pl. tantál-) kondenzátorok helyettesíthetik a folyékony elektrolitos alumíniumkondenzátorokat. A tantálkondenzátorok kompakt kisfeszültségű, polarizált áramköri elemek, az alumíniumelkóknál kisebb energiasűrűséggel és szűkebb toleranciával készülnek. A rendkívül porózus szinterezett tantálszemcsék alkotják a nagy felületű anódot, amelyen vékony oxid-dielektrikumréteg található. A tantálkondenzátor nagy egységnyi méretre eső kapacitással és nagyon alacsony szivárgási árammal rendelkezik, így hosszú ideig képes töltést tárolni, mindezek mellett kiválóan viselkedik nagy hőmérsékleten is (+125 °C). Ugyanakkora kapacitás mellett az alumínium elektrolitkondenzátoroknál alacsonyabb ESR-érték szignifikáns előny számos alkalmazási területen. A tantálkondenzátort emellett stabil kapacitás, kis DC-szivárgási áram, nagyfrekvencián is kis impedancia jellemzi, azonban a feszültségtüskékre és a fordított polaritásra nagyon érzékeny. Amennyiben a keletkezett hiba rövidzárlat, az a nagyon vékony dielektrikum miatt könnyen katasztrofális termikus megfutáshoz vezethet. A dielektrikum hibái mentén, a letörés folytán keletkező szivárgási áram öngyógyító anodizációt indít, ami ideális esetben újraépíti a szigetelő oxidréteget, ám ha a felszabaduló energia a hibapontokon túl nagy, akkor a tantál táplálni, a katódként funkcionáló mangán-dioxidból származó oxigén pedig katalizálni fogja az égést, emiatt a tantálkondenzátor egyes tűzveszélyes helyeken, pl. autóipari alkalmazásokban egyáltalán nem használható. További hátrányuk az Al elektrolitkondenzátorokkal összehasonlítva a relatív magasabb áruk, de előnyeik miatt a kevésbé költségérzékeny alkalmazásokban, ahol a kis méretek elkerülhetetlenek (mobilkészülékek, okostelefon, tablet, notebook) ideális komponensek.

Amennyiben katódként a hagyományos tantálkondenzátorokban szokásos MnO2 kiváltására polimereket használunk, még több előnyös tulajdonság jelenik meg. A SANYO POSCAP-családjai ugyanazon kapacitásérték mellett további technikai előnyöket és sokkal kisebb méretben költséghatékonyabb áramköri megoldásokat kínálnak. A kisebb fizikai méretek miatt az ESR és ESL (ekvivalens soros ellenállás és induktivitás)-értékek is kisebbek, így az alkalmazott komponensek száma csökkenthető, vagy ugyanakkora helyen magasabb kapacitásérték érhető el kisebb névleges feszültségen. Az extrém kis ESR miatt a PosCap rendkívül jó ripple-eltávolító képességgel rendelkezik. Emellett az ESR és az impedancia széles üzemi hőmérséklet-tartományban (—55 … +105 °C) stabil. A konstrukcióban használt vezetőpolimer szintén öngyógyító tulajdonsággal rendelkezik, a dielektrikum hibái mentén fellépő szivárgási áram automatikusan javítja a szigetelést.
A PosCap-technológia önmagában drágább, mint a hagyományos tantálkondenzátorok, azonban a méretcsökkentés lehetőségén keresztül, vagy kevesebb komponens felhasználásával összességében mégis jelentős megtakarítás realizálható. A hagyományos tantálkondenzátorok katódjában lévő MnO2 helyett használt polimer további előnyös tulajdonsága, hogy még a PosCap letörési feszültségén (a névleges feszültség 2 … 4-szerese) sem keletkezik láng, ami sok esetben a hagyományos tantálkondenzátoroknál biztonságosabb megoldásokat tesz lehetővé. A PosCap fő felhasználási területe a DC-DC konverterek simítókondenzátora, az extrém kis ESR miatt a ripple-áram könnyebben halad át a kondenzátoron, így a ripple-feszültségesés kicsi.

Szilárd alumíniumelektrolit kondenzátor szerves félvezető elektrolittal (OS-CON)

A SANYO rendelkezik egy másik szilárd elektrolitos kondenzátortechnológiával is, ahol az alumíniumfólia rétegek folyékony elektrolit helyett egy melegítéssel kívánt alakúra formált, szilárd félvezető anyagba vannak ágyazva, ami megvédi a kondenzátort az extrém tranziens hőhatásoktól is. Hagyományos alumíniumelkókkal összevetve ez a struktúra csak az alkalmazott elektrolit anyagában különbözik, a szerves félvezető anyag vezetőképessége százszorosa a folyékony elektroliténak, és még a hagyományos tantálkondenzátorénak is tízszerese. Az újabban a szerves félvezetők helyett alkalmazott vezetőpolimerek még további vezetőképesség-növekedést biztosítanak, az ESR-értékek pedig nagyon alacsony szintre csökkentek, és még nagyon kis hőmérsékleteken sem változnak, ami különösen alkalmassá teszi az ilyen kondenzátorokat az extrém kültéri használatra is. Ahogy azt a PosCap esetében is láttuk, az OS-CON is alkalmas a kész elektronikákban a fizikai méretek csökkentésére, gyakran egyetlen OS-CON segítségével három konvencionális, egyenként is nagyobb méretű alumínium elektrolitkondenzátor is kiváltható. Az elektrolitkondenzátorok élettartamának tárgyalásakor kitértünk arra, hogy 10 °C üzemi hőmérséklet-csökkenés hatására a várható élettartam megduplázódik, az OS-CON-technológia alkalmazásával 20 °C hőmérséklet-csökkenés hatására a valószínű élettartam tízszeresére nő.
Az előnyök mellett meg kell említeni, hogy a szilárd elektrolittal rendelkező elektrolitkondenzátoroknak a speciális öngyógyító folyamatai miatt a folyékony elektrolittal töltött családoknál magasabb a szivárgási áramuk, emiatt a maximális névleges feszültségük azokénál sokkal alacsonyabb.

Az OS-CON felhasználási területe:

  • ipari elektronikai alkalmazások simító-kondenzátora (hosszú élettartama miatt és azért, mert kiküszöböli a DC bias problematikáját, azaz a feszültség rákapcsolásával nem változik a kapacitása);
  • tápegységek backup és bypass kondenzátorként (nagy áramok esetén is gyors válasz nagy sebességű terhelésváltozásra);
  • alacsony ESR-karakterisztikája kiváló zajszűrő tulajdonsággal ruházza fel, ezért fogyasztói (audio) termékekben aluláteresztő szűrőként is alkalmazható, elhagyható számos más szűrőelem, mint például hagyományos elkók és induktivitások

Hibrid kondenzátorok
A SUN Electronics Industries speciális hibrid kondenzátorokat fejlesztett ki, amelyek egyedülállóak a piacon. Az alkalmazott EP-CAP-technológia a folyékony elektrolitos Al kondenzátorok előnyeit (széles feszültség- és kapacitásértékek, kis szivárgási áram, alacsony ár), valamint a szilárd polimer elektrolitos kondenzátorok előnyeit (alacsony ESR, magas ripple-áram, hosszú élettartam) ötvözi. Az EP-CAP felépítése hasonlít a hagyományos kondenzátorokéra, azonban a folyékony elektrolit helyett speciális zselés anyagot használnak, a folyékony elektrolitba vezetőpolimer-molekulákat kevernek.

A folyékony elektrolit

  • kisebb szivárgási árammal is biztosítja a sérült dielektrikum-oxid réteg öngyó­gyulását,
  • a pusztán szilárd elektrolitos változatokhoz képest magasabb névleges feszültséget eredményez.

A hozzáadott polimer jobb elektronikai és élettartam-tulajdonságokat biztosít.

  • Az extrém alacsony ESR a kész elektronikában komoly helymegtakarítást és költségcsökkentést, valamint nagy frekvencián kiváló zajszűrést tesz lehetővé.
  • A nagy rippleáram-átengedő képesség alkalmassá teszi az EP-CAP-et kapcsolóüzemű feszültségszabályozók simítókondenzátoraként.
  • A működés széles hőmérséklet-tartományban és alacsony hőmérsékleten is stabil.
  • Nincs szükség a kapocsfeszültség csökkentésére, garantáltan a kondenzátorra kapcsolható a névleges feszültség.

Adatlap, minta és technikai segítség a szerzőtől kapható (Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.).

Az Endrich honlapja

Tudomány / Alapkutatás

tudomany

CAD/CAM

cad

Járműelektronika

jarmuelektronika

Led technológia

Led technológia

Rendezvények / Kiállítások

Mostanában nincsenek események
Nincs megjeleníthető esemény