Mniejszy rozmiar płytki i krótszy czas wprowadzenia na rynek dzięki ultracienkim kondensatorom o dużej pojemności wyprodukowanym w USA

Inżynierowie zajmujący się projektowaniem sprzętu zawsze szukają możliwości obniżenia kosztów, rozmiarów i wagi komponentów, a jednocześnie spełnienia lub przewyższenia celów w zakresie wydajności i niezawodności komponentów i całego układu. Jednymi z najczęściej optymalizowanych i najbardziej krytycznych z punktu widzenia optymalizacji komponentów są kondensatory montowane na płytkach drukowanych ze względu na ich duże rozmiary i szerokie zastosowanie. Przy wyborze kondensatora trzeba także brać pod uwagę niezawodność ze względu na jego podatność na upływ i degradację pojemności w czasie pod wpływem ekstremalnych temperatur. Ta degradacja może skutkować chwilowymi awariami obwodów, obniżając wydajność i niezawodność układu.

Podczas gdy dostawcy kondensatorów wciąż ulepszają ich konstrukcję, aby zwiększyć gęstość energii, niezawodność i wagę, część optymalnie pasująca do danego zastosowania może być niedostępna z powodu długich czasów realizacji zamówień spowodowanych problemami z łańcuchem dostaw.

W niniejszym artykule omówiono rolę kondensatorów filtrujących i magazynujących. Pokazano, w jaki sposób pojedynczy kondensator może zastąpić inne typy kondensatorów, takie jak zespół kondensatorów do montażu powierzchniowego, umożliwiając zastosowanie mniejszej liczby komponentów na płytce i połączeń obwodów oraz poprawiając ogólną niezawodność obwodu. Artykuł przedstawia także aluminiowe kondensatory elektrolityczne o wysokiej niezawodności firmy Cornell Dubilier Electronics, które mają tę zaletę, że charakteryzują się zarówno cienkim profilem, jak i bardzo wysoką gęstością energii. Kondensatory te mogą również umożliwić skrócenie czasu realizacji zamówień dla zakładów produkcyjnych w Ameryce Północnej, gdyż są produkowane w USA i dostępne do szybkiej wysyłki.

Niezawodność kondensatorów montowanych na płytkach

Okres użytkowania kondensatora elektrolitycznego zależy od szybkości degradacji elektrochemicznej jego struktury wewnętrznej w czasie. Ponieważ degradacja ta w typowych warunkach pracy jest przewidywalna, producent może łatwo obliczyć okres użytkowania kondensatora. Niezawodność kondensatora jest miarą tego, jak bardzo rzeczywisty okres użytkowania kondensatora odpowiada jego przewidywanemu okresowi użytkowania w obliczu różnic konstrukcyjnych lub narażenia na ekstremalne warunki.

Podczas gdy wynikający ze zużycia okres użytkowania dużych i małych kondensatorów jest mniej więcej taki sam, mniejsze kondensatory są bardziej niezawodne, ponieważ pomiędzy anodą i katodą jest mniejsza powierzchnia. Im większy kondensator, tym bardziej należy się skupić przy jego doborze na niezawodności, a także dostępności. W chwili pisania tego artykułu pojawiły się problemy z łańcuchem dostaw komponentów elektronicznych, w tym opóźnienia w wielu przesyłkach międzynarodowych. Z tego powodu dostępność i czas realizacji zamówień stały się krytycznymi kryteriami doboru komponentów elektronicznych.

Kondensatory nie podlegają optymalizacji pod kątem rozmiaru typowej dla wielu półprzewodników, ponieważ rozmiaru kondensatora nie da się zredukować poprzez zmniejszenie geometrii technologicznej. Ze względu na fizykę konstrukcji kondensatora, im wyższa wartość znamionowa kondensatora w Faradach (F), tym większa powierzchnia między anodą a katodą, stąd jego większe rozmiary fizyczne. Kondensatory do montażu pionowego, zwane również V-chipami, są popularnymi opcjami pozwalającymi na zaoszczędzenie przestrzeni na płytkach. Charakteryzują się kompromisem między wyższym profilem płytki i mniejszymi prześwitami, co może wpływać na dobór obudów pobliskich komponentów.

Położenie montażowe dużego aluminiowego kondensatora elektrolitycznego może również wpływać na niezawodność. Duże kondensatory mogą się nagrzewać i w pewnych warunkach wymagać przepływu powietrza, a nawet radiatora. Zastosowane napięcie prądu stałego, prąd tętnień i ekstremalne temperatury otoczenia skracają jego okres użytkowania ze względu na dryft parametryczny. Efektywna rezystancja szeregowa (ESR) zwykle jest pierwszym parametrem, który odbiega od specyfikacji zawartych w arkuszu danych. Wraz ze wzrostem rezystancji ESR kondensator staje się coraz gorętszy. Ostatecznie ulega awarii, gdy jest tak gorący, że jego wewnętrzna struktura ulega zniszczeniu i dochodzi do zwarcia anody i katody. W bardzo rzadkich przypadkach ciepło wysusza kondensator i staje się on obwodem otwartym.

Degradacja kondensatora w układzie może najpierw objawiać się przypadkowymi awariami, które szybko przeradzają się w awarię układu w przypadku zwarcia kondensatora. Problem ten jest jeszcze większy w przypadku zespołów kondensatorów połączonych szeregowo lub równolegle. Jeśli jeden kondensator ulegnie awarii, to samo spotka cały zespół. Zespoły kondensatorów zmniejszają niezawodność układu, ponieważ awaryjność zespołu to awaryjność jednego kondensatora pomnożona przez liczbę kondensatorów w zespole. Z tego powodu w konstrukcjach o wysokiej niezawodności odradza się stosowania zespołów kondensatorów na rzecz jednego dużego kondensatora.

Kondensatory o wysokiej niezawodności i dużej gęstości

Na potrzeby zastosowań o ograniczonej przestrzeni i wysokiej niezawodności firma Cornell Dubilier dostarcza aluminiowe kondensatory elektrolityczne THA i THAS Thinpack. Niskoprofilowa, cienka obudowa otaczająca te zaprojektowane z myślą o bardzo wysokiej gęstości energii kondensatory elektrolityczne jest spawana laserowo i zapobiega wyciekom. Spawanie laserowe eliminuje potrzebę stosowania dużych uszczelek, które są szeroko stosowane do uszczelniania końcówek większości kondensatorów elektrolitycznych. Zawór w obudowie umożliwia odprowadzanie gazów, a w efekcie zmniejszenie ciśnienia wewnętrznego, zmniejszając zjawisko pęcznienia. Linia THA ma grubość 8,2mm, a linia THAS ma 9mm. Konstrukcja kondensatorów THA i THAS zapewnia 5000 godzin pracy odpowiednio w temperaturze 85°C i 105°C. Kondensatory te mają gęstość energii 0,9J/cm³.

Do wielu zastosowań związanych z filtrowaniem i sterowaniem silnikami projektanci mogą wykorzystać kondensator THAS typu THAS131M450AD0C o pojemności 130µF (ilustracja 1). Kondensator ten ma 66,5mm długości i tylko 25,4mm szerokości. Jak wspomniano, kondensatory serii THAS mają tylko 9mm grubości, więc po montażu zapewniają bardzo niski profil płytki drukowanej. Seria o napięciu znamionowym 450V jest odpowiednia do kompaktowych zasilaczy i zastosowań związanych ze sterowaniem silnikami. Dzięki swej smukłości produkty z tej serii nadają się również do laptopów lub podobnej niskoprofilowej elektroniki, w której przestrzeń na komponenty jest poważnie ograniczona. Kondensator można również zamontować pionowo na płytce drukowanej, aby zaoszczędzić miejsce w porównaniu z podobnymi kondensatorami.

Ilustracja 1: kondensator THAS131M450AD0C 130µF ma napięcie znamionowe 450V i tylko 9mm grubości, dzięki czemu nadaje się do zastosowań sterowania silnikami i niskoprofilowych rozwiązań z płytkami drukowanymi. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier)

Kondensator THAS131M450AD0C o pojemności 130µF może zastępować zespoły mniejszych kondensatorów w celu poprawy niezawodności. Efektywna rezystancja szeregowa (ESR) THAS131M450AD0C w temperaturze 25°C wynosi 1,12Ω przy częstotliwości 120Hz, a spada do 0,54Ω przy częstotliwości 20kHz. Niska rezystancja ESR sprawia, że omawiany kondensator jest odpowiedni do zasilaczy przełączających, w których konieczne jest ograniczenie wytwarzanego ciepła. Co jest również ważne dla zasilaczy, znamionowy prąd tętnień w temp. 85°C wynosi 1,36A.

Kondensatory THAS131M450AD0C należą do grupy produktów THAS firmy Cornell Dubilier i są jest wyposażone w tuleję ze stali nierdzewnej, która zwiększa ich trwałość. Zaciski o przekroju 20AWG są odpowiednie do większości zastosowań wykorzystujących montaż przewlekany na płytce drukowanej.

W przypadku zastosowań wymagających krótkotrwałego utrzymywania napięcia, projektanci mogą użyć kondensatorów THAS322M050AD0C z serii THAS o pojemności 3200µF i napięciu 50V. Posiadają one również długość 66,5mm i grubość 9mm oraz tuleję ze stali nierdzewnej. Rezystancja ESR przy częstotliwości 120Hz wynosi 0,05Ω, a przy 20kHz nieznacznie spada do 0,04Ω. Wytrzymywane są prądy tętnień 3,48A przy częstotliwości 20kHz oraz 2,90A przy 20Hz. Tak niska efektywna rezystancja szeregowa (ESR) i wysoka obciążalność prądowa pozwala na stosowanie w charakterze superkondensatorów 50V do krótkotrwałego zasilania niewielkich obwodów, jeśli główne źródło zasilania jest niedostępne.

Podobnie jak wszystkie kondensatory THAS firmy Cornell Dubilier, również kondensatory THAS322M050AD0C posiadają otwór wentylacyjny u góry, widoczny wyraźnie na ilustracji 2. Odpowietrznik umożliwia odprowadzenie gazów z kondensatora podczas normalnej pracy, chociaż gazowanie może wzrosnąć w wysokich temperaturach. Usuwane gazy są mieszaniną wodoru i gazów odlotowych.

Ilustracja 2: otwór wentylacyjny widoczny na górze kondensatora THAS322M050AD0C umożliwia bezpieczne odprowadzanie gazów, które gromadzą się w jego wnętrzu podczas normalnej pracy. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier)

Usuwanie gazów wewnętrznych jest ważne, szczególnie w kondensatorach o wysokich parametrach. Wewnątrz stalowej obudowy może gromadzić się wodór i inne gazy, tworząc ciśnienie, które może prowadzić do awarii. Jeśli kondensator ma niewystarczającą wentylację, wewnętrzne gazy mogą doprowadzić do wycieków elektrolitu na płytkę drukowaną, powodując zwarcia innych komponentów elektronicznych, a w niektórych przypadkach kondensator może nawet eksplodować. Podczas planowania układu płytki drukowanej należy jednak upewnić się, że otwór wentylacyjny kondensatora nie jest zasłonięty.

Dążąc do wyższych pojemności ładowania, firma Cornell Dubilier opracowała serię kondensatorów THA. Kondensatory THA Thinpack posiadają tuleje aluminiowe, a dzięki grubości 8,2mm są nieco smuklejsze od serii THAS. Przykładem serii THA jest kondensator THA442M035AC0C o pojemności 4400µF i napięciu 50V. Ma 53,8mm długości i oferuje bardzo wysoką gęstość energii w porównaniu do podobnych kondensatorów. Rezystancja ESR wynosi 0,07Ω przy częstotliwości 120Hz oraz 0,06Ω przy 20kHz, co umożliwia wykorzystanie w charakterze źródła tymczasowego zasilania dla niewielkich układów elektronicznych podczas krótkich przerw w zasilaniu. Kondensator 4400µF może się również mocno nagrzewać, dlatego ważne jest zapewnienie odpowiedniego przepływu powietrza, aby utrzymać jego temperaturę w zalecanym zakresie roboczym od -55°C do 85°C. W przypadku kondensatorów o dużych wartościach jeszcze ważniejsze jest upewnienie się, że otwór wentylacyjny nie jest zasłonięty. Zaleca się również, aby otwór wentylacyjny nie znajdował się od strony elementów łatwopalnych, ponieważ wodór w postaci gazowej jest wybuchowy.

Podsumowanie

Kondensatory są kluczowymi komponentami w układach elektronicznych. Projektanci mogą zmniejszyć rozmiary i poprawić okres użytkowania takich układów, łącząc wysoką niezawodność z wysoką gęstością energii i niskim profilem. Pojedynczy, wyprodukowany w USA kondensator elektrolityczny o wysokiej gęstości energii pomoże uniknąć długich czasów realizacji zamówień, a także pozwala zastąpić zespoły kondensatorów, a w rezultacie zaoszczędzić miejsce na płytce.

Zasoby

1. Moduł szkoleniowy dotyczący aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych THA i THAS Thinpack