Полимерные конденсаторы Panasonic

15 августа 2014

Купить  

На первый взгляд может показаться, что конденсаторы достаточно простые компоненты, но их выбор – не такая тривиальная задача. Ассортимент конденсаторов для встроенных систем в последние годы сильно расширился благодаря преимуществам полимерных технологий. Для формирования электролита такие конденсаторы используют проводящие полимерные материалы. Сочетание жидкого электролита с полимерами типично для гибридного полимерного конденсатора.

Что же дает разработчикам новая полимерная технология по сравнению с электролитическими и керамическими конденсаторами?
- низкое последовательное сопротивление ESR и высокое рабочее напряжение
- стабильность емкость
- отличную долговременную стабильность и надежность
- безопасность.
В целом, полимерные и гибридные конденсаторы имеют свои преимущества в разрезе идеального напряжения, частотных характеристи и условий эксплуатации.

Разновидности полимерных конденсаторов

1. Многослойные полимерные алюминиевые конденсаторы имеют алюминиевый катод и электролит, выполненный из полимера. Конденсаторы производятся в диапазоне напряжений от 2 до 25 В с емкостью от 2.2 до 560 мкФ. Их отличительная электрическая характеристика – чрезвычайно низкое последовательное сопротивление ESR. Компоненты выполнены в штампованном прорезиненном низкопрофильном корпусе.
2. Мотаные полимерные конденсаторы имеют мотаную фольговую структуру. Они имеют более широкий диапазон напряжений и емкости, чем любые другие полимерные конденсаторы, от 2.5 до 100 В при емкости от 3.3 до 2700 мкФ. Также как и многослойные полимерные конденсаторы, они характеризуются сверхнизким ESR. Мотаные конденсаторы могут выпускаться в SMT исполнении, но уступают многослойным по габаритным размерам.
3. Полимерные танталовые конденсаторы используют полимерный электролит и танталовый катод. Они представлены компонентами от 1.8 до 35 В с емкостью от 2.7 до 680 мкФ и имеют низкое ESR. Корпусированные в штампованные прорезиненные конрпуса, танталовые полимерные конденсаторы являются одними из самых миниатюрных компонентов на рынке.
4. Полимерные гибридные алюминиевые конденсаторы используют комбинацию жидкого и проводящего полимера в качестве электролита и имеют алюминиевый катод, т.е. лучшее сочетание материалов для электролита и катода. Полимер имеет высокую проводимость и, соответственно, низкое последовательное сопротивление ESR. Жидкий электролит позволяет конденсаторам выдерживать высокое напряжение и расширяет номинальную емкость благодаря широкой эффективной рабочей поверхности. Конденсаторы выпускаются на напряжение от 25 до 80 В с емкостью от 10 до 330 мкФ. Последовательное сопротивление колеблется от 20 до 120 мОм, оно превышает аналогичные параметры других полимерных конденсаторов, но всё же остается на низком уровне.

Преимущества полимерных конденсаторов

Несмотря на разницу в используемых материалах и отличия конструкции, все 4 типа полимерных конденсаторов обладают набором отличных электрических характеристик:

1. Отличные частотные характеристики: с низким последовательным сопротивлением полимерные конденсаторы имеют низкий импеданс, близкий к точке резонанса, что уменьшает токи пульсации в силовых цепях. Проведенные испытания показали 5-кратное уменьшение размаха напряжения при замене обычных танталовых конденсаторов с низким ESR на полимерные аналоги.
2. Стабильность емкости: керамические конденсаторы чувствительны к изменениям температуры и напряжения. Полимерные конденсаторы не имеют такой проблемы и сохраняют свою номинальную емкость. Такая стабильность особенно важна для промышленного оборудования и автоэлектрики, где разброс рабочей температуры может быть достаточно широким. Производителям известны факты, когда под влиянием температурных изменений емкость керамических конденсаторов менялась на 90%. Гибридные полимерные конденсаторы имеют стабильную емкость в любых условиях эксплуатации – на высоких частотах или низких температурах, что невозможно достичь с традиционными электролитическими конденсаторами с жидким диэлектриком.
3. Расширенная безопасность в применении: обычные электролитические конденсаторы могут иметь проблемы с техникой безопасности и вызывать короткие замыкания и поломку оборудования. Проблема возникает когда электрическая перегрузка или механические стрессы образуют дефекты или разрывы в оксидной пленке, формирующей диэлектрик. Полимерные конденсаторы обладают способностью к «самовосстановлению». Нагрев разрывает молекулярную связь в проводящем полимере рядом с местом поломки, повышая его сопротивление и образуя барьер против утечки тока из электрода. У гибридных полимерных конденсаторов срабатывает дополнительный защитный механизм – жидкий электролит вызывает протекание электрического тока рядом с местом поломки для повторного окисления алюминия. Компания Panasonic провела множественные тесты с превышением напряжения для демонстрации самовосстанавливающейся природы полимеры и гибридных конденсаторов. В одном из таких тестов использовался SP-Cap полимерный конденсатор и обычный танталовый MnO2 конденсатор. Полимерный компонент выдержал ток короткого замыкания в 7А, в то время как танталовый задымился уже при 3А и загорелся при 5А. Такая гарантия безопасности имеет важные финансовые последствия. Обычные танталовые конденсаторы в целях безопасности выходят за пределы нормы при отклонении их рабочего напряжения на 30-50%. Это приводит к тому, что разработчики используют более мощные конденсаторы и увеличивают смету изделия. Полимерные же конденсаторы гарантируют стабильность параметры в 90% диапазоне номинального напряжения.

Преимущества гибридных конденсаторов

Миниатюризация и повышение рабочих частот многих электрических устройств вызвали повышение спроса на гибридные конденсаторы, которые отличаются стабильностью электрических характеристик на высоких частотах. Кроме того, конденсаторы имеют свои преимущества в таких приложениях, как сервера, устройства резервного хранения, промышленные привода, автомобильные блоки управления, видекамеры систем безопасности, светодиодная подсветка. Перечислим основные их них:

— Гибридные конденсаторы имеют компактные размеры. В среднем, SMT конденсаторы на 35В и 47 мкФ имеют размеры 6,3х5,8 мм. В современных источниках питания 48 В гибридные конденсаторы занимают всего 13% пространства платы, которое необходимо для аналогичных алюминиевых конденсаторов.
— Гибридные конденсаторы повышают надежность. Практически по всем показателям гибридные конденсаторы превосходят алюминиевые и полимерные конденсаторы. Например, они имеют значительно большую долговечность и стойкость к влажности по сравнению с их электролитическими или полимерными аналогами. Также, они более устойчивы к высоким токам пульсаций, пусковым токам и повышению рабочей температуры.

Суммируя выше сказанное, размеры и надежность создают сильное конкурентное преимущество, несмотря на более высокую цену этих компонентов. Только один параметр стойкости к токам пульсаций может на 20% сократить затраты посредством увеличения срока службы конденсатора. В упоминаемых выше источниках питания на 48В гибридные конденсатор суммарно экономят 50% затрат по сравнению с аналогичными электролитическими конденсаторами. Эта экономия включает уменьшение площади платы, гарантийного срока эксплуатации оборудования и стойкость к высоким токам пульсаций.

Гибридные конденсаторы показывают хорошую надежность при воздействии высоких токов пульсаций. На данных графиках показано сравнение параметров конденсатора без нагрузки при токе 1300 мА и 3600 мА (троекратное повышение тока пульсаций). Как видно, электрические характеристики находятся на предельно низком уровне, но не приводят к короткому замыканию.