Kondensatoren sind eine absolut wesentliche Komponente in vielen Schaltungsdesigns und Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind seit langem eine beliebte Wahl. Allerdings bieten die neu eingeführten Aluminium-Polymer-Kondensatoren von KEMET zahlreiche Verbesserungen, darunter einen niedrigen ESR-Wert, bessere Temperaturstabilität und längere Lebensdauer. In diesem Artikel erfahren Sie, warum es eine gute Idee sein kann, einen Aluminium-Polymer-Kondensator einem Aluminium-Elektrolytkondensator vorzuziehen.
Die neue Aluminium-Festpolymerkondensatorserie von KEMET verwendet einen Festpolymerelektrolyten anstelle eines leitfähigen flüssigen Elektrolyten. Herkömmliche Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwenden leitfähige flüssige Elektrolyte und werden daher oft als „nasse“ Kondensatoren bezeichnet. Zu den Vorteilen fester Polymere gehört ein niedriger ESR, der bei unterschiedlichen Temperaturen, Frequenzen und über die gesamte Betriebslebensdauer hinweg stabil bleibt. Dies bedeutet, dass sie höhere Welligkeitsströme und eine längere Lebensdauer als „nasse“ Kondensatoren aushalten können. Darüber hinaus sind sie durch das feste Polymer bei richtiger Verpackung wesentlich vibrationsbeständiger.
Abbildung 1: Aluminium-Festpolymer-Elektrolytkondensatoren von KEMET in Durchsteck- und Oberflächenmontage
Quelle: Was sind Aluminium-Polymer-Kondensatoren? — KEMET und Mouser Electronics
Was ist ein Festpolymerkondensator?
Kondensatoren bestehen im Allgemeinen aus zwei leitfähigen Platten (Elektroden), die durch einen Isolator (Dielektrikum) getrennt sind. Elektrolytkondensatoren sind polarisiert, d. h. sie funktionieren nur, wenn an einem Anschluss immer eine positivere Spannung anliegt als am anderen Anschluss. Beim Anlegen einer Sperrspannung kann der Kondensator beschädigt werden.
Abbildung 2: Grundlegende Konzepte zu Elektrolytkondensatoren
Bei einem Aluminium-Elektrolytkondensator bestehen die Elektroden aus Aluminiumfolie und zwischen den beiden Aluminiumelektroden befindet sich ein Elektrolytpapier, das mit einem leitfähigen flüssigen Elektrolyten getränkt ist. Eine Oxidschicht auf einer der Elektroden (der Anode) ist das Dielektrikum. Die andere Folienelektrode wird als Kathode bezeichnet.
Im Gegensatz dazu ist der Elektrolyt bei einem Aluminium-Polymer-Kondensator ein festes Polymermaterial. Dieses elektrisch leitfähige Polymermaterial senkt den ESR, erhöht die Temperaturstabilität und verlängert die erwartete Lebensdauer. Der Elektrolyt des festen Polymers versagt auch nicht durch Austrocknen, wie es bei „nassen“ Elektrolyten der Fall sein kann.
Abbildung 3: Aluminium-Elektrolytkondensator mit festem Polymerelektrolyt
Was sind die Vorteile von festen Polymeren?
Das feste organische Polymer, das in diesen neuen Festpolymerkondensatoren als Elektrolyt verwendet wird, ist um ein Vielfaches leitfähiger als herkömmliche flüssige Elektrolyte. Dies bedeutet, dass sie über hervorragende elektrische Eigenschaften verfügen.
Niedriger ESR
Festpolymerkondensatoren haben aufgrund der hohen Leitfähigkeit des proprietären organischen Polymermaterials von KEMET und der Festpolymerkathodenkonstruktion einen sehr niedrigen ESR. Ein niedriger ESR bedeutet, dass bei der Arbeit des Kondensators nur sehr wenig Energie als Wärme verschwendet wird.
Hohe Restwelligkeitsfähigkeit
Da ein hoher Restwelligkeitsstrom durch den ESR eines Kondensators zu Leistungsverlusten führt, bedeutet ein niedrigerer ESR-Wert eine geringere Verlustleistung im Kondensator. Dies wiederum hält die Temperatur des Kondensators niedriger, macht ihn für Hochtemperaturanwendungen besser nutzbar und verlängert seine Lebensdauer. Restwelligkeitsstrom durch ESR erzeugt auch Rauschspannungen auf der Leitung, so dass ein niedrigerer ESR-Wert weniger Rauschen in derselben Anwendung bedeutet.
ESR-Stabilität
Der feste Polymerelektrolyt ist bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen und Betriebstemperaturen sowie über die gesamte Lebensdauer des Kondensators äußerst stabil. Ein Polymerkondensator weist über ein breites Frequenzspektrum hinweg einen niedrigen ESR auf, was bedeutet, dass Oberwellen keine Quelle übermäßiger Erwärmung und Leistungsverluste sind.
Kapazitätsstabilität
Ein weiterer Vorteil des festen Polymerelektrolyten besteht darin, dass die Kapazität während der gesamten Betriebslebensdauer des Produkts stabiler bleibt. Herkömmliche „nasse“ Aluminium-Elektrolytkondensatoren verlieren viel schneller an Kapazität.
Lange Lebensdauer
Mit einer Lebenserwartung von bis zu 5.000 Stunden bei 105 °C übertreffen sie herkömmliche Aluminium-Elektrolytkondensatoren bei weitem. Und noch besser: Die Lebenserwartung erhöht sich um eine Größenordnung (zehnmal) pro 20 °C, um die die Betriebstemperatur des Kondensators sinkt.
Was macht Festpolymerkondensatoren so vibrationsbeständig?
Die Festpolymerkondensatoren der A768-Serie von KEMET sind speziell auf eine Beständigkeit gegen Vibrationskräfte von bis zu 30 G ausgelegt. Neben allen oben genannten Vorteilen von Polymerkondensatoren ist das feste Polymer auch intern strukturell stabiler, was bedeutet, dass es stärkeren Vibrationen standhalten kann. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, wurden bestimmte Designentscheidungen getroffen und die A768-Serie geschaffen.
Höherer Sockel – Der höhere Sockel des A768 bietet dem Kondensator besseren Halt
Zusätzliche Anschlüsse – Die zusätzlichen „Blindanschlüsse“ bieten keine bessere elektrische Konnektivität. Sie dienen vielmehr dazu, eine stabilere und physisch verbundene Basis für die Leiterplatte bereitzustellen. Die solide Polymerkonstruktion, die höhere Basis und die zusätzlichen „Dummy“-Anschlüsse ergeben zusammen ein Produkt, das Vibrationen von bis zu 30 G standhält. Diese Teile werden mit einem Durchmesser von 10 mm angeboten und sind für die Automobilindustrie nach AEC-Q200 qualifiziert.
Ideale Anwendungen für vibrationsbeständige Festpolymerkondensatoren
Es gibt viele Anwendungen, die von robusten Kondensatoren profitieren, die in Umgebungen mit starken Vibrationen betrieben werden können. Eine der besten Anwendungen sind Stromrichterschaltungen in Automobilen. Da immer mehr Elektronik in Fahrzeuge eingebaut wird und immer mehr Fahrzeugteile elektrische Systeme enthalten, steigt der Bedarf an hochzuverlässiger Stromumwandlung unter extremen Bedingungen.
Neue Elektrofahrzeuge benötigen eine enorme Anzahl von Leistungswandlungsschaltkreisen, vom Laden und Warten der Batterien bis hin zur Stromversorgung des Antriebsstrangs und der Steuersysteme. Die Vibrationen der beweglichen Teile der Motoren, Achsen, Räder und Straßenoberflächen belasten alle Teile eines Autos stark. Mit der Antivibrationskondensatorserie von KEMET können elektrische Subsysteme, Motorsteuergeräte und DC/DC-Wandler für Kraftfahrzeuge länger und zuverlässiger arbeiten als je zuvor.
Aluminium-Polymer-Kondensatorserie A768 von KEMET
Die A768-Serie von KEMET ist in Kapazitäten von 18 µF bis 1000 µF und in Spannungen von 16 V bis 80 VDC erhältlich. Mit einem breiten Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis 125 °C, der Automobil-AEC-Q200-Qualifizierung und der vibrationsdämpfenden Verpackung eignen sich diese Kondensatoren ideal für die meisten Stromumwandlungsanwendungen, insbesondere in Fahrzeugen und Industriemaschinenanwendungen.
Die Aluminium-Polymer-Kondensatoren von KEMET sind halogenfrei und mit standardmäßigen bleifreien Lötmontageverfahren kompatibel.