Passive Bauelemente Ultradünne Kondensatoren mit hoher Kapazität reduzieren Leiterplattengröße und Markteinführungszeit

Von Rolf Horn *

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Die Bauform elektronischer Bauelemente wirkt sich direkt auf die Größe eines Systems aus. Dieser Beitrag zeigt, wie ein einziger Kondensator andere Arten von Kondensatoren ersetzen kann.

Bild 1: Die Entlüftung auf der Oberseite des Kondensators THAS322M050AD0C ermöglicht ein sicheres Entweichen der internen Gase, die sich im normalen Betrieb bilden.
Bild 1: Die Entlüftung auf der Oberseite des Kondensators THAS322M050AD0C ermöglicht ein sicheres Entweichen der internen Gase, die sich im normalen Betrieb bilden.
(Bild: Clipdealer / Cornell Dubilier )

Hardware-Entwickler suchen stets nach Möglichkeiten, die Kosten, die Größe und das Gewicht von Komponenten zu reduzieren und gleichzeitig die Zielvorgaben für Effizienz und Zuverlässigkeit von Komponenten und Systemen zu erfüllen oder zu übertreffen. Eines der häufigsten und kritischsten Bauteile für die Optimierung sind leiterplattenmontierte Kondensatoren, da sie sehr vielfältig und weit verbreitet sind. Auch die Zuverlässigkeit muss bei der Auswahl eines Kondensators berücksichtigt werden, da er bei extremen Temperaturen zu Leckagen und Kapazitätsverlusten neigt. Diese Verschlechterung kann zu intermittierenden Störungen der Schaltkreise führen und die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen.

Während die Kondensatorlieferanten ihre Konstruktionen ständig verbessern, um die Energiedichte, die Zuverlässigkeit und das Gewicht zu erhöhen, kann es vorkommen, dass das optimale Bauteil für eine Anwendung aufgrund langer Vorlaufzeiten, die durch Probleme in der Lieferkette verursacht werden, nicht verfügbar ist.

Dieser Beitrag befasst sich mit der Rolle von Filter- und Speicherkondensatoren. Er zeigt, wie ein einziger Kondensator andere Arten von Kondensatoren ersetzen kann, z. B. eine ganze Bank von oberflächenmontierten Kondensatoren, was zu einer geringeren Anzahl von Platinenbauteilen und Schaltungsverbindungen führt und die Zuverlässigkeit der Schaltung insgesamt verbessert. In diesem Rahmen werden hochzuverlässige Aluminium-Elektrolytkondensatoren von Cornell Dubilier Electronics vorgestellt, die die beiden Vorteile eines flachen Profils und einer sehr hohen Energiedichte aufweisen. Da die Kondensatoren in den USA hergestellt werden und für den schnellen Versand an nordamerikanische Produktionsstätten zur Verfügung stehen, können sie auch einen Weg zu kürzeren Lieferzeiten bieten.

Zuverlässigkeit von leiterplattenmontierten Kondensatoren

Die Lebensdauer eines Elektrolytkondensators wird durch die Geschwindigkeit der elektrochemischen Zersetzung seiner inneren Struktur im Laufe der Zeit bestimmt. Da diese Verschlechterung unter typischen Betriebsbedingungen vorhersehbar ist, kann die funktionelle Lebensdauer eines Kondensators vom Hersteller leicht berechnet werden. Die Zuverlässigkeit eines Kondensators ist ein Maß dafür, wie gut die tatsächliche Lebensdauer eines Kondensators mit seiner erwarteten Lebensdauer übereinstimmt, wenn er Konstruktionsschwankungen unterliegt oder extremen Bedingungen ausgesetzt ist.

Während die Lebensdauer von großen und kleinen Kondensatoren in etwa gleich ist, sind kleinere Kondensatoren zuverlässiger, da zwischen Anoden- und Kathodenoberfläche weniger Fläche vorhanden ist. Je größer der Kondensator ist, desto mehr kommt es bei seiner Auswahl auf die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit an. Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Beitrags gibt es Probleme in der Lieferkette für elektronische Bauteile, einschließlich Verzögerungen bei vielen internationalen Sendungen. Aus diesem Grund sind Verfügbarkeit und Vorlaufzeit zu entscheidenden Kriterien für die Auswahl elektronischer Komponenten geworden.

Kondensatoren unterliegen nicht den Größenoptimierungen, die bei vielen Halbleitern üblich sind, da die Größe eines Kondensators nicht durch Verkleinerung auf eine kleinere Prozessgeometrie reduziert werden kann. Je größer der Nennwert des Kondensators in Farad (F) ist, desto größer ist die Fläche zwischen Anode und Kathode und desto größer ist auch seine physische Größe. Vertikal montierte Kondensatoren, auch V-Chips genannt, sind beliebte Gehäuseoptionen, um Platz auf der Leiterplatte zu sparen. Der Preis dafür ist ein höheres Leiterplattenprofil und weniger Freiraum, was sich auf die Gehäuseauswahl für benachbarte Komponenten auswirken kann.

Außerdem kann die Einbaulage eines großen Aluminium-Elektrolytkondensators die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Große Kondensatoren können heiß werden und erfordern unter bestimmten Bedingungen einen Luftstrom oder sogar einen Kühlkörper. Die angelegte Gleichspannung, der Brummstrom und extreme Umgebungstemperaturen verkürzen die Betriebslebensdauer aufgrund von Parameterdrift. Normalerweise ist der effektive Serienwiderstand ESR eines Kondensators der erste Parameter, der von den Datenblattangaben abweicht. Wenn der ESR steigt, wird der Kondensator immer heißer. Er versagt schließlich, wenn er so heiß läuft, dass seine innere Struktur zusammenbricht und Anode und Kathode kurzgeschlossen werden. In sehr seltenen Fällen trocknet die Hitze den Kondensator aus, und er verursacht einer Stromkreisunterbrechung.

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Die Verschlechterung der Kondensatoren in einem System kann sich zunächst durch zufällige Ausfälle zeigen, die schnell zu einem Systemausfall führen, wenn der Kondensator kurzgeschlossen wird. Dieses Problem wird bei in Reihe oder parallel geschalteten Kondensatorbänken noch verstärkt: Fällt ein Kondensator aus, fällt die gesamte Bank aus. Kondensatorbänke verringern die Zuverlässigkeit des Systems, da die Ausfallrate der Bank der Ausfallrate eines Kondensators multipliziert mit der Anzahl der Kondensatoren in der Bank entspricht. Aus diesem Grund wird bei Konstruktionen mit hoher Zuverlässigkeit von Kondensatorbanken zugunsten eines einzigen großen Kondensators abgeraten.

Hochzuverlässige Kondensatoren mit hoher Energiedichte

Für Anwendungen mit geringem Platzangebot und hoher Zuverlässigkeit bietet Cornell Dubilier die Thinpack-Aluminium-Elektrolytkondensatoren THA und THAS an. Diese Kondensatoren wurden für eine sehr hohe Energiedichte mit einem dünnen, flachen Gehäuse entwickelt und sitzen in einem lasergeschweißten Gehäuse, das den Elektrolytkondensator umschließt, um Lecks zu vermeiden. Die Laserschweißung macht große Enddichtungen überflüssig, die häufig zur Abdichtung der Enden der meisten Elektrolytkondensatoren verwendet werden. Ein Ventil im Gehäuse ermöglicht die Entlüftung des Gases, wodurch der Innendruck abgebaut und die Schwellung verringert wird. Die Baureihe THA ist 8,2 mm dick und die Baureihe THAS 9 mm. Das Design der THA- und THAS-Kondensatoren gewährleistet eine Betriebsdauer von 5.000 Stunden bei 85 °C bzw. 105 °C. Sie haben eine Energiedichte von 0,9 J/cm3.

Für viele Filter- und Motorsteueranwendungen können Entwickler den Kondensator THAS131M450AD0C der Serie THAS mit 130 µF verwenden. Der Kondensator ist 66,5 mm lang und nur 25,4 mm breit. Wie bereits erwähnt, sind die Kondensatoren der Serie THAS nur 9 mm dick, so dass sie im eingebauten Zustand ein sehr niedriges Leiterplattenprofil ermöglichen. Die Serie ist für 450 V ausgelegt und eignet sich für Motorsteueranwendungen und kompakte Netzteile. Da die Serie so schlank ist, empfiehlt sie sich auch für Laptops oder ähnlich flache Elektronikprodukte, bei denen die Höhe der Komponenten stark eingeschränkt ist. Der Kondensator kann auch vertikal auf einer Leiterplatte montiert werden, um im Vergleich zu ähnlichen Kondensatoren Platz zu sparen.

Mit 130 µF kann der THAS131M450AD0C als Ersatz für kleinere Kondensatorbänke genutzt werden, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Der ESR des THAS131M450AD0C beträgt bei 25 °C und 120 Hz 1,12 Ω und fällt bei 20 kHz auf 0,54 Ω ab. Durch seinen niedrigen ESR eignet er sich für Schaltnetzteile, bei denen die Wärmeentwicklung minimiert werden muss. Der Brummstrom beträgt bei 85 °C 1,36 A, was auch für Netzteile wichtig ist.

Als Teil der THAS-Produktfamilie von Cornell Dubilier hat der Kondensator THAS131M450AD0C für eine verbesserte Haltbarkeit einen Edelstahlmantel. Die Anschlüsse sind mit AWG 20 ausgeführt und eignen sich für die meisten durchkontaktierten Leiterplattenanwendungen.

Für Anwendungen, bei denen die Spannung über einen kurzen Zeitraum gespeichert werden muss, können Entwickler auf den 50-V-Kondensator THAS322M050AD0C der Serie THAS mit 3.200 µF zurückgreifen. Er ist ebenfalls 66,5 mm lang, 9 mm dick und in einer Edelstahlhülse untergebracht. Der ESR beträgt 0,05 Ω bei 120 Hz und fällt bei 20 kHz leicht auf 0,04 Ω ab. Er toleriert einen Brummstrom von 3,48 A bei 20 kHz und 2,90 A bei 20 Hz. Mit seinem niedrigen ESR und seiner hohen Strombelastbarkeit eignet er sich als 50-Volt-Superkondensator für die vorübergehende Stromversorgung eines kleinen Stromkreises, wenn die Hauptstromversorgung nicht verfügbar ist.

Wie alle THAS-Kondensatoren von Cornell Dubilier hat auch der THAS322M050AD0C eine Entlüftung an der Oberseite. Die Entlüftung ermöglicht das Entweichen von Gas aus dem Kondensator als Teil des normalen Betriebs, obwohl die Gasbildung bei hohen Temperaturen zunehmen kann. Das entweichende Gas ist ein Gemisch aus Wasserstoff und Abgasen.

Die Entlüftung der internen Gase ist wichtig, insbesondere bei hochwertigen Kondensatoren. Wasserstoff und andere Gase können sich im Inneren des Stahlgehäuses ansammeln und einen Druck aufbauen, der zum Versagen führen kann. Wenn ein Kondensator unzureichend entlüftet wird, können sich im Inneren Gase ansammeln, so dass Elektrolyt auf die Leiterplatte austreten und andere elektronische Bauteile kurzschließen kann. In einigen Fällen ist sogar das Explodieren des Kondensators möglich. Es gilt jedoch zu beachten, beim Layout der Leiterplatte eine ungehinderte Kondensatorentlüftung sicherzustellen.

Für mehr Ladekapazität entwickelte Cornell Dubilier die Serie THA. Die THA-Thinpack-Kondensatoren mit Aluminiumhülle sind mit einer Dicke von 8,2 mm etwas schlanker als die Pendants der Serie THAS. Ein Beispiel aus der Serie THA ist der THA442M035AC0C mit 4.400 µF und 50 V. Er ist 53,8 mm lang und bietet im Vergleich zu ähnlichen Kondensatoren eine sehr hohe Energiedichte. Mit einem ESR von 0,07 Ω bei 120 Hz und 0,06 Ω bei 20 kHz eignet er sich als temporäre Stromquelle für kleine Elektronikgeräte bei kurzen Stromunterbrechungen. Ein 4400-µF-Kondensator kann auch sehr heiß werden, daher ist es wichtig, für eine ausreichende Luftzirkulation zu sorgen, damit der empfohlene Betriebstemperaturbereich von –55 bis 85 °C nicht überschritten wird. Bei Kondensatoren mit hohen Nennwerten ist es noch wichtiger, dass die Entlüftung nicht behindert wird. Außerdem wird empfohlen, die Entlüftung nicht auf etwas Brennbares zu richten, da Wasserstoffgas explosiv ist.

Auf die richtige Kombination kommt es an

Kondensatoren sind wichtige Komponenten in elektronischen Systemen. Durch die Kombination von hoher Zuverlässigkeit, hoher Energiedichte und flachem Profil können Entwickler die Größe elektronischer Systeme verringern und ihre Lebensdauer erhöhen. Ein einziger, in den USA hergestellter Elektrolytkondensator mit hoher Energiedichte kann lange Lieferzeiten vermeiden und ganze Kondensatorbänke ersetzen, um Platz auf der Leiterplatte zu sparen.

* Rolf Horn ist Applikationsingenieur bei Digi-Key Electronics.

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