Kondensatory elektrolityczne polimerowe i hybrydowe - właściwości i zastosowania

Rys. 1. Budowa warstwowego kondensatora polimerowego

Właściwości elektrolitu zastosowanego w kondensatorach wpływają na wiele parametrów elektrycznych tego elementu, a także na stabilność, niezawodność, bezpieczeństwo oraz koszt. Dobranie najlepszego w danym zastosowaniu typu kondensatora staje się coraz trudniejsze wraz z szybko poszerzającą się ofertą i nowymi rodzinami wchodzącymi na rynek. Warto więc znać różnice, podstawowe charakterystyki i ograniczenia po to, aby świadomie wybierać je do projektowanych aplikacji.

Kondensatory polimerowe

Rys. 2. Szczegóły budowy zawijanego kondensatora polimerowego

Dostępne na rynku kondensatory polimerowe można ogólnie podzielić na cztery główne kategorie determinujące ich zakres aplikacyjny oraz wielkość i rodzaj obudowy:

• warstwowe polimerowe kondensatory aluminiowe, czyli takie, które wykorzystują przewodzący polimer stały jako elektrolit i mają aluminiową katodę (rys. 1). Elementy te pracują w zakresie napięć znamionowych od 2 do 35 V i mają pojemności od 2,2 do 560 µF. Ich cechą charakterystyczną jest bardzo niska wartość zastępczej szeregowej rezystancji ESR, która sięga pojedynczych miliomów (3 mΩ dla serii SP-Cap). Kondensatory są zamykane w płaskich obudowach plastikowych SMD i wyróżniają się małą wysokością, dzięki czemu są przeznaczone do urządzeń przenośnych oraz mogą być umieszczane pod innymi większymi komponentami na płytce, np. złączami, radiatorami.
• zawijane polimerowe kondensatory polimerowe - wykorzystują taki sam stały polimer jako elektrolit i elektrody aluminiowe, ale tutaj ich elektrody są zwijane w rulon (rys. 2). Mają większe napięcie znamionowe (od 2,5 do 100 V) i pojemności (od 3,3 do 2700 µF) w porównaniu z poprzednikami. Podobnie jak wersje warstwowe zapewniają niską rezystancję ESR (5 mΩ dla serii OS-CON) i są montowane w obudowach SMD. Niemniej w porównaniu z poprzednikami mają one relatywnie dużą wysokość.
• kondensatory polimerowe tantalowe - zawierają stały elektrolit polimerowy i mają katodę wykonaną z tlenku tantalu (rys. 3). Są dostępne dla napięć z zakresu 2-35 V i w pojemnościach 3,9-1500 µF. Charakteryzują się niewielką wartością ESR już od 5 mΩ dla POSCAP i są zamykane w małych plastikowych obudowach SMD o wielkości zaczynającej się już od 2×1,25 mm.
• polimerowe kondensatory aluminiowe hybrydowe - bazują na elektrolicie w postaci polimeru stałego i ciekłego oraz mają aluminiową katodę. Łączą w jednym elemencie cechy charakterystyczne dla kondensatorów ze stałym elektrolitem (niskie ESR) i elektrolitem ciekłym (tj. wysokie napięcie pracy, duże pojemności znamionowe). Ich napięcie znamionowe waha się od 25 do 80 V a pojemności od 10 do 330 µF. Wartość ESR zawiera się między 20 a 120 mΩ w zależności od wykonania, jest to wyraźnie więcej niż dla poprzednio wymienionych typów, ale nadal niewiele. Takie właściwości mają elementy z serii ZC i VZA firmy Panasonic.

Zalety kondensatorów polimerowych

Rys. 3. Przekrój kondensatora tantalowego

Niska wartość zastępczej rezystancji szeregowej tych elementów powoduje, że świetnie nadają się one do filtrowania tętnień prądu zasilania, zwłaszcza dla częstotliwości zbliżonych do częstotliwości rezonansowej tego elementu (ESL×C). Dzięki temu w stosunku do zwykłych kondensatorów aluminiowych są one w stanie pięciokrotnie ograniczyć amplitudę tętnień napięcia zasilającego.

Drugą zaletą jest duża stałość pojemności w czasie i brak zmian tego parametru przy zmianach napięcia przyłożonego do kondensatora lub wraz ze zmianami temperatury, jak jest w kondensatorach ceramicznych zwykłych i wielowarstwowych typu MLCC. Ta stabilność jest istotna zwłaszcza w aplikacjach profesjonalnych, jak chociażby w motoryzacji, gdzie występują duże wahania temperatury.

Rys. 4. Mechanizm naprawy konstrukcji kondensatora po przeciążeniu

Kondensatory polimerowe są w stanie zapewnić niezmienną pojemność przy wysokich częstotliwościach i niskich temperaturach, a więc w obszarach, gdzie zwykłe kondensatory elektrolityczne aluminiowe sobie kompletnie nie radzą. Ważne jest też duże bezpieczeństwo tych elementów, bowiem tradycyjne wersje w niesprzyjających okolicznościach mogą powodować zwarcia lub nawet eksplodować.

Rys. 5. Kondensatory hybrydowe a zwykłe aluminiowe - porównanie: u góry pojemność w funkcji częstotliwości, u dołu ERS w funkcji temperatury

Narażenia mechaniczne i przeciążenie elektryczne poza wartości znamionowe powoduje defekty w warstwie tlenku izolacyjnego, nagrzewanie na skutek pojawienia się prądu upływu i awarie. Kondensatory polimerowe mają zdolność do autonaprawiania takich defektów (rys. 4). Defekt w warstwie izolacyjnej powoduje powstanie mikrozwarcia.

Wydzielające się ciepło po krótkiej chwili powoduje odparowanie polimeru na małym obszarze i izolację tego uszkodzonego miejsca od reszty. W przypadku wersji hybrydowych następuje jeszcze dodatkowo naprawa uszkodzenia, gdyż ciekły elektrolit jest w stanie wpłynąć do takiego miejsca i utlenić uszkodzoną elektrodę, przywracając jej funkcję okładki kondensatora na całej powierzchni.

Tradycyjne kondensatory tantalowe wymagają, aby napięcie ich pracy wynosiło średnio 30-50% napięcia znamionowego, w przypadku kondensatorów polimerowych dzięki zdolności do naprawiania mikrouszkodzeń mogą one pracować bezpiecznie przy 90% napięcia znamionowego. Przykładowy kondensator polimerowy SP-Cap zniósł w testach 7 A prąd zwarcia, tymczasem równoważny kondensator tantalowy dymił już przy 3 A, a przy 5 A wybuchnął.

Kondensatory hybrydowe

Pojawienie się na rynku kondensatorów hybrydowych to pośredni skutek tego, że współczesne urządzenia elektroniczne pracują przy coraz większych częstotliwościach. Są coraz częściej spotykane w sprzęcie komputerowym, komponentach automatyki i oświetleniu ledowym.

Rys. 6. Przykładowe kondensatory zwijane OS-CON

Rys. 7. Kondensatory warstwowe polimerowe

Rosnąca popularność tych elementów to efekt tego, że zapewniają one dużą stabilność i bezpieczeństwo działania. Warto ponadto zauważyć, że są to elementy o kompaktowych rozmiarach, co powoduje, że nie dominują one nad wieloma innymi komponentami na płytce drukowanej. Wersje przeznaczone do montażu SMT o pojemności 47 µF i napięciu znamionowym 35 V mierzą jedynie 6,3×5,8 mm.

W aplikacjach zasilanych napięciem 48 V (telekomunikacja, sprzęt sieciowy) kondensatory hybrydowe zajmują średnio o 13 procent mniej miejsca płytce. Mają jednocześnie większą odporność na narażenia środowiskowe i przeciążenia elektryczne poza zakresem znamionowym. Kondensatory hybrydowe mają też większą odporność na szybkie zmiany prądu związane z rozruchem urządzeń, silnymi tętnieniami, które nie nagrzewają tych elementów i nie degradują ich parametrów.

Rys. 8. Kondensatory hybrydowe

To samo dotyczy zdolności do pracy w podwyższonej temperaturze i bardzo niskiej - nawet -55°C, gdzie nadal zapewniają stabilną wartość ESR. W efekcie w układzie może być ich mniej, przez co całkowity zysk z ich wykorzystania w porównaniu z wersją zwykłą sięga nawet 50% po stronie kosztów.

Farnell element14
www.farnell.com/pl