Bauelemente Elkos für hohe Anforderungen

Moderne Anwendungen sind immer mehr auf eine Reduktion der Anzahl von Einzelbauelementen wie Kondensatoren ausgelegt. Die Einzelkomponenten werden dabei mit immer höheren Strömen und Spannungen belastet und sollen ihre Eigenschaften über große Temperaturbereiche weitestgehend stabil halten. Insbesondere Tieftemperaturanwendungen und autarke – batteriebetriebene – Systeme, die möglichst geringe Eigenverluste aufweisen müssen, geraten zunehmend in den Fokus von Entwicklern moderner Anwendungen. Gefordert werden insbesondere geringere Widerstände (ESR, Equivalent Series Resistance) und Leckströme gekoppelt mit höherer Rippelstrom-Belastbarkeit und Spannungsfestigkeit, aber auch eine höhere Volumenkapazität, Miniaturisierung sowie geringere Kosten. Die Stabilität der Eigenschaften über weite Temperatur- und Frequenzbereiche versteht sich dabei von selbst.

Herkömmliche Elkos

Gängige Technologien mit denen ein niedriger ohmscher Widerstand (Low-ESR) realisiert werden kann, sind im Bereich der Elektrolyt-Kondensatoren, kurz Elkos genannt, Tantal-Elkos und Polymer-Elkos. Tantal-Elkos haben einen recht niedrigen ESR und eine brauchbare Rippelstrom-Belastbarkeit bei gleichzeitig geringer Baugröße, dürfen aber vielfach nur in einem begrenzten Bereich ihrer Spezifikation betrieben werden – 30 bis 50 Prozent ihrer Nennspannung sind übliche Empfehlungen. Nicht zuletzt die immer wieder kritische Versorgungssituation sowie die Brandgefahr der Bauteile veranlassen Entwickler mehr und mehr dazu, Tantal-Elkos durch andere Technologien zu ersetzen. Festelektrolyt-Elkos auf Polymer-Basis verwenden als Kathode keinen flüssigen Elektrolyt sondern ein mit leitfähigen Materialien durchsetztes Polymer. Diese erreichen zwar niedrigere ESR-Werte als Flüssigelektrolyt-Elkos und Tantal-Elkos, ihre Spannungsfestigkeit ist heutzutage aber technologisch bedingt noch auf zirka 25 V begrenzt. Die Gefahr von Kurzschlüssen im Fehlerfall sowie die Empfindlichkeit ihrer Kontakte hinsichtlich mechanischer Beanspruchung schränkt ihre Anwendung zusätzlich ein.

Entscheidende Unterschiede

Neuere so genannte Hybrid-Polymer-Elektrolyt-Kondensatoren (kurz: Hybrid-Polymer-Elkos) sind ähnlich aufgebaut wie Polymer-Kondensatoren und Flüssigelektrolyt-Kondensatoren (Abbildung 1). Wie bei ihren Pendants ist die Basis auch bei Hybrid-Polymer-Elkos eine zwecks Oberflächenvergrößerung hoch aufgerauhte Aluminiumfolie als Anode, auf die das Dielektrikum dünn aufoxidiert ist. Die Unterschiede zeigen sich also in der Beschaffenheit und Struktur des Elektrolyten:

• Standard-Elkos verwenden einen flüssigen Elektrolyten, eine mit Leitsalzen versehene ionisierte Flüssigkeit, welche in die Poren der aufgerauhten Anoden-/Dielektrikumsfolie eindringt und so die gesamte zur Verfügung stehende Fläche der Anode als wirksame Kondensatorfläche nutzt. Nachteil ist, dass die Elektrolytflüssigkeit sich mit der Zeit physikalisch und chemisch verändert und aus dem Kondensator ausdiffundieren kann, was zur bekannten begrenzten Lebensdauer eines Elkos führt.

• Polymer-Elkos verwenden als Elektrolyt mit elektrisch leitfähigen Substanzen durchdrungene feste Polymer-Materialien. Vorteil: eine bessere Leitfähigkeit und damit ein niedrigerer ESR und Verlustfaktor sowie höhere Strombelastbarkeit. Die Nicht-Flüchtigkeit des Elektrolyten führt zu einer längeren Lebensdauer des Kondensators im Vergleich zu Flüssig-Elektrolyten. Nachteilig an dieser Technologie ist die eingeschränkte Nutzbarkeit bis derzeit maximal 25 V sowie die Gefahr von Kurzschlüssen im Fehlerfall.

• Ein Hybrid-Polymer-Elko vereint die positiven Eigenschaften beider zuvor genannter Technologien. Er nutzt als Elektrolyt leitfähige Polymere, die wiederum von entsprechenden flüssigen Elektrolytanteilen durchdrungen sind. Die Leitfähigkeit der Kathode ergibt sich dadurch aus Ionen-Anteilen als auch aus Elektronen als Ladungsträgern.

Vorteile von Hybrid-Polymer-Elkos

Somit weist der Hybrid-Polymer-Elko einen zu Polymer-Elkos annähernd niedrigen ESR und Verlustfaktor auf und kann dadurch auch mit hohen Rippelströmen beaufschlagt werden. Zudem wirkt der Polymer-Anteil im Tieftemperaturbereich zur Stabilisierung des Temperaturverlaufs. Ein Hybrid-Polymer-Elko zeigt nicht den bei Flüssig-Elkos bekannten ausgeprägten Anstieg des ESR im Tieftemperaturbereich sondern bleibt dort gleichbleibend niedrig. Andererseits besitzt er deutlich höhere Spannungsfestigkeiten – bis über 100 V hinaus – als Polymer-Elkos, bleibt jedoch hinter den Werten von Flüssig-Elkos zurück.

Der Flüssiganteil hilft gegenüber Polymer-Elkos weiterhin, einzelne Defekte im Dielektrikum selbst auszuheilen und somit auch für Polymer-Elkos typische Ausfälle durch Kurzschluss zu verhindern. Sollte ein Hybrid-Polymer-Elko ausfallen dann in der Regel eher im Leerlauf resultierend. Ein weiteres Kennzeichen von Hybrid-Polymer-Elkos sind die im Vergleich zum Beispiel zu Tantal-Kondensatoren geringen Leckströme, die für eine bessere Schaltungseffizienz sorgen. Damit sind sie besonders interessant für batteriebetriebene Anwendungen, die nur geringe Eigenverluste aufweisen dürfen. Polymer-Elkos zeigen mitunter einen deutlichen Anstieg des Betriebsreststroms nach Reflow-Lötprozessen – einen Faktor von zirka 10 bis 100. Dieser Anstieg ist bei Hybrid-Polymer-Elkos nicht zu sehen, weshalb sie eine Reflow-Lötbarkeit bis zu 260 °C ausweisen. Darüber hinaus sind Hybrid-Polymer-Elkos weniger empfindlich gegenüber Feuchte als Polymer-Elkos.

Weitere erhebliche Vorteile der Hybrid-Polymer-Elkos bieten sich durch ihre hohe Rippelstrom Festigkeit. Bei gleichzeitig geringem Bauteilvolumen lässt sich die Anzahl an Einzelkondensatoren und dadurch auch der Platzbedarf auf einer Platine minimieren, woraus sich in Folge auch die System-Kosten trotz derzeit noch höherer Kosten des Einzelkondensators deutlich reduzieren, wie folgendes Beispiel zeigt. Eine Beispiel-Applikation erfordert mindestens 1.200 mA Rippelstrom bei 35 V und 125 °C.

Folgende SMD(Surface-Mounted-Device)-Elko-Kombinationen eines exemplarisch ausgewählten Herstellers würden dafür in Frage kommen, siehe auch Tabelle 1:

• In Fall a) wird ein kleiner Elko mit 220 mA Rippelstrom betrachtet. Von diesem werden mindestens sechs Kondensatoren parallel benötigt, um den geforderten Rippelstrom zu gewährleisten, was in einem Platzbedarf von rund
  413 mm² resultiert.

• In Fall b) kommt ein größerer Elko mit höherer Rippelstrom-Belastbarkeit von 750 mA zum Einsatz. Von diesem sind zwei Stück erforderlich bei einer Fläche von rund 338 mm².

• Die Hybrid-Polymer-Elko Alternative im Fall c) kommt mit einem einzigen kleinen Kondensator aus, der die benötigte Stromtragfähigkeit alleine liefert und weniger Platz benötigt. Es ergibt sich eine Platzeinsparung gegenüber den Elko-Alternativen von fast 90 Prozent. Neben deutlich geringeren Platinen-, Rüst- und Bestückungskosten erzielt der Entwickler damit schon auf Bauteileebene eine Kostenreduktion von mehr als 50 Prozent.

Als zusätzlich positiver, technischer Nebeneffekt verbessern sich die Tieftemperaturcharakteristik und die Hitzebeständigkeit. Ferner bewirkt der niedrigere Wert und stabilere Temperaturverlauf des ESR und Verlustfaktors eine Verringerung der Spannungswelligkeit bei DC-Wandler-Anwendungen im Vergleich zur Verwendung von Standard-Elkos. Zu ergänzen bleibt die Frequenzabhängigkeit der Kapazität und des Widerstands. Sowohl Flüssig-Elkos als auch Tantal-, Polymer- und Hybrid-Polymer-Elkos weisen im niederfrequenten Bereich erhöhte ESR- und Impedanz-Werte auf, die mit steigender Frequenz zunächst abnehmen. Speziell bei Hybrid-Polymer-Elkos liegen Impedanz und ESR im Niederfrequenzbereich meist nennenswert über den Werten vergleichbarer Flüssig-Elkos, mit steigender Frequenz jedoch sinken sowohl Impedanz als auch ESR um Faktoren unter deren Werte ab. Der technologisch bedingte, bei den genannten Kondensatoren zu beobachtende Kapazitätsabfall zu höheren Frequenzen hin setzt bei Hybrid-Polymer-Kondensatoren in der Regel erst bei vergleichsweise wesentlich höheren Frequenzen ein und ist weniger stark ausgeprägt als etwa bei Tantal- oder Flüssig-Elkos. Der empfohlene Einsatzbereich von Hybrid-Polymer-Elkos liegt daher im höherfrequenten Bereich – als Anhaltspunkt über zirka 20 bis 50 kHz hinaus. Nicht zuletzt zeichnen sich Hybrid-Polymer-Elkos durch eine im Vergleich zu reinen Flüssig-Elkos höhere Lebensdauer aus.

Erweiterte Möglichkeiten

Hybrid-Polymer-Elkos eröffnen in bestimmten Einsatzgebieten eine neue Dimension an technischen und kommerziellen Möglichkeiten. Eigenschaften wie niedriger ESR, hohe Rippelstrom-Festigkeit bei kleiner Bauform, hohe Volumenkapazität, Spannungsfestigkeit und Stabilität über einen weiten Temperaturbereich machen diese Technologie ideal für den Einsatz in: Outdoor-, Tieftemperaturanwendungen, Spannungsregelschaltungen wie etwa 24-V-DC/DC-Wandler, Stromversorgungen und Automobiltechnik.