Passive Bauelemente Low-ESR-SMD-Tantalkondensatoren für Luft und Raumfahrt

Autor / Redakteur: Thomas Zednicek, Martin Barta, Jan Petrzilek, Martin Biler * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die Anforderungen an Komponenten für die Luft- und Raumfahrt sind extrem. Wir sagen Ihnen, wie SMD-Tantalkondensatoren die Spezifikationen der European Space Components Coordination erfüllen.

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Fit for Space: Die Tantal-Kondensatoren von AVX mit Zulassung gemäß ESCC nach European Space Components Coordination)
Fit for Space: Die Tantal-Kondensatoren von AVX mit Zulassung gemäß ESCC nach European Space Components Coordination)
(Bild: NASA/AVX)

Der vorliegende Artikel beschreibt Verbesserungen der Stabilitätsparameter von SMD-Tantalkondensatoren mit Kathoden aus Mangandioxid oder leitfähigen Polymeren. Mit niedrigerem ESR und höherer Kapazität entsprechen diese SMD-Tantalkondensatoren den anspruchsvollen Kriterien von Luft- und Raumfahrtindustrie. Man kann mit ihnen wesentlich kompaktere Stromversorgungen bauen.

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Die neue Baureihe von SMD-Tantalkondensatoren mit niedrigerem ESR und größerer Kapazität ist jüngst in die EPPL2 aufgenommen worden, der eine neue ESCC-Spezifikation (European Space Components Coordination) zugrundeliegt (ESCC 3012/004). Die hermetische Kapselung in ein SMD-Gehäuse, das mit einer inerten Substanz gefüllt ist, verbessert die Stabilität. Langzeituntersuchungen an solchen hermetisch dichten Kondensatoren haben gezeigt, dass beide untersuchten Typen (solche mit Mangandioxid-Kathoden und solche mit Polymerkathoden) tatsächlich eine bessere Stabilität aufwiesen.

Die Betriebstemperaturbereich von hermetisch dichten Kondensatoren mit Mangandioxid-Kathode reicht bis 230 °C, mit Polymerkathode bis 175 °C. Der hermetisch dichte SMD-Tantalkondensator mit Polymerkathode wurde im Rahmen eines Projektes mit der ESA entwickelt, er soll zukünftig der hochzuverlässige Kondensator für Raumfahrtanwendungen werden.

Weniger Störungen im Betrieb

Ein allgemeiner Trend bei Schaltnetzteilen, Mikroprozessoren und allgemein digitalen Schaltungen ist die Verringerung von Störungen im Betrieb bei hohen Frequenzen. Wesentlich dafür sind Qualität und Serienwiderstand der Ausgangskondensatoren. Häufig werden Ausgangskondensatoren parallelgeschaltet, das vergrößert die Kapazität und verringert den Serienwiderstand.

Die neue Generation von Kondensatoren mit niedrigerem Serienwiderstand bringt in Raumfahrtanwendungen einen entscheidenden Vorteil: Man kann die gleiche Ausgangswelligkeit mit weniger Bauteilen erzielen, die weniger Platz brauchen. Wahlweise kann man eine Stromversorgung mit den gleichen Außenmaßen bauen, die eine höhere Ausgangsleistung aufweist. Ausgangskondensatoren sind die entscheidenden Bauteile einer Hauptstromversorgung, daher sind ihre Qualität und Zuverlässigkeit von zentraler Bedeutung.

SMD-Tantalkondensatoren mit festem Elektrolyt

Seit mehr als 50 Jahren sind SMD-Tantalkondensatoren mit festem Elektrolyt in vielen elektronischen Geräten die erste Wahl unter den Kondensatoren, sie sind sehr stabil, zuverlässig und räumlich klein. Das herkömmliche Kathodenmaterial Mangandioxid liefert gute mechanische Stabilität und relative Stabilität gegenüber Temperatur und Feuchtigkeit. Es genügt auch den anspruchsvollsten Anforderungen der Luft-/Raumfahrt/Wehrtechnik und der Medizintechnik.

Aktuell gibt es keine Baureihe von SMD-Tantalkondensatoren mit speziell niedrigem ESR, die der Stufe QPL der ESCC entsprechen. Die bestehende QPL ESCC 3012/001 hat bisher ein begrenztes Angebot von Kondensatoren mit hohen Kapazitäten bei hoher Nennsspannung und keine mit niedrigem ESR. Europäische Raumfahrthersteller müssen daher auf den MIL-Standard-CWR-29 oder Low-ESR-COTS+-Produkte zurückgreifen, die nach MIL-Standards ausgesucht werden.

Kondensatoren mit mehreren Anoden

Einer der am häufigsten beschrittenen Wege, den Serienwiderstand herkömmlicher großvolumiger SMD-Tantalkondensatoren mit MnO2-Kathoden zu verringern, ist die Bauart mit mehreren Anoden (das heißt letztlich: mehrere Einzelkondensatoren in ein Gehäuse einzubauen). Solche Bauteile hat das CNES (Centre National d’Études Spatiales) zusammen mit der ESA geprüft. Man hat hierzu kommerzielle Versionen von zwölf Low-ESR-Kondensatoren (einschließlich Multianodentypen) zwischen 4,7 und 470 µF und zwischen 6,3 und 50 V geprüft nach Methoden, die etwa den Testmethoden von ESA ESCC 2263000 entsprechen.

Die Ergebnisse zeigten, dass dies ein gangbarer Ansatz für die Entwicklung zuverlässiger, miniaturisierter Low-ESR-Tantalkondensatoren mit erweitertem Bereich ist. Basierend auf dieser Studie hat AVX eine QPL-Qualifikation auf den Weg gebracht, aus der eine neue Baureihe von Low-ESR- und HiCV-Produkten als neue Spezifikation ESCC3012/004 entstehen soll.

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