Полімерні та гібридні конденсатори

У виконаних по гібридної технології конденсаторах
поєднуються найкращі властивості електролітичних
і полімерних конденсаторів.

На перший погляд, конденсатори можуть здатися досить простими пристроями, але насправді за останні роки їх складність зросла. Причина, по якій це сталося, криється в свободі вибору. За останні кілька років всесвіт конденсаторів значно розширилася, в основному за рахунок конструкцій конденсаторів, використовують досягнення в області провідних полімерів.

Електроліт в цих сучасних конденсаторах іноді складається тільки з провідних полімерів. Провідні полімери також можуть використовуватися в поєднанні з рідким електролітом в конструкції, відомої як гібридний конденсатор. У будь-якому випадку конденсатори на основі полімерів мають досконаліші характеристики, ніж звичайні електролітичні і керамічні конденсатори, коли мова заходить про:

електричних параметрах,
стабільності,
довговічності,
надійності,
безпеки,
вартості життєвого циклу.

У кожного полімерного і гібридного конденсатора є свої сильні сторони з точки зору їх ідеальних напруг, частотних характеристик, умов експлуатації та відповідності іншим вимогам додатків. У цій статті ми покажемо вам, як визначити оптимальну сферу використання для кожного типу сучасних конденсаторів. Ми також виділимо конкретні програми, в яких полімерний або гібридний конденсатор випереджає традиційні електролітичні або навіть керамічні конденсатори.

Різновиди полімерних конденсаторів

Існують чотири основні різновиди полімерних конденсаторів, включаючи гібридні. Кожен тип відрізняється матеріалами електроліту і електродів, корпусом і областю застосування:

Багатошарові полімерні алюмінієві конденсатори в якості електроліту використовують проводить полімер і мають алюмінієвий катод (Малюнок 1). Залежно від конкретної моделі, ці конденсатори охоплюють діапазон напруг від 2 до 25 В і діапазон ємностей від 2.2 до 560 мкФ. Відмітна електрична характеристика цих полімерних конденсаторів - надзвичайно низька еквівалентний послідовний опір (ESR). Наприклад, ESR деяких наших полімерних конденсаторів SP-Cap дорівнює 3 мОм і є одним з найнижчих в галузі. Такі багатошарові полімерні конденсатори упаковуються в формовані із пластику низькопрофільні компактні корпуси для поверхневого монтажу. В результаті поєднання невеликих габаритів і хороших електричних характеристик вони знаходять застосування в різних портативних електронних пристроях або інших додатках, де потрібно конденсатор невеликої висоти, якому не буде заважати розташований поблизу тепловідвід.

Плівкові полімерні алюмінієві конденсатори також засновані на провідних полімери і алюмінії, але їх фольгові обкладання згорнуті в рулон (Малюнок 2). У порівнянні з іншими типами полімерних конденсаторів плівкові конденсатори покривають ширший діапазон напруг і ємностей. Шкала їх напруг знаходиться в інтервалі від 2.5 до 100 В, а ємностей - від 3.3 до 2700 мкФ. Як і багатошарові полімерні конденсатори, конденсатори плівкового типу мають виключно низькі значення ESR. Наприклад, деякі з наших конденсаторів серії OS-CON мають ESR нижче 5 мОм. Плівкові конденсатори також можуть виготовлятися в корпусах для поверхневого монтажу, хоча і не настільки компактних, як у багатошарових конденсаторів.

Танталові полімерні конденсатори в якості електроліту використовують проводить полімер і мають танталовий катод (Малюнок 3). Конденсатори ємністю від 2.7 до 680 мкФ випускаються на робочі напруги від 1.8 до 35 В. Значення їх ESR також низькі, і у деяких з наших конденсаторів POSCAP складають всього 5 мОм. Випускаються в корпусах з формованого пластика, танталові полімерні конденсатори є одними з найбільш компактних на ринку. Наприклад, наш POSCAP типорозміру М має габарити всього 2.0 на 1.25 мм. Незважаючи на компактність, для конденсаторів цього типу доступний широкий діапазон типорозмірів.

Полімерні гібридні алюмінієві конденсатори. Як випливає з їх назви, в цих конденсаторах в якості електроліту використовується комбінація рідини і провідного полімеру (Малюнок 4), а в якості катода - алюміній. Ідея, що лежала в основі цього технічного рішення, полягала в об'єднанні кращих властивостей обох матеріалів: використання полімерів забезпечує високу провідність і, відповідно, низький ESR, При цьому рідка складова електроліту може витримувати більш високі напруги і дозволяє отримувати більш високі значення ємності завдяки великій ефективної площі поверхні. Гібридні конденсатори можуть мати діапазон робочих напруг від 25 до 80 В, а ємностей - від 10 до 330 мкФ. Значення ESR у гібридів вище, ніж у інших типів полімерних конденсаторів, але, беручи до уваги більш потужні програми, для яких вони призначені, все ж досить низькі - від 20 до 120 мОм.

Переваги полімерних конденсаторів

Незважаючи на відмінності в матеріалах і конструкціях, всі чотири типи полімерних конденсаторів об'єднує набір привабливих електричних властивостей:

Чудові частотні характеристики.
# 8203; Завдяки наднизьким значенням ESR полімерні конденсатори мають низький імпеданс поблизу точки свого резонансу (Малюнок 5). А більш низький імпеданс зменшує пульсації змінного струму в силових ланцюгах. Наші випробування показали п'ятикратне зниження амплітуди пульсацій в ланцюгах з полімерними конденсаторами в порівнянні зі звичайними танталовими конденсаторами з низьким ESR.

Стабільна ємність.
У керамічних конденсаторах ємність залежить від змін температури і постійної напруги зміщення. Полімерні конденсатори не мають таких недоліків і залишаються стабільним протягом довгого часу (Малюнок 6). Зокрема, ця стабільність важлива для промислових і автомобільних додатків, де, як правило, відбуваються значні коливання робочих температур. Ми спостерігали випадки, коли підвищені температури викликали втрату до 90% і більш ефективною ємності керамічного конденсатора, а це означає, що звичайні конденсатори не забезпечують належних характеристик в реальних умовах експлуатації. Гібридні конденсатори додають до стабільності ємності ще один вимір. У типових умовах експлуатації їх ємність залишається незмінною - і на високих частотах, і при низьких температурах, - факторах, що зменшують ємність конденсаторів зі звичайним рідким електролітом. (Малюнок 7).

Підвищена безпека.
# 8203; Для звичайних електролітичних конденсаторів характерні проблеми безпеки, здатні привести до їх короткого замикання і виходу з ладу. Загроза безпеки виникає, коли електричні або механічні напруги створюють дефекти або розриви в оксидної плівці, що утворює діелектрик конденсатора. Полімерні конденсатори здатні до самовідновлення, яке усуває цей аварійний режим. Відновлення відбувається внаслідок виділення джоулева тепла, ініційованого дефектом діелектрика, що запускає процес короткого замикання. Нагрівання руйнує молекулярну ланцюг провідного полімеру поблизу дефекту, підвищуючи його опір і утворюючи ефективний бар'єр проти будь-якої витоку струму з електрода (Малюнок 8). У разі гібридних конденсаторів починає діяти додатковий механізм самовідновлення, так як рідкий електроліт викликає потік струму поблизу дефекту, відновлюючи оксидний шар алюмінію. Щоб продемонструвати природу самовідновлення полімерних і гібридних конденсаторів, ми провели численні тести з подачею підвищених напруг. В одному з таких випробувань ми порівняли наші полімерні конденсатори SP-Cap зі звичайними тантал-MnO2 конденсаторами. Полімерна модель витримала 7-приміщення повинна бути захищена струм короткого замикання, в той час як танталовий конденсатор починав диміти при трьох амперах і запалав при п'яти. Таке підвищення безпеки має велике значення, як з технічної точки зору, так і з фінансової. Для безпечної експлуатації розробники, як правило, використовують звичайні танталові конденсатори при напружених на 30 - 50% нижче їх номінальної напруги. Це загальноприйнята в інженерній практиці заниження номінальних параметрів веде до необхідності використання конденсаторів бóльшіх розмірів і вартості. Навпаки, для наших полімерних конденсаторів ми гарантуємо роботу при 90% від максимально допустимого напруги.

Наша лінійка гібридних конденсаторів також розвивається. Ми розширюємо її новими 16- та 100-вольтовими конденсаторами. На черзі збільшення терміну служби і допустимої амплітуди пульсацій струму в наступних версіях продукту.

Ці безперервні технічні удосконалення роблять полімерні і гібридні конденсатори все більш привабливою альтернативою звичайним танталові MnO2 і багатошаровим керамічним конденсаторів (MLCC).