Reduser kortstørrelse og tiden det tar å få produktet ut på markedet ved å bruke svært tynne kondensatorer med høy kapasitet som er produsert i Amerika

Maskinvareutviklere er alltid på utkikk etter muligheter for å redusere komponentkostnader, -størrelse og -vekt, samtidig som de oppfyller eller overgår komponent- og systemmål for effektivitet og pålitelighet. En av de vanligste og viktigste komponentene når det kommer til optimalisering, er kretskortmonterte kondensatorer, takket være deres store omfang og utstrakte bruk. Pålitelighet må også tas i betraktning når en kondensator skal velges på grunn av dens susceptibilitet for lekkasje og kapasitetsforringelse over tid når den utsettes for ekstreme temperaturer. Denne forringelsen kan resultere i periodiske kretsfeil, noe som går utover systemets effektivitet og pålitelighet.

Selv om kondensatorleverandører fortsetter å forbedre konstruksjoner for å øke energitetthet, pålitelighet og vekt, er det ikke sikkert den optimale delen for et bruksområde er tilgjengelig på grunn av lange leveringstider forårsaket av problemer i forsyningskjeden.

Denne artikkelen tar for seg rollen til filter- og masselagringskondensatorer. Den viser hvordan én enkelt kondensator kan erstatte andre typer kondensatorer, for eksempel en rekke overflatemonterte kondensatorer, noe som resulterer i færre kortkomponenter og kretsforbindelser og forbedrer den generelle påliteligheten til kretsen. Underveis introduseres den svært pålitelige aluminium-elektrolyttkondensatoren fra Cornell Dubilier Electronics som har fordelen av å ha tynn profil og svært høy energitetthet. Siden kondensatorene er produsert i USA og tilgjengelige for rask forsendelse til nordamerikanske produksjonsanlegg, kan kondensatorene også gi en vei til kortere leveringstider.

Pålitelighet for kortmonterte kondensatorer

Levetiden til en elektrolyttkondensator fastsettes av hastigheten av elektrokjemisk nedbrytning av den interne strukturen over tid. Siden denne nedbrytningen er forutsigbar under typiske driftsforhold, kan den funksjonelle levetiden til en kondensator enkelt beregnes av produsenten. Påliteligheten til en kondensator er et mål for hvor nær en kondensators faktiske levetid er i forhold til dens forventede levetid tatt i betraktning variasjoner i konstruksjon eller eksponering for ekstreme forhold.

Selv om levetiden for store og små kondensatorer er omtrent den samme, er mindre kondensatorer mer pålitelige ettersom det er mindre overflateareal mellom anoden og katoden. Jo større kondensatoren er, jo mer vil pålitelighet være en faktor i valget av den, samt tilgjengelighet. På tidspunktet når denne artikkelen skrives, er det forsyningskjedeproblemer for elektroniske komponenter, inkludert forsinkelser for mange internasjonale forsendelser. Tilgjengelighet og leveringstid har derfor blitt viktige kriterier når det kommer til valg av elektroniske komponenter.

Kondensatorer er ikke underlagt størrelsesoptimaliseringene som er vanlig for mange halvledere, fordi størrelsen på en kondensator ikke kan reduseres ved å krympe til en mindre prosessgeometri. På grunn av fysikken til kondensatorkonstruksjon, jo større kondensatorklassifiseringen i Farad (F) er, jo større er overflatearealet mellom anoden og katoden, og har derfor en større fysiske størrelse. Kondensatorer for vertikal montering, også kalt V-chips, er populære kapslingsalternativer for plassbesparelse på kretskort. Avveiningen er en høyere kortprofil og mindre klaring, noe som kan påvirke kapslingsvalgene til nærliggende komponenter.

Monteringsposisjonen til en stor elektrolyttkondensator av aluminium kan også påvirke påliteligheten. Store kondensatorer kan bli varme og kreve luftstrøm, eller til og med bruk av kjøleribber under visse forhold. Den påførte likestrømsspenningen, rippelstrømmen og ekstreme omgivelsestemperaturer er faktorer som forkorter levetiden på grunn av parametrisk vandring. Vanligvis er den effektive seriemotstanden (ESR – effective series resistance) til en kondensator den første parameteren som avviker fra spesifikasjonene i databladet. Når ESR-en stiger, blir kondensatoren gradvis varmere. Den svikter til slutt når den blir så varm at den interne strukturen brytes ned og faktisk kortslutter anoden og katoden. I svært sjeldne tilfeller tørker varmen ut kondensatoren, og den blir til en åpen krets.

Kondensatornedbryting i et system kan først dukke opp som tilfeldige feil, men blir raskt til systemfeil når kondensatoren kortslutter. Dette problemet forsterkes for serie- eller parallellkoblede kondensatorbanker. Hvis én kondensator svikter, svikter hele banken. Kondensatorbanker reduserer påliteligheten til systemet fordi sviktraten til banken er sviktraten til én kondensator multiplisert med antallet kondensatorer i banken. Av denne grunn anbefales ikke bruk av kondensatorbanker i konstruksjoner med høy pålitelighet til fordel for én stor kondensator.

Kondensatorer med høy pålitelighet og høy tetthet

For plassbegrensede konstruksjoner med høy pålitelighet, leverer Cornell Dubilier aluminium-elektrolyttkondensatorene THA og THAS Thinpack. Kondensatorene er konstruert for svært høy energitetthet med tynn lavprofilkapsling, og har et lasersveiset kabinett som omslutter elektrolyttkondensatoren for å forhindre lekkasjer. Denne lasersveisen eliminerer behovet for store endetetningspakninger som ofte brukes til å forsegle endene på de fleste elektrolyttkondensatorer. En ventil i kabinettet muliggjør gassventilering, og avlaster internt trykk som reduserer hevelse. THA-linjen er 8,2 millimeter (mm) tykk, og THAS-linjen er 9 millimeter (mm) tykk. THA- og THAS-kondensatorenes konstruksjon sikrer 5000 driftstimer ved henholdsvis 85 °C og 105 °C. De har en energitetthet på 0,9 joule per kubikkcentimeter (J/cm³).

For mange filtrerings- og motorstyringskonstruksjoner kan konstruktører bruke THAS131M450AD0C-kondensatoren på 130 mikrofarad (µF) i THAS-serien (figur 1). Kondensatoren er 66,5 mm lang og bare 25,4 mm bred. Som nevnt er kondensatorer i THAS-serien bare 9 mm tykke, så når de settes på plass oppnås en veldig lav kretskortprofil. Serien er klassifisert 450 volt og er egnet for motorstyring og kompakte strømforsyninger. Fordi serien er så slank, er den også godt egnet for bærbare datamaskiner eller annen lignende lavprofilelektronikk der plassen til komponenter er svært begrenset. Kondensatoren kan også monteres vertikalt på et kretskort for å spare plass, sammenlignet med lignende kondensatorer.

Figur 1: THAS131M450AD0C-kondensatoren på 130 µF er klassifisert 450 volt og er bare 9 mm tykk, noe som gjør den egnet for bruksområder som motorstyring og lavprofilerte kretskort. (Bildekilde: Cornell Dubilier)

Ved 130 µF kan THAS131M450AD0C brukes til å erstatte mindre kondensatorbanker for å forbedre påliteligheten. ESR-en for THAS131M450AD0C ved 25 °C er 1,12 Ohm (Ω) ved 120 hertz (Hz), som faller til 0,54 Ω ved 20 kilohertz (kHz). Den lave ESR-en gjør den egnet for ikke-lineære strømforsyninger der varmeproduksjon må minimeres. Rippelstrøm ved 85 °C er klassifisert 1,36 ampere (A), noe som også er viktig for strømforsyninger.

Som en del av Cornell Dubilier THAS-produktfamilien, har THAS131M450AD0C-kondensatoren en hylse i rustfritt stål for å gi forbedret holdbarhet. Terminalene har en tykkelse på 53,5 mm2 (20 AWG), noe som er gunstig for de fleste kretskort med hullmonterting.

For bruksområder der spenning må lagres i en kort periode, kan konstruktører bruke THAS322M050AD0C-kondensatorer i THAS-serien på 3200 µF og 50 volt. Den er også 66,5 mm lang, med en tykkelse på 9 mm og en hylse i rustfritt stål. ESR-en ved 120 Hz er 0,05 Ω, som faller litt til 0,04 Ω ved 20 kHz. Den kan håndtere en rippelstrøm på 3,48 A ved 20 kHz og 2,90 A ved 20 Hz. Med denne lave ESR-en og høye strømkapasiteten, er den gunstig for bruk som en 50-volts superkondensator for å midlertidig forsyne strøm til en liten krets hvis hovedstrømforsyningen ikke er tilgjengelig.

I likhet med alle Cornell Dubilier THAS-kondensatorer, har THAS322M050AD0C en ventil øverst, som vises tydelig på figur 2. Ventilasjonen gjør det mulig for gass å slippe ut fra kondensatoren som en del av den normale driften, selv om gassdannelse kan øke under høye temperaturer. Den utslipte gassen er en blanding av hydrogen og avfallsgasser.

Figur 2: Ventilen som kan ses øverst på THAS322M050AD0C-kondensatoren gjør det mulig for interne gasser, som bygges opp under normal drift, å unnslippe på en sikker måte. (Bildekilde: Cornell Dubilier)

Ventilasjon av interne gasser er viktig, spesielt i høyverdige kondensatorer. Hydrogen og andre gasser kan samle seg inne i stålomslaget og bygge opp trykk som kan føre til feil. Hvis en kondensator ikke har tilstrekkelig ventilasjon, kan interne gasser bygges opp til et punkt der elektrolytten kan lekke ut på kretskortet og kortslutte annen elektronikk, eller i noen tilfeller til og med føre til at kondensatoren eksploderer. Vær imidlertid oppmerksom på at det er viktig å sikre at kondensatorens ventil ikke har noen obstruksjoner under layout av kretskortet.

For å få mer ladekapasitet, utviklet Cornell Dubilier THA-serien. THA Thinpack-kondensatorer har aluminiumshylser, og med en tykkelse på 8,2 mm er de litt tynnere enn THAS-serien. Et THA-serieeksempel er THA442M035AC0C på 4400 µF og 50 volt. Den er 53,8 mm lang og tilbyr en svært høy energitetthet sammenlignet med lignende kondensatorer. Den har en ESR på 0,07 Ω ved 120 Hz og 0,06 Ω ved 20 kHz, noe som gjør den egnet for bruk som midlertidig strømkilde for småelektronikk under korte strømbrudd. En kondensator på 4400 µF kan også bli veldig varm, så det er viktig å gi den tilstrekkelig luftstrøm slik at den holdes godt innenfor det anbefalte driftsområdet, som er –55 °C til +85 °C. For kondensatorer med store verdier er det enda viktigere å sikre at ventilen ikke har noen obstruksjoner. Det anbefales også at ventilen ikke peker mot noe brannfarlig, da hydrogengass er eksplosiv.

Konklusjon

Kondensatorer er kritiske komponenter i elektroniske systemer. Ved å kombinere høy pålitelighet med høy energitetthet og lav profil, kan konstruktører redusere størrelsen og forbedre levetiden til elektroniske systemer. En enkelt elektrolyttkondensator med høy energitetthet, som er produsert i USA, kan unngå lange leveringstider, samt erstatte kondensatorbanker for å spare plass på kortet.

Ressurser

1. Opplæringsmodul for THA- og THAS Thinpack-aluminium-elektrolyttkondensatorer