Zmenšení velikosti desky a zkrácení doby do uvedení na trh pomocí vysokokapacitních ultratenkých kondenzátorů vyrobených v Americe

Konstruktéři hardwaru neustále hledají příležitosti ke snížení nákladů na součástky, zmenšení jejich velikosti i hmotnosti a zároveň splňují nebo překračují cíle součástek a systémů z hlediska jejich účinnosti a spolehlivosti. Jednou z nejběžnějších a nejdůležitějších součástí k optimalizaci jsou kvůli jejich hromadnému a širokému použití kondenzátory montované na desku plošných spojů. Při výběru kondenzátoru je třeba vzít v úvahu také spolehlivost, protože kondenzátor je při vystavení extrémním teplotám náchylný k úniku a degradaci kapacity v průběhu času. Tato degradace může vést k občasným poruchám obvodu, což snižuje účinnost a spolehlivost systému.

Zatímco dodavatelé kondenzátorů pokračují ve zdokonalování návrhů ke zvýšení energetické hustoty, spolehlivosti a hmotnosti, optimální díl pro aplikaci nemusí být k dispozici kvůli dlouhým dodacím lhůtám způsobeným problémy s dodavatelským řetězcem.

V tomto článku se pojednává o úloze filtru a velkokapacitních akumulačních kondenzátorů. V článku je ukázáno, jak může jeden kondenzátor nahradit jiné typy kondenzátorů, jako je řada kondenzátorů pro povrchovou montáž, což má za následek méně součástek desky a propojení obvodů, což zlepšuje celkovou spolehlivost obvodu. Zároveň s tím jsou zde představeny vysoce spolehlivé hliníkové elektrolytické kondenzátory od společnosti Cornell Dubilier Electronics, které mají dvě výhody – tenkého profilu a velmi vysoké hustoty energie. Vzhledem k tomu, že kondenzátory jsou vyráběny v USA a jsou k dispozici pro rychlou expedici do severoamerických výrobních závodů, mohou kondenzátory také poskytnout cestu ke kratším dodacím lhůtám.

Spolehlivost kondenzátorů pro montáž na desku

Životnost elektrolytického kondenzátoru je dána rychlostí elektrochemické degradace jeho vnitřní struktury v průběhu času. Vzhledem k tomu, že je tato degradace za typických provozních podmínek předvídatelná, může výrobce snadno vypočítat funkční životnost kondenzátoru. Spolehlivost kondenzátoru je měřítkem toho, jak blízko se skutečná životnost kondenzátoru shoduje s očekávanou životností tváří v tvář změnám konstrukce nebo vystavení extrémním podmínkám.

Zatímco životnost velkých a malých kondenzátorů je přibližně stejná, menší kondenzátory jsou spolehlivější, protože mezi povrchy anody a katody je méně povrchového prostoru. Čím větší je kondenzátor, tím větším faktorem při jeho výběru je spolehlivost a také dostupnost. V době psaní tohoto článku panují problémy s dodavatelským řetězcem elektronických součástek, včetně zpoždění u mnoha mezinárodních zásilek. Z tohoto důvodu se dostupnost a dodací lhůta staly pro výběr elektronických součástek kritickými kritérii.

Kondenzátory nepodléhají optimalizaci velikosti běžné u mnoha polovodičů, protože velikost kondenzátoru nelze zmenšit smrštěním na menší procesní geometrii. Vzhledem k fyzice konstrukce kondenzátoru platí, že čím vyšší jsou jmenovité údaje kondenzátoru ve Faradech (F), tím větší je plocha povrchu mezi anodou a katodou, a proto i jeho větší fyzická velikost. Kondenzátory s vertikální montáží, nazývané také V-čipy, jsou oblíbenou možností pouzdra pro úsporu místa na desce, přičemž kompromisem je vyšší profil desky a menší volný prostor, což může ovlivnit výběr pouzdra blízkých součástek.

Spolehlivost může ovlivnit také montážní poloha velkého hliníkového elektrolytického kondenzátoru. Velké kondenzátory se mohou zahřívat a za určitých podmínek vyžadovat proudění vzduchu nebo dokonce chladič. Použité stejnosměrné napětí, zvlněný proud a extrémní teploty okolí zkracují jeho provozní životnost kvůli parametrickému posunu. Obvykle je efektivní sériový odpor (ESR) kondenzátoru prvním parametrem, který se odchyluje od specifikací v katalogovém listu. Se stoupajícím ESR se bude kondenzátor postupně zahřívat. Když je horký tak, že se jeho vnitřní struktura porouchá a účinně zkratuje anodu a katodu, nakonec selže. Ve velmi vzácných případech teplo kondenzátor vysuší a ten se stane otevřeným obvodem.

Degradace kondenzátoru v systému se může nejprve projevit jako náhodné poruchy, které se při zkratování kondenzátoru rychle změní v selhání systému. Tento problém je zesílen u bank kondenzátorů zapojených sériově nebo paralelně – pokud selže jeden kondenzátor, selže celá banka. Kondenzátorové banky snižují spolehlivost systému, protože chybová četnost banky je chybová četnost jednoho kondenzátoru vynásobená počtem kondenzátorů v bance. Z tohoto důvodu se použití kondenzátorových bank ve vysoce spolehlivých návrzích nedoporučuje a upřednostňuje se jeden velký kondenzátor.

Vysoce spolehlivé kondenzátory s vysokou hustotou

Pro prostorově omezené a vysoce spolehlivé aplikace dodává společnost Cornell Dubilier hliníkové elektrolytické kondenzátory THA a THAS Thinpack. Kondenzátory jsou navrženy pro velmi vysokou hustotu energie s tenkým, nízkoprofilovým pouzdrem a mají laserem svařované pouzdro, které elektrolytický kondenzátor uzavírá, aby se zabránilo únikům. Tento laserový svar eliminuje potřebu velkých koncových těsnění, která se široce používají k utěsnění konců většiny elektrolytických kondenzátorů. Ventil v pouzdře umožňuje odvzdušnění plynu a uvolňuje vnitřní tlak, což snižuje bobtnání. Řada THA má tloušťku 8,2 mm a řada THAS má tloušťku 9 mm. Konstrukce kondenzátorů THA a THAS zajišťuje 5 000 hodin provozu při 85 °C a 105 °C. Kondenzátory mají hustotu energie 0,9 J/cm³.

Pro mnoho aplikací pro filtrování a řízení motoru mohou konstruktéři použít kondenzátor řady THAS THAS131M450AD0C 130 µF (obrázek 1). Kondenzátor je dlouhý 66,5 mm a široký pouze 25,4 mm. Jak již bylo zmíněno, kondenzátory řady THAS mají tloušťku pouhých 9 mm, takže při usazení umožňují velmi nízký profil desky plošných spojů. Tato řada se jmenovitým napětím 450 V je vhodná pro aplikace řízení motorů a kompaktní napájecí zdroje. Protože je řada tak štíhlá, je vhodná i pro notebooky nebo podobnou nízkoprofilovou elektroniku, kde je prostor pro součástky značně omezený. Kondenzátor lze namontovat na desku plošných spojů také vertikálně , což ve srovnání s podobnými kondenzátory šetří místo.

Obrázek 1: Kondenzátor THAS131M450AD0C 130 µF je dimenzován na 450 V a má tloušťku pouze 9 mm, takže je vhodný pro řízení motorů a nízkoprofilové aplikace desky plošných spojů. (Zdroj obrázku: společnost Cornell Dubilier)

Při 130 µF lze model THAS131M450AD0C použít k výměně bank menších kondenzátorů za účelem zlepšení spolehlivosti. Hodnota ESR modelu THAS131M450AD0C je 1,12 Ω při 25 °C a 120 Hz, což klesá na 0,54 Ω při 20 kHz. Díky nízkému ESR je kondenzátor vhodný pro spínané napájecí zdroje, kde je třeba minimalizovat tvorbu tepla. Zvlněný proud při 85 °C je dimenzován na 1,36 A, což je pro napájecí zdroje také důležité.

Jako součást produktové řady THAS společnosti Cornell Dubilier má kondenzátor THAS131M450AD0C kvůli lepší odolnosti pouzdro z nerezové oceli. Jeho svorky jsou 20 AWG, vhodné pro většinu aplikací montáže na desku plošných spojů s průchozími otvory.

Pro aplikace, kde musí být napětí na krátkou dobu uloženo, se konstruktéři mohou obrátit na kondenzátor řady THAS THAS322M050AD0C 3 200 µF, 50 V. Je také dlouhý 66,5 mm s tloušťkou 9 mm a má pouzdro z nerezové oceli. Hodnota ESR při 120 Hz je 0,05 Ω, což mírně klesá na 0,04 Ω při 20 kHz. Kondenzátor zvládne zvlněný proud 3,48 A při 20 kHz a 2,90 A při 20 Hz. S tímto nízkým ESR a vysokým proudem je vhodný pro použití jako 50voltový superkondenzátor pro dočasné napájení malého obvodu v případě nedostupnosti hlavního zdroje napájení.

Stejně jako všechny kondenzátory společnosti řady THAS společnosti Cornell Dubilier má model THAS322M050AD0C nahoře ventilační otvor, který je na obrázku 2 jasně vidět. Větrací otvor umožňuje únik plynu z kondenzátoru jako součást normálního provozu, i když při vysokých teplotách může dojít ke zvýšené tvorbě plynu. Odvětrávaný plyn je směsí vodíku a odpadních plynů.

Obrázek 2: Větrací otvor na horní straně kondenzátoru THAS322M050AD0C umožňuje bezpečný únik vnitřním plynům, které se nahromadí za normálního provozu. (Zdroj obrázku: společnost Cornell Dubilier)

Odvětrání vnitřních plynů je důležité, zvláště u kondenzátorů s vysokou hodnotou. Uvnitř ocelového pláště se může hromadit vodík a další plyny, čímž se tvoří tlak, který může vést k poruše. Pokud kondenzátor nemá dostatečné odvětrávání, vnitřní plyny se mohou nahromadit až do bodu, kdy elektrolyt může uniknout na desku plošných spojů a zkratovat další elektroniku, nebo v některých případech může kondenzátor dokonce explodovat. Při rozmísťování na desce plošných spojů je důležité zajistit, aby neměl ventilační otvor kondenzátoru žádné překážky.

Pro větší kapacitu nabíjení vyvinula společnost Cornell Dubilier řadu THA. Kondenzátory THA Thinpack mají hliníková pouzdra a při tloušťce 8,2 mm jsou o něco tenčí než řada THAS. Příkladem řady THA je model THA442M035AC0C 4 400 µF, 50 V. Je dlouhý 53,8 mm a nabízí ve srovnání s podobnými kondenzátory velmi vysokou hustotu energie. Má ESR 0,07 Ω při 120 Hz a 0,06 Ω při 20 kHz, takže je vhodný pro použití jako zdroj dočasného napájení pro drobnou elektroniku při krátkých výpadcích napájení. Kondenzátor 4 400 µF se může také velmi zahřát, takže je důležité zajistit dostatečné proudění vzduchu, aby se udržel v doporučeném provozním rozsahu, který je −55 °C až +85 °C. U kondenzátorů s velkou hodnotou je ještě důležitější zajistit, aby ventilační otvor neměl žádné překážky. Rovněž se doporučuje, aby ventilační otvor nesměřoval k ničemu hořlavému, protože plynný vodík je výbušný.

Závěr

Kondenzátory jsou kritickými součástmi elektronických systémů. Kombinací vysoké spolehlivosti s vysokou hustotou energie a nízkým profilem mohou konstruktéři zmenšit velikost a zlepšit provozní životnost elektronických systémů. Jediný elektrolytický kondenzátor s vysokou energetickou hustotou vyrobený v USA pomůže vyhnout se dlouhým dodacím lhůtám a také nahradit kondenzátorové banky, aby se ušetřil prostor na desce.

Zdroje

1. Školicí modul – hliníkové elektrolytické kondenzátory řady THA a THAS Thinpack