Rutronik GmbH
Avtor: Christian Kasper
2019_275_13

Zagotovite si strokovno znanje na samem viru. Hibridni polimerni kondenzatorji so si podobni kot jajce jajcu – vsaj ob pogledu v podatkovni list. Zaradi tega se pri iskanju optimalnega dela splača izkoristiti strokovno znanje proizvajalca in distributerja. Razlike namreč so.

Hibridne polimerne kondenzatorje odlikujejo stabilnost v ekstremnih pogojih, dolga življenjska doba, nizka enakovredna zaporedna upornost (ESR), možnost specificiranja do 165 °C in certificiranje po AEC-Q200. Zaradi teh lastnosti se uporabljajo v zelo različnih sistemih, med drugim v avtomobilih, na primer v elektronskih krmilnikih (ECU) za črpalke za olje ali vodo, ventilatorje in električne sisteme za servokrmiljenje (EPS). Pri izbiri primernega kondenzatorja pa velja biti previden: Podatkovni listi proizvajalcev so si skoraj enaki, v njih je težko opaziti drobne razlike. To pa ne pomeni, da te razlike ne obstajajo – pokažejo se šele med preizkušanjem.

Proizvodni postopki za hibridne polimerne kondenzatorje so večinoma patentirani. Poleg razlik v proizvodnji proizvajalci uporabljajo različne surovine, na primer različne sestave polimera tako po količini kot sestavinah. Zato se lahko obnašanje (ESR) kondenzatorjev v območju 10 kHz ali 20 kHz za uporabo v avtomobilih razlikuje, čeprav so podatki v podatkovnem listu enaki. Razlike med komponentami različnih proizvajalcev se pojavljajo tudi pri nizkih temperaturah. Zaradi tega se splača izkoristiti strokovno znanje proizvajalca ali »nevtralnega« distributerja.

Arrheniusova formula
Pomembna je na primer pričakovana življenjska doba hibridnega kondenzatorja. Razvijalci jo pogosto ugotavljajo z znano Arrheniusovo formulo. Za to potrebujejo življenjsko dobo Lb, ki jo navede proizvajalec, najvišjo temperaturo Tmax, zvišanje temperature ΔT0 (6K, največja dovoljena vrednost, odvisna je od serije in proizvajalca) zaradi toka valovitosti in temperaturo površine kondenzatorja Tc pri uporabi.Iz tega lahko pričakovano življenjsko dobo izračunamo takole kot kaže formula 1.

Vendar pa ta formula ni ustrezna za tehnologijo hibridnih polimernih kondenzatorjev. Opisuje namreč približno kvantitativno odvisnost od temperature in le približno upošteva vpliv toka valovitosti, saj izhajamo samo iz največjih vrednosti. Na življenjsko dobo kondenzatorja pa ima pomemben vpliv ravno lastno segrevanje zaradi toka valovitosti. Poleg tega so pri realni uporabi tokovi valovitosti redko stalni skozi celotno življenjsko dobo in vse temperature. Zaradi tega sta tukaj za učinkovito načrtovanje ključna natančno delo in izkoriščanje strokovnega znanja proizvajalca oz. strokovnjaka.

Natančnih podatkov in vrednosti za točno določene primere namreč ne morete dobiti v spletu ali podatkovnem listu, ampak le pri proizvajalcu. Ta na podlagi svojega strokovnega znanja, razpoložljivih formul in lastnih izmerjenih podatkov pripravi izračun življenjske dobe. Poleg tega analizira največjo možno obremenljivost kondenzatorja in svoje izračune kot utemeljitev posreduje stranki. Stranka tako dobi točne podatke o tem, kateri model je najprimernejši za določeni način uporabe, kakšno število kosov je optimalno (na primer pri vzporedni vezavi) in kako dolgo bo kondenzator deloval pri navedenih pogojih. To je na koncu tudi garancija proizvajalca.

Tabele življenjskih dob in profil rabe

Tabele življenjske dobe (Lifetime Table) pripravi proizvajalec in navajajo različne vrednosti, pridobljene s preizkušanjem. Z njimi lahko ugotovimo, kako je mogoče življenjsko dobo vsakokratnega vezja optimalno podaljšati pri danih parametrih, kot sta temperatura ohišja in tok valovitosti pri 100 kHz. Če na podlagi fiktivne tabele življenjske dobe (slika 1) privzamemo na primer temperaturo 125 °C pri 2 A, dobimo življenjsko dobo 5000 ur. Pri 145 °C in 6 A bi isti kondenzator dosegel le še 850 ur življenjske dobe. Nazivno območje (Rated Area) tukaj opisuje območje, ki je bilo potrjeno z meritvami, razširjeno območje (Extended Area) pa ekstrapolacije na podlagi rezultatov meritev.

Proizvajalčeve tabele življenjske dobe kažejo, da so praktično dosegljive bistveno višje vrednosti od navedenih v podatkovnih listih, kar daje zaupanje v tehnologijo hibridnih polimernih kondenzatorjev.

Profil rabe (Mission Profile) (slika 2) opisuje, katerim obremenitvam je kondenzator izpostavljen med realno uporabo. Sem spadajo na primer spreminjajoči se pogoji okolja in temperature pri uporabi ter izmerjeni tok valovitosti pri določeni frekvenci.Meritev profila rabe sicer zahteva dragoceni čas med razvojem, vendar se izplača, če lahko zato vezje zasnujemo učinkoviteje in proizvajalec potrdi, da lahko namesto štirih uporabimo le tri kondenzatorje. Na njegovi podlagi lahko stranke pridobijo natančne podatke o zanesljivosti kondenzatorja pri določenem načinu uporabe.

Preobremenitveno preizkušanje komponent
Proizvajalci izvajajo tudi preobremenitvene preizkuse, s katerimi lahko izboljšajo svoje izračune. Ta tehnologija ni stara niti deset let, zato ti preizkusi pomenijo pomemben vir informacij o kakovosti in smeri nadaljnjega razvoja kondenzatorja za proizvajalca.

Med preizkusom je bil na primer 25-voltni kondenzator velikosti 10 x 10 mm, specificiran za tok valovitosti 2 A pri 100 kHz, vrednost ESR 20 mΩ in življenjsko dobo 4000 h pri 125 °C, izpostavljen bistveno višjim tokovom valovitosti. Preizkus je bil opravljen na dveh mestih pri stalni temperaturi okolja 125 °C in po 200 komponentami. Pri preizkusu s tokom 6 A, torej trikratni preobremenitvi, so kondenzatorji preživeli več kot 19.000 ur in še niso odpovedali. Lezenje kapacitivnosti se je ustavilo pri približno –18 %, čeprav znaša v podatkovnem listu navedena vrednost za konec življenjske dobe –30 %. Vrednost ESR se ni veliko spreminjala (na začetku 18 mΩ, vrednost v podatkovnem listu je znašala 20 mΩ, na koncu se je iznihala na približno 22 mΩ). Do podobnih ugotovitev so prišli strokovnjaki podjetja Rutronik. Vrednost ESR se ni spremenila niti pri zamrznitvi kondenzatorjev na –55 °C. V ta namen so inženirji podjetja Rutronik razvili prenosno demonstracijsko orodje, ki zamrzne elektrolitski kondenzator SMD z nizko vrednostjo ESR in hibridni polimerni kondenzator ter pri tem stalno meri njuno vrednost ESR. Tako lahko v živo vidimo, kako ostane vrednost ESR hibridnega polimernega kondenzatorja absolutno stabilna, pri tem ko se pri elektrolitskem poveča za več kot petkrat.

Pri najvišji preobremenitvi, ki je znašala kar 14 A na kondenzator in pomeni temperaturo jedra kondenzatorja približno 150 °C, je med preizkušanjem prišlo do izpada v le eni od štirih šarž šele po 4300 urah. Pri tem pa do izpada ni prišlo zaradi same tehnologije: Vročina je povzročila poroznost gumijastega zamaška. Proizvajalci že iščejo načine za odpravo tudi te slabosti z novimi mehanikami zapiranja in novimi zasnovami.

Taki preizkusi kažejo, da še zdaleč niso izkoriščene vse možnosti hibridne tehnologije. Vsi proizvajalci zato še naprej delajo na optimizaciji in povečevanju zmogljivosti svojih hibridnih polimernih kondenzatorjev. Cilji so višje kapacitivnosti, napetosti in temperature pri daljši življenjski dobi ter druge velikosti podnožij SMD zaradi miniaturizacije pri višjih obremenitvah.

Zamenjava kondenzatorja v vezju
Že zdaj se velikokrat splača druge vrste kondenzatorjev zamenjati s hibridnim polimernim kondenzatorjem. Če lahko v določenem vezju na primer dva ali celo tri aluminijaste elektrolitske kondenzatorje zamenjamo z enim hibridnim, to pomeni velike prihranke velikosti, višine in prostora na tiskanem vezju. Hibridni kondenzator poleg tega zaradi svojih posebnih lastnosti zagotavlja večjo stabilnost pri naraščanju vrednosti ESR, lezenju skozi življenjsko dobo, odvisnosti od frekvence in temperature ter spreminjanju kapacitivnosti.

V konkretnem primeru je bilo mogoče tako zamenjati aksialne kondenzatorje (slika 3). Izbirali smo med klasičnim aksialnim aluminijastim elektrolitskim kondenzatorjem in hibridnim kondenzatorjem, oba z žičnimi priključki. Tok valovitosti je bil pri obeh podoben, manjša je bila le skupna kapacitivnost hibridnega kondenzatorja. Ta dejavnik se pojavlja pri večini rešitev s hibridnimi polimernimi kondenzatorji, vendar pa praviloma ne vpliva na njihovo delovanje v vezju. Uporabo teh kondenzatorjev namreč omejujeta vrednost ESR in tok valovitosti, kjer imajo prednosti tudi veliki aksialni kondenzatorji ter kondenzatorji SolderStar, le da prinašajo tudi tipične slabosti aluminijastih elektrolitskih kondenzatorjev. Poleg tega je hibridni kondenzator potreboval bistveno manjšo višino vgradnje in zagotovil bistveno nižjo vrednost ESR ter stabilnost skozi celotno življenjsko dobo. Poleg prihrankov prostora in mase vezja je hibridni kondenzator omogočil tudi nižje stroške.

Če želite tudi vi izrabiti te prednosti, izkoristite znanje proizvajalca, zlasti pa strokovnjakov podjetja Rutronik, ki vam lahko pomagajo ovrednotiti tehnologije različnih proizvajalcev. Ekipa FAE razvijalcem pomaga pri izbiri na kraju samem, saj ponuja od proizvajalca neodvisno svetovanje o izdelkih in tehnologijah. Za optimalno zasnovo vezij je podjetje Rutronik najboljši zastopnik pri doseganju neposrednega stika z različnimi strokovnjaki proizvajalcev.

Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
www.rutronik.com