Csökkentse az áramköri lap méretét és a piacra kerülési időt amerikai gyártású, nagy kapacitású, ultravékony kondenzátorokkal

A hardvertervező mérnökök mindig keresik a lehetőségeket az alkatrészek költségének, méretének és súlyának csökkentésére, úgy, hogy azok eközben teljesítsék vagy meghaladják a hatásfokra és megbízhatóságra vonatkozó alkatrész- és rendszercélokat. Az optimalizálás szempontjából az egyik leggyakoribb és legkritikusabb alkatrészek a nyomtatott áramköri lapra szerelt kondenzátorok, mivel ezek elterjedten és széles körben használatosak. A kondenzátor kiválasztásakor a megbízhatóságot is figyelembe kell venni, mert a kondenzátorok idővel hajlamosak a szivárgásra és a kapacitás csökkenésére, ha szélsőséges hőmérsékletnek vannak kitéve. Ez a csökkent kapacitás időnként jelentkező áramköri hibákat eredményezhet, ami veszélyezteti a rendszer hatékonyságát és megbízhatóságát.

Miközben a kondenzátorgyártók folyamatosan fejlesztik a konstrukciókat, hogy növeljék az energiasűrűséget és a megbízhatóságot, és csökkentsék az alkatrészek tömegét, előfordulhat, hogy az ellátási lánc problémáiból adódó hosszú átfutási idők miatt nem áll rendelkezésre az adott felhasználási területhez optimális alkatrész.

Ez a cikk a szűrő- és tárolókondenzátorok szerepét tárgyalja. Megmutatja, hogy egyetlen kondenzátor hogyan helyettesíthet másfajta kondenzátorokat, például felületszerelt kondenzátorok tömbjét, aminek következtében kevesebb alkatrészre van szükség az áramköri lapon, és kevesebb áramköri összeköttetés szükséges, ami javítja az áramkör általános megbízhatóságát. A cikkben bemutatjuk a Cornell Dubilier Electronics nagy megbízhatóságú alumínium elektrolitkondenzátorait, amelyek kettős előnye a vékony kialakítás és a nagyon nagy energiasűrűség. Mivel a kondenzátorokat az Amerikai Egyesült Államokban gyártják, és gyorsan szállíthatóak az észak-amerikai gyártóüzemekbe, ezért ezek a kondenzátorok rövidebb átfutási időket eredményezhetnek.

A nyomtatott áramköri lapra szerelt kondenzátorok megbízhatósága

Az elektrolitkondenzátorok élettartamát a belső szerkezetük elektrokémiai öregedésének időbeli mértéke határozza meg. Mivel ez az öregedés jellegzetes üzemi körülmények között előre kiszámítható, a gyártó könnyen kiszámíthatja a kondenzátor élettartamát. A kondenzátor megbízhatósága azt mutatja, hogy a kondenzátor tényleges élettartama mennyire egyezik meg a várható élettartammal konstrukciós eltérések esetén, vagy ha az alkatrész szélsőséges körülményeknek van kitéve.

Bár a nagy és a kis kondenzátorok elhasználódási élettartama nagyjából azonos, a kisebb kondenzátorok megbízhatóbbak, mivel az anód- és katódfelületek között kisebb a távolság. Minél nagyobb kapacitású a kondenzátor, annál inkább számít a kiválasztásánál a megbízhatóság, valamint a rendelkezésre állás. E cikk írásakor gondok vannak az elektronikai alkatrészek ellátási láncával, beleértve számos nemzetközi szállítmány késését is. Emiatt a rendelkezésre állás és az átfutási idő kritikus szemponttá vált az elektronikai alkatrészek kiválasztásakor.

A kondenzátorokra nem vonatkozik a sok félvezetőre jellemző méretoptimalizálás, mivel a kondenzátor fizikai mérete nem csökkenthető kisebb gyártási méretre zsugorítással. A kondenzátorok tervezésének fizikájából adódóan minél nagyobb a kondenzátor kapacitása faradban (F), annál nagyobb az anód és a katód közötti távolság, ezért nagyobb a kondenzátor fizikai mérete. A függőlegesen szerelt kondenzátorok, más néven V-chipek, népszerű tokozási megoldást kínálnak az áramköri lapon való helytakarékossághoz annak árán, hogy nagyobb lesz a szerelt áramköri lap magassága, és kisebbek lesznek az alkatrészek közti távolságok, ami hatással lehet arra, hogy milyen tokozású egymáshoz közeli alkatrészeket kell választani.

A nagy alumínium elektrolitkondenzátorok beépítési helyzete szintén befolyásolhatja a megbízhatóságot. A nagyméretű kondenzátorok felmelegedhetnek, és bizonyos körülmények között légáramlást vagy akár hűtőbordát is igényelhetnek. A használt egyenfeszültség, a búgóáram és a szélsőséges környezeti hőmérsékletek mind rövidítik a kondenzátor élettartamát a paraméterelvándorlás miatt. Általában a kondenzátor egyenértékű soros ellenállása (ESR) az első paraméter, amely elkezd eltérni az adatlapon szereplő értéktől. Az egyenértékű soros ellenállás növekedésével a kondenzátor fokozatosan melegszik. Véglegesen akkor hibásodik meg, amikor már olyan meleg, hogy a belső szerkezete szétesik, és ténylegesen rövidre zárja az anódot és a katódot. Nagyon ritka esetekben a hő kiszárítja a kondenzátort, és ez az áramkör szakadását idézi elő.

A kondenzátorok öregedése először véletlenszerű hibák formájában jelentkezhet a rendszerben, ami gyorsan rendszerhibává válik, amikor a kondenzátor zárlatos lesz. Ez a probléma felerősödik a több sorosan vagy párhuzamosan egymáshoz kapcsolt kondenzátor alkotta tömbök esetében. Ha egy kondenzátor meghibásodik, az egész kondenzátortömb meghibásodik. A kondenzátortömbök csökkentik a rendszer megbízhatóságát, mivel a tömb meghibásodási aránya egyenlő egy kondenzátor meghibásodási aránya szorozva a tömböt alkotó kondenzátorok számával. Emiatt a nagy megbízhatóságú konstrukciókban nem javasolt egyetlen nagy kondenzátor helyett kondenzátortömböt használni.

Nagy megbízhatóságú, nagy energiasűrűségű kondenzátorok

A helyszűkében lévő, nagy megbízhatóságú eszközökhöz a Cornell Dubilier a THA és a THAS Thinpack alumínium elektrolitkondenzátorokat kínálja. A nagyon nagy energiasűrűségű, vékony, lapos tokozású kondenzátorok lézerhegesztett tokban vannak, amely a szivárgás megakadályozása érdekében körülveszi az elektrolitkondenzátort. Ez a lézerhegesztés kiküszöböli az elektrolitkondenzátorok végének lezárására elterjedten használt nagyméretű végzáró tömítések szükségességét. A tokban elhelyezett szelep lehetővé teszi a gázok kiszellőztetését, csökkentve a belső nyomást és ezáltal a kondenzátor megduzzadását. A THA termékcsalád 8,2 mm, a THAS termékcsalád pedig 9 mm vastag. A THA és a THAS kondenzátorok kialakítása 5000 órás üzemidőt biztosít 85 °C-on, illetve 105 °C-on (értelemszerűen). A kondenzátorok energiasűrűsége 0,9 J/cm³.

A tervezők számos szűrési és motorvezérlési megoldáshoz használhatják a THAS131M450AD0C jelű, THAS sorozatú, 130 µF kapacitású kondenzátort (1. ábra). A kondenzátor 66,5 mm hosszú, és mindössze 25,4 mm széles. Amint említettük, a THAS sorozatú kondenzátorok mindössze 9 mm vastagok, így ültetve nagyon alacsony profilú nyomtatott áramköri lap kialakítását teszik lehetővé. A 450 V-os feszültségre méretezett sorozat alkalmas motorvezérlő megoldásokhoz és kisméretű tápegységekhez. Mivel a sorozat tagjai ennyire vékonyak, használhatók hordozható számítógépekhez és azokhoz hasonló alacsony profilú elektronikai elrendezésekhez is, ahol erősen korlátozott az alkatrészek fölötti terület. A kondenzátor a hasonló kondenzátorokhoz képest helytakarékos módon függőlegesen is felszerelhető a nyomtatott áramköri lapra.

1. ábra: A THAS131M450AD0C 130 µF-os kondenzátor 450 V-os névleges feszültségű, és mindössze 9 mm vastag, így alkalmas motorvezérléshez és alacsony profilú nyomtatott áramköri elrendezésekhez is (kép: Cornell Dubilier)

A 130 µF-os THAS131M450AD0C kisebb kondenzátorok alkotta tömbök helyettesítésére is használható a megbízhatóság javítása érdekében. A THAS131M450AD0C egyenértékű soros ellenállása 25 °C-on és 120 Hz frekvencián 1,12 Ω, ami 20 kHz frekvencián 0,54 Ω-ra csökken. Kis egyenértékű soros ellenállása alkalmassá teszi a kapcsolóüzemű tápegységekben való használatra, ahol minimálisra kell csökkenteni a hőtermelést. A 85° C-on a névlegesen kezelt búgóárama 1,36 A, ami a tápegységek esetében szintén lényeges.

A Cornell Dubilier THAS termékcsalád részét alkotó THAS131M450AD0C kondenzátor rozsdamentes acélból készült tokot kapott a nagyobb tartósság érdekében. A lábai 20 AWG (0,8 mm) méretűek, ami a legtöbb furatszerelt nyomtatott áramköri laphoz megfelelő.

Olyan felhasználási területeken, ahol rövid ideig tárolni kell a feszültséget, a tervezők használhatják a THAS322M050AD0C jelű, THAS sorozatú, 3200 µF, 50 V névleges értékű kondenzátort. Ennek hossza szintén 66,5 mm, vastagsága 9 mm, és rozsdamentes acélból készült tokja van. Az egyenértékű soros ellenállása 120 Hz-en 0,05 Ω, ami 20 kHz-en enyhén 0,04 Ω-ra csökken. 20 kHz-en 3,48 A, 20 Hz-en pedig 2,90 A búgóáramot képes kezelni. Ezzel a kis egyenértékű soros ellenállással és nagy áramerősséggel alkalmas 50 V-os szuperkondenzátorként való használatra kis áramkörök ideiglenes áramellátására, ha a fő áramforrás nem áll rendelkezésre.

Mint minden Cornell Dubilier THAS kondenzátor, a THAS322M050AD0C is el van látva egy szellőzőnyílással a tetején, amely jól látható a 2. ábrán. A szellőzőnyílás lehetővé teszi, hogy a kondenzátorból a normál működés részeként gáz távozzon, bár magas hőmérsékleten a gázképződés fokozódhat. A kilépő gáz hidrogén és hulladékgázok keveréke.

2. ábra: A THAS322M050AD0C kondenzátor tetején látható szellőzőnyílás lehetővé teszi, hogy a normál működés során keletkező belső gázok biztonságosan távozzanak (kép: Cornell Dubilier)

A belső gázok kiszellőztetése fontos, különösen a nagy kapacitású kondenzátorok esetében. A hidrogén és más gázok felhalmozódhatnak az acélburkolaton belül, és túlnyomás alakulhat ki, ami meghibásodáshoz vezethet. Ha a kondenzátornak nincs megfelelő szellőzése, a belső gázok olyan mértékben felgyűlhetnek, hogy az elektrolit kiszivároghat a nyomtatott áramköri lapra, és rövidre zárhat más elektronikai alkatrészeket, vagy bizonyos esetekben a kondenzátor akár fel is robbanhat. A nyomtatott áramköri lap elrendezésekor vegye figyelembe azt is, hogy a kondenzátor szellőzőnyílása ne legyen eltakarva.

A nagyobb kapacitás elérése érdekében a Cornell Dubilier kifejlesztette a THA sorozatot. A THA Thinpack kondenzátorok alumíniumtokkal vannak ellátva, és 8,2 mm-es vastagságukkal valamivel vékonyabbak, mint a THAS sorozat. A THA sorozatra egy példa a 4400 µF, 50 V névleges értékű THA442M035AC0C. Ennek hossza 53,8 mm, és a hasonló kondenzátorokhoz képest nagyon nagy energiasűrűséget kínál. Az egyenértékű soros ellenállása 120 Hz-en 0,07 Ω, míg 20 kHz-en 0,06 Ω, így alkalmas arra, hogy rövid áramszünetek idején ideiglenes áramforrásként szolgáljon kisméretű elektronikai eszközök számára. Egy 4400 µF-os kondenzátor nagyon fel is tud melegedni, ezért fontos a megfelelő légáramlást biztosítása, hogy a kondenzátor az ajánlott –55 °C és +85 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartományon belül maradjon. A nagy kapacitású kondenzátorok esetében még fontosabb, hogy a szellőzőnyílás ne legyen eltakarva. Az is ajánlott, hogy a szellőzőnyílás ne mutasson gyúlékony objektumok felé, mert a hidrogéngáz robbanásveszélyes.

Összegzés

A kondenzátorok az elektronikus rendszerek kritikus fontosságú alkatrészei. A nagy megbízhatóság, a nagy energiasűrűség és az alacsony profil kombinálásával a tervezők csökkenthetik az elektronikai rendszerek méretét, és javíthatják azok élettartamát. Az Amerikai Egyesült Államokban gyártott egyetlen nagy energiasűrűségű elektrolitkondenzátorral elkerülhető a hosszú átfutási idő, és helyettesíthetők a kondenzátortömbök, hogy kisebb legyen a nyomtatott áramköri lapon elfoglalt hely.

Források

1. THA and THAS Thinpack Aluminum Electrolytic Capacitors training module (A THA és a THAS Thinpack alumínium elektrolitkondenzátorok oktatómodulja)