Modułowy system pomiarowy usprawniający prace badawczo-rozwojowe nad nowymi technologiami w kondensatorach elektrolitycznych

Rys. 1. Architektura systemu pomiarowego

Bazą systemu jest platforma sprzętowa PXI i oprogramowanie LabVIEW, które pozwala na znaczne zaoszczędzenie czasu w pracy badawczej nad nowymi konstrukcjami kondensatorów elektrolitycznych. Kondensatory to jedne z najpopularniejszych i najważniejszych podzespołów elektronicznych.

Spotkać je można praktycznie w każdym urządzeniu elektronicznym, gdzie wykorzystywane są do gromadzenia energii, w filtrach i układach odprzęgających. Typowy zakres wykorzystywanych pojemności zawiera się pomiędzy 1pF a 1F, a napięcia znamionowe od 1,5V do kilku kilowoltów.

Zakres temperatur pracy rozciąga się od około -55°C do +125°C, a kolejnymi istotnymi parametrami są współczynnik strat, kształt i wykonanie. Cztery najpopularniejsze typy kondensatorów używane przez przemysł elektroniczny to: ceramiczne, foliowe, elektrolityczne i tantalowe. Kondensatory aluminiowe elektrolityczne charakteryzują się dużą gęstością energii, czyli dużą pojemnością przy niewielkich wymiarach.

Rys. 2. Schemat systemu do pomiaru parametrów elektrolitu

Ich wadą jest duża wrażliwość na nieprawidłową polaryzację napięcia i na przeciążenia. Parametry kondensatorów elektrolitycznych są determinowane przez właściwości elektrolitu, folii aluminiowej i papierowego separatora. Elektrolit składa się zwykle z rozcieńczalnika, np. glikolu etylenowego, kwasów i bazy organicznej oraz dodatków ograniczających wysychanie i stabilizujących jego właściwości.

Parametry elektrolitu określane są głównie przez przewodność elektryczną oraz potencjał przebicia. Oba te parametry są zależne od temperatury. Z kolei zmiana przewodności na skutek zmiany temperatury przekłada się na zmiany pojemności i innych parametrów elektrycznych kondensatorów.

Reakcje chemiczne, które zachodzą wewnątrz elektrolitu, także zależą od temperatury, dlatego ważne dla producenta kondensatorów jest panowanie nad tymi zależnościami i wiedza na temat ilościowych zależności między parametrami elektrolitu a gromadzeniem energii wewnątrz kondensatora.

Przewodność elektryczna elektrolitu oraz napięcie przebicia determinują parametry maksymalne kondensatora. Elektrolity o wysokiej przewodności wykorzystuje się w elementach o niskim napięciu znamionowym i odwrotnie.

Pomiary kondensatorów

Rys. 3. Panel pomiarowy

Badania nad nowymi rodzajami elektrolitu do kondensatorów wiążą się z koniecznością pomiarów wielu parametrów dotyczących zarówno parametrów fizykochemicznych elektrolitu, jak i elektrycznych kondensatora.

W szczególności są to:

• pomiar przewodności w zależności od temperatury. Jest to jeden z najważniejszych pomiarów.
• pomiar współczynnika pH w funkcji temperatury. Jest on realizowany podobnie jak pomiar przewodności, z tym że wykorzystywany jest inny czujnik. Pomiar pH jest bardzo istotny dla parametrów elektrolitu, ponieważ musi się on zawierać w określonym zakresie.
• pomiary pH przy stałej temperaturze jako funkcja koncentracji poszczególnych składników mieszaniny. Pomiar ten pozwala na ustalanie proporcji składników niezbędnej dla utrzymania właściwego pH.
• pomiar przewodności przy stałej temperaturze jako funkcji koncentracji poszczególnych składników mieszaniny.
• pomiar przewodności przy różnych temperaturach jako funkcji koncentracji poszczególnych składników mieszaniny.
• "wykrywanie iskier" pozwalające określić potencjał przebicia elektrolitu poprzez pomiar prądu płynącego przez dwa zaizolowane papierowym dielektykiem przewodniki zanurzone w elektrolicie
• pomiar rezystancji ESR kondensatora. Jest to jeden z ważniejszych parametrów tego elementu
• pomiar ciśnienia gazu wewnątrz obudowy kondensatora w różnych warunkach pracy.

Architektura systemu pomiarowego

Rys. 4. Przewodność w funkcji napięcia przebicia dla 85°C i różnych elektrolitów

Centralną częścią automatycznego systemu pomiarowego jest chassis PXI-1042 zawierające pięć modułów, takich jak sterownik PXI-8185 i moduł akwizycji danych PXI-6723, odpowiedzialne za sterowanie zasilaczami oraz PXI-8420 i PXI-GPIB odpowiedzialne za komunikację przez RS-232, RS485 i GPIB.

System pomiarowy tak zbudowany zapewnia dużą wydajność przy odpornej konstrukcji mechanicznej i niewielkich wymiarach. Wiele interfejsów komunikacyjnych pozwoliło też na łatwą integrację różnych typów przyrządów pomiarowych.

Oprogramowanie sterujące pracą systemu pomiarowego oparte zostało na LabVIEW. Wyniki pomiarów gromadzone są w bazie danych, która jest podstawą do zmian w chemii i parametrach produkcji. Pięć z sześciu pomiarów elektrolitu bazuje na tej samej architekturze systemu pomiarowego (rys. 2).

Rys. 5. Przewodność jako funkcja temperatury dla dwóch elektrolitów

Ciecz ta jest zgromadzona w naczyniu o podwójnych ściankach, a opływająca woda o temperaturze sterowanej termostatem utrzymuje pożądaną temperaturę w naczyniu z elektrolitem. Duża bezwładność cieplna takiego układu jest gwarancją precyzyjnej kontroli temperatury.

Oprogramowanie systemu ma charakter modułowy i realizuje 27 grup pomiarów, część z nich realizowana jest autonomicznie przez system, a od obsługi wymagane jest jedynie wybranie zakresu i ustalenie wartości początkowych. Dane z pomiarów zapisywane są w bazie danych i na bieżąco wizualizowane na wykresach i pokazywane w formie cyfrowej na wyświetlaczach. Algorytm dokonywania pomiarów pracuje w pętli.

Praca rozpoczynana jest od ustawienia docelowej wartości temperatury, potem po jej stabilizacji dokonywane są pomiary, a następnie program oblicza wartości przewodności i zapisuje ją w bazie danych oraz obrazuje na wykresach.

Wyniki

Rys. 6. Wyniki pomiaru ESR w funkcji częstotliwości

Na rysunku 4 pokazano obraz panelu systemu pomiarowego. Każdy punkt reprezentuje dokonany pomiar przewodności i napięcia przebicia uzyskany w 85°C. Pozawala to na szybką ocenę właściwości danej mieszanki i wybór konkretnych proporcji do odpowiednich zastosowań i dalszych badań.

Duża szybkość działania systemu pomiarowego i czytelne zobrazowania pozwalają także na obrazowanie zmian zachodzących w parametrach elektrolitu podczas nagrzewania. Na rysunku 5 pokazane zostały wyniki takich pomiarów, a każda kropka na wykresie odpowiada jednemu punktowi pomiarowemu dla danej temperatury.

Punkt ten powstaje na bazie uśrednienia 10 kolejnych pomiarów, po to, aby zminimalizować błędy. Przewodność zawierająca się pomiędzy 900 a 3000 μS/cm przy 30°C uważana jest za niską, a wartości powyżej 10000 μS/cm za wysokie.

Rys. 7. Zmiany przewodności elektrolitu w wyniku modyfikacji składu chemicznego

Zgodnie z pomiarami pokazanymi na rysunku 5 dla dwóch elektrolitów, ich wartość przewodności została zmierzona na poziomie 1500 μS/cm i 2300 μS/cm, wartości napięcia przebicia są dość wysokie, co wskazuje, że elektrolit ten może być wykorzystywany w kondensatorach o wysokim napięciu pracy.

Na rysunku 6 pokazano wyniki pomiarów rezystancji ESR w funkcji częstotliwości dla różnych temperatur. Niska wartość ESR jest pożądaną cechą dla wszystkich tych elementów, dlatego szczegółowe pomiary i eksperymenty z parametrami elektrolitu są bardzo ważne w pracach badawczo-rozwojowych.

Z kolei na rysunku 7 pokazano wyniki pomiarów przewodności dla kilku wartości temperatur w stanie ustalonym i po zmianie składu chemicznego, co pozwala oceniać na bieżąco wpływ zmian składu chemicznego i wyliczać dopuszczalne tolerancje składu.

Podsumowanie

Automatyczny system pomiarowy jest dużym ułatwieniem podczas prac badawczo-rozwojowych. Możliwość automatycznego przeprowadzania serii pomiarów i graficzna prezentacja wyników dają wielkie możliwości szybkiej oceny kierunku działań oraz wpływu zmian składu chemicznego elektrolitu na parametry.

System pomiarowy ma charakter otwarty i można go dalej rozbudowywać w kierunku większej dokładności, zdolności do wykrywania błędów oraz możliwości dokonywania serii pomiarów równolegle dla kilku próbek. Zapamiętane wyniki pomiarowe mogą być używane w przyszłych badaniach naukowych bez konieczności powtarzania pomiarów.

Dénes Fodor - Pannon University, Veszprém, Węgry
László Kovács - 2Electronic Parts and Components
National Instruments Poland Sp. z o.o.
www.poland.ni.com