Bauelemente & Elektromechanik Mit Polymer und Hybrid an die Spitze

Polymerkondensatoren lassen sich in vier Hauptkategorien aufteilen, die sich in Bezug auf Elektrolyt- und Elektrodenmaterial, Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Zielanwendung voneinander unterscheiden.

Die geschichteten Polymer-Aluminium-Kondensatoren verwenden ein leitfähiges Polymer als Elektrolyt und eine Kathode aus Aluminium. Diese Kondensatoren decken Spannungen von 2 bis 25 V ab und stehen mit Kapazitätswerten von 2,2 bis 560 μF zur Verfügung. Die herausragende elektrische Eigenschaft dieser Polymerkondensatoren ist ihr niedriger Serienersatzwiderstand (ESR). So sind niedrige Werte von 3 mΩ möglich. Diese harzvergossenen Schichtkondensatoren sind als kompakte Bauteile für die Oberflächenmontage ausgelegt und überzeugen durch sehr flache Bauweise. Aufgrund ihrer elektrischen und gehäusetechnischen Eigenschaften werden sie in elektronischen Handgeräten oder anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf flach bauende Kondensatoren ankommt, die ihre Arbeit auch direkt neben Kühlkörpern verrichten können.

Gewickelte Polymer-Alu-Kondensatoren basieren zwar auch auf leitfähigen Polymeren und Aluminium, sind aber als gewickelte Folienstruktur ausgelegt. Die Spannungen reichen bei Kapazitäten von 3,3 bis 2.700 µF von 2,5 bis 100 V. Wie die geschichteten Polymerkondensatoren auch weisen die gewickelten Ausführungen einen sehr niedrigen ESR-Wert von bis zu 5 mΩ oder sogar darunter auf. Die gewickelten Bauelemente sind zwar ebenfalls oberflächenmontierbar, aber nicht ganz so kompakt wie ihre Geschwister in Schichtbauweise.

Polymer-Tantal-Kondensatoren verwenden ein leitfähiges Polymer als Elektrolyt und eine Kathode aus Tantal. Bei Spannungen von 1,8 bis 35 V und Kapazitäten von 2,7 bis 680 μF weisen auch sie geringe ESR-Werte wie 5 mΩ auf. Die harzvergossenen Tantal-Kondensatoren gehören zu den kompaktesten Vertretern auf dem Markt.

Polymer-Hybrid-Aluminium-Kondensatoren verwenden einen hybriden Elektrolyten aus flüssigem und leitfähigem Polymer und eine Kathode aus Aluminium. Bei diesem technischen Ansatz wird das Beste von beidem vereint: Das Polymer bietet hohe Leitfähigkeit – und einen entsprechend niedrigen ESR-Wert. Der flüssige Anteil des Elektrolyten ist spannungsfester und bietet aufgrund seiner großen wirksamen Oberfläche höhere Kapazitätswerte. Die Hybrid-Kondensatoren decken Spannungen von 25 bis 80 V ab und sind mit Kapazitätswerten von 10 bis 330 μF erhältlich. Die ESR-Werte der Hybriden sind mit 20 bis 120 mΩ zwar höher als die der anderen Polymerkondensatorarten, aber im Hinblick auf die höherstromigen Zielanwendungen immer noch sehr niedrig.

Vorteile von Polymer-Kondensatoren

Die vier Arten der Polymerkondensatoren haben folgende elektrischen Eigenschaften gemeinsam:

Sehr gutes Frequenzverhalten. Durch ihre geringen ESR-Werte weisen Polymer-Kondensatoren geringe Impedanzen im Bereich des Resonanzpunkts auf. Und geringere Impedanzen bedeuten weniger überlagerte Wechselspannungen in Leistungsschaltungen. Tests haben gezeigt, dass Reduzierungen bei den VSS-Werten auf ein Fünftel möglich sind, wenn man Polymerkondensatoren mit herkömmlichen Tantal-Kondensatoren mit niedrigem ESR-Wert vergleicht.

Stabile Kapazitätswerte. Bei Keramikkondensatoren verändert sich die Kapazität in Abhängigkeit von Temperatur und DC-Vorspannung. Polymerkondensatoren dagegen kennen diese Probleme nicht und bleiben im Zeitverlauf stabil. Diese Stabilität ist besonders wichtig in industrie- und automobiltechnischen Anwendungen, die dafür bekannt sind, hohen Schwankungen bei der Betriebstemperatur zu unterliegen. Es gab schon Fälle, wo erhöhte Temperaturen bei Kerkos einen effektiven Kapazitätsverlust von 90 Prozent oder mehr verursacht haben, was bedeutet, dass herkömmliche Kondensatoren im Betrieb nur suboptimale Ergebnisse erbringen.Hybridkondensatoren erweitern die kapazitive Stabilität um eine weitere Dimension. Sie sorgen für stabile Kapazitätswerte auch bei oft anzutreffenden Betriebsbedingungen mit hohen Frequenzen und niedrigen Temperaturen, die die Kapazität von herkömmlichen Flüssigelektrolyt-Kondensatoren senken.

Mehr Sicherheit. Herkömmliche Elkos können unter sicherheitsrelevanten Problemen leiden, die zu Kurzschlüssen und Versagen führen können. Dieses Problem ergibt sich, wenn elektrische oder mechanische Belastungen zu Defekten oder Unterbrechungen in der Oxidschicht führen, die das Dielektrikum des Kondensators bildet. Polymerkondensatoren verfügen über die Fähigkeit zur Selbstheilung, die diese Art des Versagens praktisch ausschließt. Die Reparatur wird durch die joulesche Wärme angeregt. Sie entsteht, wenn ein Kurzschluss durch einen Defekt im Dielektrikum ausgelöst wird. Durch die Wärme wird die Molekülkette des leitfähigen Polymers am Defekt unterbrochen, wodurch sich der Widerstand erhöht und so eine effektive Barriere gegen jeglichen Leckstrom seitens der Elektrode bildet. Bei Hybrid-Kondensatoren kommt noch ein zusätzlicher Selbstheilungsmechanismus ins Spiel – weil der flüssige Elektrolyt einen Stromfluss an der Schadstelle verursacht, reoxidiert das Aluminium.

Panasonic hat zahlreiche Überspannungsprüfungen durchgeführt, um die Selbstheilung bei Polymer- und Hybrid-Kondensatoren nachzuweisen. Bei einem dieser Tests wurden Polymerkondensatoren mit herkömmlichen Tantal/MnO2-Bauteilen verglichen. Die Polymer-Ausführung konnte kurzzeitigen Strömen von bis zu 7 A standhalten, während der Tantal-Kondensator bei 3 A anfing zu qualmen und bei 5 A schließlich in Flammen aufging.

Dieses Mehr an Sicherheit hat große Auswirkungen auf die konstruktive Auslegung und die Kostengestaltung. Herkömmliche Tantal-Kondensatoren werden im Betrieb normalerweise um 30 bis 50 Prozent ihrer Nennspannung gedrosselt, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Diese Drosselung (Derating) ist zwar eine gängige und anerkannte technische Praxis, resultiert aber in größer ausgelegten Kondensatoren und mehr Kosten. Dagegen garantiert Panasonic nach eigenen Angaben für seine Polymerkondensatoren einen Betrieb bei 90 Prozent der vollen Nennspannung.

Vorteile von Hybrid-Kondensatoren

Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente und die höheren Schaltfrequenz vieler Elektrogeräte sorgen dafür, dass Hybrid-Kondensatoren, die leitfähige Polymere zusammen mit einem Flüssigelektrolyten nutzen, mehr und mehr Beachtung finden. Die Hybriden sind bekannt für stabile elektrische Eigenschaften bei hohen Frequenzen. Diese robusten Kondensatoren verfügen allerdings über weitere Vorteile, die den Unterschied ausmachen, wenn es um den Einsatz in Computerservern, Back-up-Bauteilen und Netzwerktechnik, oder bei industrietauglichen Motoren, Automotorsteuerungen, Sicherheitskameras und LED-Beleuchtung geht. Zu den Vorteilen gehören:

Hybride sind kompakt. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen ist auch die Baugröße der Kondensatoren immer wichtiger geworden. SMT-fähige Hybrid-Kondensatoren mit Seitenlängen von 6,3 mm x 5,8 mm sind spannungsfest bis 35 V und bieten Kapazitäten bis 47 μF. Durch die geringe Montagefläche kann man einigen Leiterplattenplatz einsparen. Bei einer aktuellen 48-V-Stromversorgungsanwendung beanspruchen Hybrid-Kondensatoren gerade einmal 13 Prozent des Platzes auf der Leiterplatte, den ein Aluminium-Elektrolytkondensator verbraucht hätte.

Hybride sind zuverlässig. Klein sein reicht bei Kondensatoren allein nicht aus, sie müssen auch unter schwierigen elektrischen und umwelttechnischen Bedingungen bestehen können. In fast allen Belangen sind Hybrid-Kondensatoren gleichwertigen Aluminium-Elektrolyt- und Polymerkondensatoren weit überlegen. Hier einige Beispiele: Hybrid-Kondensatoren sind deutlich langlebiger und feuchtebeständiger als ihre Elektrolyt- oder Polymer-Gegenstücke. Außerdem sind Hybride wesentlich toleranter gegenüber großen Rippleströmen und Stromstößen sowie erhöhten Temperaturen.

Zusammen ergeben Baugröße und Zuverlässigkeit einen Kostenvorteil bei der Verwendung von Hybrid-Kondensatoren – auch wenn der Beschaffungspreis ein wenig höher ist. Allein durch die höhere Rippelstrombelastbarkeit lassen sich die Kosten aufgrund der verlängerten Lebensdauer des Kondensators um bis zu 20 Prozent senken. In der erwähnten 48-V-Stromversorgungsanwendung beliefen sich die Kosten bei Hybrid-Kondensatoren auf 50 Prozent der Gesamtkosten für gleichwertige Aluminium-Elektrolytkondensatoren, wobei die Einsparungen aus geringeren Kosten für Leiterplatte und Gewährleistung sowie der höheren Rippelstromfestigkeit
resultieren.