Reducer størrelsen af printkortet og tiden til markedet ved hjælp af amerikansk producerede, ultra-tynde kondensatorer med høj kapacitet og ultra-tynde kondensatorer

Hardwaredesigningeniører er altid på udkig efter muligheder for at reducere komponenternes omkostninger, størrelse og vægt og samtidig opfylde eller overgå komponent- og systemmålene for effektivitet og pålidelighed. En af de mest almindelige og kritiske komponenter til optimering er kondensatorer monteret på printkortet på grund af deres store volumen og brede anvendelse. Pålidelighed skal også tages i betragtning ved valg af en kondensator på grund af dens modtagelighed for lækage og kapacitetsnedbrydning over tid, når den udsættes for ekstreme temperaturer. Denne nedbrydning kan resultere i intermitterende kredsløbsfejl, hvilket går ud over systemets effektivitet og pålidelighed.

Mens kondensatorleverandørerne fortsætter med at forbedre designene for at øge energitætheden, pålideligheden og vægten, er den optimale del til en applikation måske ikke tilgængelig på grund af lange leveringstider på grund af problemer med forsyningskæden.

Denne artikel omhandler filter- og bulklagringskondensatorers rolle. Den viser, hvordan en enkelt kondensator kan erstatte andre typer kondensatorer, f.eks. en række overflademonterede kondensatorer, hvilket resulterer i færre printkomponenter og kredsløbsforbindelser, hvilket forbedrer kredsløbets samlede pålidelighed. Undervejs introduceres aluminiums elektrolytkondensatorer med høj pålidelighed fra Cornell Dubilier Electronics, der har den dobbelte fordel af en tynd profil og meget høj energitæthed. Da kondensatorerne er fremstillet i USA og kan sendes hurtigt til nordamerikanske produktionsanlæg, kan de også give mulighed for kortere leveringstider.

Pålidelighed af kondensatorer monteret på kortet

En elektrolytisk kondensators levetid bestemmes af den elektrokemiske nedbrydningshastighed af dens indre struktur over tid. Da denne nedbrydning er forudsigelig under typiske driftsforhold, kan fabrikanten nemt beregne kondensatorens funktionelle levetid. En kondensators pålidelighed er et mål for, hvor tæt en kondensators faktiske levetid svarer til den forventede levetid i forhold til variationer i konstruktionen eller udsættelse for ekstreme forhold.

Mens levetiden for store og små kondensatorer er omtrent den samme, er mindre kondensatorer mere pålidelige, da der er mindre overfladeareal mellem anode- og katodefladerne. Jo større kondensatoren er, jo mere er pålideligheden en faktor i valget af den, og jo mere er den tilgængelig. Mens denne artikel skrives, er der problemer med forsyningskæden for elektroniske komponenter, herunder forsinkelser i mange internationale forsendelser. Derfor er tilgængelighed og leveringstid blevet kritiske kriterier for valg af elektroniske komponenter.

Kondensatorer er ikke underlagt de størrelsesoptimeringer, der er almindelige for mange halvledere, idet størrelsen af en kondensator ikke kan reduceres ved at skrumpe til en mindre procesgeometri. På grund af fysikken i kondensatorkonstruktionen gælder det, at jo større kondensatoren er i Farads (F), jo større er overfladen mellem anoden og katoden, og dermed er den større fysisk størrelse. Lodret monterede kondensatorer, også kaldet V-chips, er populære emballagemuligheder for at spare plads på printpladen, men det giver en højere printprofil og mindre afstand, hvilket kan påvirke pakningsvalget for nærliggende komponenter.

Monteringspositionen af en stor aluminiumelektrolytkondensator kan også påvirke pålideligheden. Store kondensatorer kan blive varme og kræver luftgennemstrømning eller endog køling under visse forhold. Den anvendte jævnspænding, ripple-strøm og ekstreme omgivelsestemperaturer forkorter alle dens levetid på grund af parametrisk drift. Normalt er den effektive seriemodstand (ESR) for en kondensator den første parameter, der afviger fra specifikationerne i databladet. Efterhånden som ESR stiger, bliver kondensatoren gradvist varmere. Den går i sidste ende i stykker, når den bliver så varm, at dens indre struktur går i stykker og effektivt kortslutter anoden og katoden. I meget sjældne tilfælde udtørrer varmen kondensatoren, og den bliver en åben kreds.

Nedbrydning af kondensatorer i et system kan først vise sig som tilfældige fejl, som hurtigt bliver til systemfejl, når kondensatoren kortslutter. Dette problem forstærkes for kondensatorbanker, der er forbundet i serie eller parallelt; hvis en kondensator svigter, svigter hele banken. Kondensatorbanker reducerer systemets pålidelighed, fordi fejlfrekvensen for banken er fejlfrekvensen for én kondensator ganget med antallet af kondensatorer i banken. Af denne grund frarådes kondensatorbanker i konstruktioner med høj pålidelighed til fordel for én stor kondensator.

Kondensatorer med høj pålidelighed og høj densitet

Til applikationer med begrænset plads og høj pålidelighed leverer Cornell Dubilier THA- og THAS Thinpack-kondensatorer med aluminiumelektrolytisk kondensator. Kondensatorerne er designet til meget høj energitæthed med en tynd, lav profilpakning og har et lasersvejset kabinet, der omslutter elektrolytkondensatoren for at forhindre lækager. Denne lasersvejsning eliminerer behovet for store slutpakninger, som i vid udstrækning anvendes til at forsegle enderne på de fleste elektrolytiske kondensatorer. En ventil i kassen giver mulighed for udluftning af gas, hvilket mindsker det indre tryk og dermed hævelsen. THA-linjen er 8,2 millimeter (mm) tyk og THAS-linjen er 9 millimeter (mm) tyk. THA- og THAS-kondensatorernes konstruktion sikrer 5.000 timers drift ved henholdsvis 85 °C og 105 °C. De har en energitæthed på 0,9 joule pr. kubikcentimeter (J/cm³).

Til mange filtrerings- og motorstyringsapplikationer kan designere bruge THAS131M450AD0C THAS-serie 130 mikrofarad (µF)-kondensatoren (Figur 1). Kondensatoren er 66,5 mm lang og kun 25,4 mm bred. Som nævnt er kondensatorer i THAS-serien kun 9 mm tykke, så når de sidder i deres plads, giver de en meget lav printpladeprofil. Serien er beregnet til 450 volt og er velegnet til motorstyringsapplikationer og kompakte strømforsyninger. Fordi serien er så slank, er den også velegnet til bærbare computere eller lignende lavprofilet elektronik, hvor der er meget begrænset plads til komponenter. Kondensatoren kan også monteres lodret på et printkort for at spare plads sammenlignet med lignende kondensatorer.

Figur 1: THAS131M450AD0C 130 µF kondensatoren er normeret til 450 volt og er kun 9 mm tyk, hvilket gør den velegnet til motorstyring og printkort med lav profil. (Billedkilde: Cornell Dubilier)

Med en kapacitet på 130 µF kan THAS131M450AD0C bruges til at erstatte mindre kondensatorer for at forbedre pålideligheden. ESR for THAS131M450AD0C ved 25 °C er 1,12 ohm (Ω) ved 120 hertz (Hz), som falder til 0,54 Ω ved 20 kilohertz (kHz). Dens lave ESR gør den velegnet til switching strømforsyninger, hvor varmeudviklingen skal minimeres. Den ripple-strøm ved 85 °C er normeret til 1,36 ampere (A), hvilket også er vigtigt for strømforsyninger.

Som en del af Cornell Dubilier THAS-produktfamilien har THAS131M450AD0C-kondensatoren et hylster af rustfrit stål for at forbedre holdbarheden. Dens terminaler er 20 AWG, hvilket er velegnet til de fleste applikationer til montering af printplader gennem hul.

Til applikationer, hvor spændingen skal lagres i en kort periode, kan designere henvende sig til THAS322M050AD0C THAS-seriens 3200 µF, 50-volt kondensator. Den er også 66,5 mm lang og 9 mm tyk og har en rustfri stålbøsning. ESR ved 120 Hz er 0,05 Ω, som falder en smule til 0,04 Ω ved 20 kHz. Den kan håndtere en ripple-strøm på 3,48 A ved 20 kHz og 2,90 A ved 20 Hz. Med denne lave ESR og høje strømkapacitet er den velegnet til brug som en 50-volt superkondensator til midlertidig strømforsyning af et lille kredsløb, hvis hovedstrømforsyningen ikke er tilgængelig.

Som alle Cornell Dubilier THAS-kondensatorer har THAS322M050AD0C en udluftning i toppen, hvilket tydeligt fremgår af figur 2. Udluftningen tillader gas at slippe ud fra kondensatoren som en del af normal drift, selv om gasningen kan øges ved høje temperaturer. Den udluftede gas er en blanding af brint og affaldsgasser.

Figur 2: Udluftningen, der ses på toppen af THAS322M050AD0C-kondensatoren, gør det muligt for interne gasser, der ophobes under normal drift, at slippe sikkert ud. (Billedkilde: Cornell Dubilier)

Udluftning af interne gasser er vigtig, især i kondensatorer af høj værdi. Brint og andre gasser kan ophobes inde i stålkappen og opbygge et tryk, der kan føre til svigt. Hvis en kondensator har utilstrækkelig udluftning, kan de interne gasser ophobes til et punkt, hvor elektrolytten kan løbe ud på printkortet og kortslutte anden elektronik, eller i nogle tilfælde kan kondensatoren endda eksplodere. Bemærk dog, at det er vigtigt, når du lægger printkortet ud, at du sikrer dig, at kondensatorudluftningen ikke er blokeret.

Cornell Dubilier har udviklet THA-serien for at opnå større opladningskapacitet. THA Thinpack-kondensatorer har aluminiumsbøsninger og er med en tykkelse på 8,2 mm en smule slankere end THAS-serien. Et eksempel på en THA-serie er 4400 µF 50 volt THA442M035AC0C. Den er 53,8 mm lang og har en meget høj energitæthed sammenlignet med lignende kondensatorer. Den har en ESR på 0,07 Ω ved 120 Hz og 0,06 Ω ved 20 kHz, hvilket gør den velegnet til brug som midlertidig strømkilde til små elektroniske apparater under korte afbrydelser af strømforsyningen. En 4400 µF-kondensator kan også blive meget varm, så det er vigtigt at sørge for tilstrækkelig luftstrøm for at holde den inden for det anbefalede driftsområde, som er -55 °C til +85 °C. For kondensatorer med store værdier er det endnu vigtigere at sikre, at udluftningen ikke er blokeret. Det anbefales også, at udluftningen ikke peger mod noget brændbart, da brintgas er eksplosivt.

Konklusion

Kondensatorer er kritiske komponenter i elektroniske systemer. Ved at kombinere høj pålidelighed med høj energitæthed og en lav profil kan designere reducere størrelsen og forbedre levetiden for elektroniske systemer. En enkelt, energitæt elektrolytkondensator fremstillet i USA kan undgå lange leveringstider og erstatte kondensatorbænke for at spare plads på printpladen.

Ressourcer

1. THA- og THAS-uddannelsesmodul for Thinpack aluminiums elektrolytkondensatorer