Полимерные и гибридные конденсаторы: конструкции, характеристики, приложения
Конденсаторы, построенные на основе проводящих полимеров, характеризуются отличными электрическими характеристиками и высокой надежностью. Гибридная технология сочетает в себе преимущества электролитических и полимерных конденсаторов. В данной статье рассматриваются основные вопросы, касающиеся полимерных и гибридных конденсаторов.
С первого взгляда конденсаторы кажутся достаточно простыми электронными компонентами, но подобрать оптимальный конденсатор с каждым годом становится все сложнее. Дело в том, что за последние несколько лет разнообразие присутствующих на рынке компонентов значительно расширилось. В значительной степени это стало следствием развития полимерных конденсаторов (рис. 1).
Рис. 1. Разнообразие конденсаторов значительно увеличилось, в том числе благодаря развитию полимерных конденсаторов
В полимерных конденсаторах проводящий слой полимера выступает в качестве электролита.
- по электрическим параметрам;
- по уровню стабильности;
- по долговечности;
- по надежности;
- по безопасности;
- по стоимость жизненного цикла.
Различные полимерные и гибридные конденсаторы оказываются весьма близки по уровню напряжений, частотным характеристикам, рабочим параметрам окружающей среды и другим требованиям эксплуатации. В данной статье даются рекомендации по выбору оптимального конденсатора. В ней также рассматриваются конкретные приложения, в которых полимерные или гибридные конденсаторы будут более оптимальным выбором по сравнению с традиционными электролитическими или даже керамическими конденсаторами.
Конструктивные исполнения полимерных конденсаторов
Полимерные конденсаторы имеют четыре конструктивных исполнения с учетом гибридного варианта. Между собой они отличаются типом корпуса, материалами электролита и электродов.Многослойные полимерные алюминиевые конденсаторы используют проводящий полимер в качестве электролита и имеют алюминиевый катод (рис. 2). Эти конденсаторы перекрывают диапазон рабочих напряжений 2…35 В и характеризуются емкостью 2,2…560 мкФ. Отличительной чертой данного типа полимерных конденсаторов является их чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Например, некоторые из полимерных конденсаторов SP-Cap™ от Panasonic имеют значения ESR от 3 мОм, что является одним из самых низких значений в отрасли. Конденсаторы SP-Cap покрыты защитным слоем компаунда и предназначены для поверхностного монтажа. Благодаря хорошим электрическим характеристикам и компактному размеру они находят свое применение в различных портативных электронных устройствах и в других приложениях, требующих низкопрофильных компонентов, которые не будут мешать установке радиаторов.
Рис. 2. Конструкция многослойного полимерного конденсатора
Выводные полимерные алюминиевые конденсаторы также используют алюминиевые обкладки и проводящий полимер в качестве электролита, но имеют рулонную конструкцию (рис. 3).
Рис. 3. Конструкция выводного полимерного конденсатора
По сравнению с другими типами полимерных конденсаторов конденсаторы с рулонной конструкцией перекрывают более широкий диапазон рабочих напряжений и емкостей. Для них диапазон напряжений составляет 2,5…100 В, а диапазон емкостей 3,3…2700 мкФ. Как и рассмотренные выше многослойные полимерные конденсаторы, рулонные конденсаторы характеризуются чрезвычайно низкими значениями ESR. Некоторые из конденсаторов OS-CON™ от Panasonic имеют значения ESR мене 5 мОм (рис. 4). Существуют рулонные конденсаторы для поверхностного монтажа, хотя они все равно являются не столь компактными, как многослойные полимерные конденсаторы.
Рис. 4. Внешний вид конденсаторов OS-CON™ от Panasonic
Полимерные танталовые конденсаторы используют проводящий полимер в качестве электролита, а катод у них изготовлен из тантала (рис. 5).
Рис. 5. Конструкция полимерного танталового конденсатора
Полимерные танталовые конденсаторы охватывают диапазон рабочих напряжений 2…35 В и диапазон емкостей 3,9…1500 мкФ. Они также характеризуются низким значением ESR. Например, у некоторых моделей конденсаторов POSCAP™ от Panasonic значения ESR начинаются от 5 мОм (рис. 6). Конденсаторы POSCAP предназначены для поверхностного монтажа и являются самыми компактными на рынке. Например, размер POSCAP M составляет всего 2,0 x 1,25 мм. Существуют также и другие варианты типоразмеров.
Рис. 6. Внешний вид конденсаторов POSCAP™ от Panasonic
Полимерные гибридные алюминиевые конденсаторы. Как следует из их названия, эти конденсаторы используют комбинацию жидкого и твердого электролита (проводящего полимера) и алюминий в качестве катода (рис. 7). Такая конструкция заимствует лучшие качества у различных типов конденсаторов. В частности полимер обеспечивает низкое значение ESR. В то же время, жидкая часть электролита может выдерживать высокие напряжения и гарантирует повышенную удельную емкость благодаря большой эффективной площади электродов. Гибридные конденсаторы характеризуются диапазоном рабочих напряжений 25…80 В и емкостью 10…330 мкФ. ESR у гибридных конденсаторов составляет 20…120 мОм, что выше, чему других полимерных конденсаторов, однако такой результат можно считать отличным, учитывая, что их используют в мощных приложениях.
Рис. 7. Конструкция гибридного полимерного алюминиевого конденсатора
Преимущества полимерных конденсаторов
Несмотря на различия в конструктивном исполнении и перечне используемых материалов, все рассмотренные выше типы полимерных конденсаторов имеют целый ряд общих важных достоинств:
Чтобы подтвердить самовосстанавливающуюся природу полимерных и гибридных конденсаторов, было проведено множество испытаний.
Рассмотрим отдельно преимущества гибридных полимерных конденсаторов.
Преимущества гибридных полимерных конденсаторов
Рабочие частоты современных электронных устройств постоянно увеличиваются, а их габариты наоборот уменьшаются.
Это делает гибридные конденсаторы все более привлекательными для самых разнообразных приложений.Как уже было сказано выше, гибридные конденсаторы характеризуются отличной стабильностью параметров при работе на повышенных частотах. Они также обладают и целым рядом других преимуществ, которые делают их оптимальным выбором для таких приложений как компьютерные серверы, устройства резервного копирования, а также приводы электродвигателей, блоки управления автомобильным двигателем, камеры безопасности и светодиодное освещение.
Среди достоинств гибридных конденсаторов следует выделить:
Компактность и надежность гибридных конденсаторов совместно обеспечивают значительную экономическую выгоду, несмотря на высокую стоимость этих компонентов. Например, способность выдерживать значительные импульсные токи приводит к увеличению срока службы и снижению общей стоимости на 20%. В рассмотренном выше примере с блоком питания 48 В, стоимость гибридных конденсаторов составила только 50% от стоимости алюминиевых электролитов.
Теперь, когда проанализированы основные достоинства полимерных и гибридных конденсаторов, рассмотрим основные области их применения.
Полимерные и гибридные конденсаторы для IT-инфраструктуры
Слабым звеном в оборудовании для IT-сферы являются конденсаторы, используемые в источниках питания. Наиболее распространенной причиной преждевременного отказа электролитических конденсаторов становится высыхание жидкого электролита, что является следствием длительной работы в условиях повышенной температуры. Обычные танталовые конденсаторы являются одним из возможных решений этой проблемы. Однако, как было сказано выше, танталы оказываются весьма чувствительными к перенапряжениям. По этой причине, чтобы защититься от потенциального возгорания, разработчикам приходится использовать танталы при напряжениях меньше номинального.
Другим решением проблемы высыхания электролита становятся современные полимерные конденсаторы, которые позволяют увеличить жизненный цикл и надежность IT-оборудования, такого как серверы, коммутаторы, маршрутизаторы и модемы.
Полимерные конденсаторы с рулонной конструкцией, в частности OS-CON, не имеют жидкого электролита и поэтому имеют чрезвычайно долгий срок службы. Танталовые полимерные конденсаторы, например POSCAP, не содержат кислорода. Поэтому они не склонны к возгоранию при пробое. Конденсаторы SP-Cap имеют аналогичное «безопасное» поведение при отказе.
Все три семейства полимерных конденсаторов также обладают и другими важными достоинствами, востребованными в данном сегменте электронного оборудования:
- компактные размеры;
- низкое сопротивление ESR;
- способность выдерживать значительные импульсные токи;
- значительный срок службы.
Полимерные и гибридные конденсаторы для автомобильных приложений
Полимерные конденсаторы все чаще используются в автомобильной электронике. В частности полимерные и гибридные конденсаторы от Panasonic отвечают следующим требованиям:
- Семейства POSCAP, OS-CON, а также гибридные полимерные конденсаторы соответствуют стандартам AEC.
- Конденсаторы производятся на сертифицированном предприятии.
- При производстве используется Production Part Approval Process (PPAP).
Полимерные и гибридные конденсаторы для промышленных приложений
Количество электронных устройств, используемых в промышленности, постоянно растет. Это приводит к необходимости повышения надежности, в том числе и конденсаторов. Задача усложняется тем фактом, что промышленные условия эксплуатации зачастую оказываются достаточно агрессивными.
Полимерные и гибридные конденсаторы идеально подходят для промышленных приложений, поскольку они обладают целым рядом важных достоинств:
- Длительный срок службы. Это преимущество особенно важно для промышленных установок со значительным сроком эксплуатации.
- Способность выдерживать значительные импульсные токи. Высокие импульсные токи являются следствием работы электродвигателей и емкостной нагрузки.
- Высокая рабочая температура. В промышленности оборудование зачастую эксплуатируется при повышенных температурах.
- Высокие рабочие напряжения.
- Высокая удельная емкость.
В качестве конкретных промышленных приложений для полимерных и гибридных конденсаторов можно привести приводы электродвигателей, силовые инверторы и промышленное освещение. Полимерные конденсаторы, например, POSCAP и SP-Cap могут применяться в системах управления и промышленных контроллерах, благодаря отличным электрическим характеристикам и компактным габаритам.
Заключение
Полимерные конденсаторы выпускаются с 1990 года. При этом они продолжают развиваться, как с точки зрения электрических характеристик, так и с точки зрения уменьшения габаритов. В качестве примера можно рассмотреть линейку многослойных алюминиевых полимерных конденсаторов от Panasonic. Новые модели будут обладать еще меньшим последовательным сопротивлением (от 2 мОм) и еще большей емкостью (до 680 мкФ).
Новые танталовые полимерные конденсаторы также демонстрируют снижение ESR и уменьшение габаритов. Например, от конденсаторов типоразмера B с габаритами 3,5×2,8 мм следует ожидать падения ESR с 9 до 6 мОм.
Линейки гибридных конденсаторов также развиваются. Например, Panasonic предлагает новые модели с напряжениями 16 В и 100 В. Кроме того, срок службы и устойчивость к броскам тока для них будут увеличены.
Эти постоянные технические усовершенствования делают полимерные и гибридные конденсаторы все более привлекательной альтернативой традиционным танталовым конденсаторам и многослойным керамическим конденсаторам (MLCC).
Автор: Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)
Производители: Panasonic
Разделы: Конденсаторы электролитические танталовые, Конденсаторы электролитические алюминиевые
Опубликовано: 06. 11.2018
Твердотельный конденсатор | это… Что такое Твердотельный конденсатор?
Твердотельный конденсатор — электролитический конденсатор, в котором вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер (например поли-3,4-этилендиокситиофен, англ. PEDT) или полимеризованный органический полупроводник (например комплексная соль тетрацианхинодиметана, англ. TCNQ). Также используются названия OS-CON (торговая марка Sanyo), AO-CAPS (англ. Aluminum Organic Polymer Capacitors), OC-CON (англ. Organic Conductive Polymer Aluminum Electrolytic Capacitor), FPCAP (англ. Functional Polymer Capacitors).
Содержание
|
Отличия от конденсаторов с жидким электролитом
- Значительно больший срок службы 50000 часов рассчитывается на температуру 85°C
- Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) меньше по величине по сравнению с сопротивлением жидко-электролитического конденсатора и слабо зависит от температуры. Поэтому необходима меньшая ёмкость для использования твердотельного конденсатора в качестве шунтирующего (по переменной составляющей). Тем не менее не все модели имеют ЭПС меньшее чем у аналогичных жидко-электролитических[1].
- Рабочие напряжения до 35 Вольт.
- Более высокая цена
Конструкция
- Катод — алюминиевая или танталовая фольга.
- Прокладка, пропитанная электролитом.
- Анод — алюминиевая или танталовая фольга с оксидным слоем.
Лента свёртывается в рулон и упаковывается в корпус (с выводами или для поверхностного монтажа). Твердотельные конденсаторы не имеют клапана или насечки на корпусе, так как твёрдый электролит не способен вскипеть и вызвать взрыв корпуса.
История
Полимерные конденсаторы не новая технология. Конденсаторы Sanyo OS-CON запущены в производство в 1983[1] г. Первоначально они применялись в серверах/рабочих станциях, потом в мощных видеокартах, и в 2007 многие high-end потребительские материнские платы полностью перешли на полимерные конденсаторы[1].
Перспективы использования
Ухудшение характеристик электролитических конденсаторов связано, прежде всего, с высыханием электролита. Поэтому срок службы устройств с такими конденсаторами ограничен. Кроме того, жидкий электролит может закипеть при неправильном использовании и при высоких температурах, что приводит к разрыву корпуса конденсатора. Твердотельные конденсаторы имеют более стабильные характеристики, которые в меньшей степени зависят от условий эксплуатации и возраста самого конденсатора. Использование твердотельных конденсаторов позволяет значительно увеличить время работы электронных устройств и стабильность их параметров.
См. также
- Электрический конденсатор
- Электролит
Примечания
- ↑ 1 2 3 Capacitor Lab — Types of Capacitors — Polymer Capacitors (англ. )
Ссылки
- Конденсаторы Sanyo OS-CON (англ.)
- Рисунок конструкции (англ.)
| |||||||||||||||||||||||
Одной из наиболее примечательных особенностей материнских плат GIGABYTE Ultra Durable является то, что каждый используемый конденсатор представляет собой новейший алюминиевый твердотельный конденсатор из проводящего полимера от ведущих мировых производителей. Визуально легко увидеть разницу. Материнская плата слева была разработана с использованием твердотельных конденсаторов, а материнская плата справа использует более распространенные и менее дорогие электролитические конденсаторы. | |||||||||||||||||||||||
Твердотельный конденсатор | Электролитический конденсатор | ||||||||||||||||||||||
Твердотельные конденсаторы и электролитические конденсаторы накапливают электричество и разряжают его, когда это необходимо. Разница, однако, заключается в том, что твердые конденсаторы содержат твердый органический полимер, а электролитические конденсаторы используют обычный жидкий электролит, следовательно, термины твердый конденсатор по сравнению с электролитическими конденсаторами. Итак, как это на самом деле влияет на производительность конденсатора? | |||||||||||||||||||||||
Срок службы в шесть раз больше | |||||||||||||||||||||||
Средний срок службы сплошных колпачков. по сравнению с электролитическими крышками | |||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||
Высокая устойчивость к высоким частотам и температурам Во-первых, давайте попробуем понять более высокую устойчивость к высоким частотам. Чтобы сделать это, мы должны сначала немного понять об импедансе. Импеданс является мерой общего сопротивления цепи току и измеряется в омах (Ом). Лучше сформулировать это так: импеданс — это то, насколько цепь (в данном случае конденсатор) препятствует протеканию тока. Чем меньше затруднен ток, тем лучше. Меньший импеданс также означает меньшее выделение тепла. | |||||||||||||||||||||||
На приведенной выше диаграмме показано, что твердотельные конденсаторы способны обеспечить значительно более низкий импеданс на более высоких частотах. Поскольку на более высоких частотах импеданс меньше, твердотельные конденсаторы более стабильны и выделяют меньше тепла, чем электролитические конденсаторы. Твердотельные конденсаторытакже обеспечивают более стабильную емкость и менее подвержены влиянию изменений температуры. Как показано на диаграмме ниже, даже при экстремальных температурах твердотельные конденсаторы имеют относительно стабильную емкость, особенно по сравнению с электролитическими конденсаторами. | |||||||||||||||||||||||
Способные выдерживать более высокие частоты и более высокие температуры, твердотельные конденсаторы не только служат дольше, но и обеспечивают повышенную стабильность и производительность по сравнению с электролитическими конденсаторами. | |||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||
Поскольку твердые конденсаторы не содержат жидких компонентов, они не протекут и не взорвутся. Кроме того, их способность выдерживать экстремальные условия и общая надежность делают их гораздо более подходящими для работы в экстремальных условиях. | |||||||||||||||||||||||
Материнские платы GIGABYTE Ultra Durable | |||||||||||||||||||||||
GIGABYTE предлагает широкий ассортимент материнских плат Ultra Durable, достаточно прочных, чтобы удовлетворить запросы даже самых заядлых геймеров. Материнские платы GIGABYTE Ultra Durable, полностью разработанные с использованием твердотельных конденсаторов, гарантируют максимальную стабильность, надежность и более длительный срок службы системы для непревзойденных игр и развлечений на ПК. | |||||||||||||||||||||||
Преимущества твердотельных конденсаторов:
| |||||||||||||||||||||||
Выделяя меньше тепла, чем их электролитические аналоги, твердотельные конденсаторы служат в среднем в 6 раз дольше, помогая гарантировать, что ваша система никогда не выйдет из строя. Кроме того, твердотельные конденсаторы имеют более высокую устойчивость не только к более высоким температурам, но и лучше работают с более высокими частотами и более высоким током, чем электролитические конденсаторы. Превосходная термостойкость и лучшая электропроводность позволяют энтузиастам добиться высочайшего уровня производительности своей системы, не опасаясь чрезмерного износа или взрыва конденсаторов. Применение твердотельных конденсаторов объясняет, почему материнские платы GIGABYTE Ultra Durable являются самыми стабильными, надежными и наиболее удобными для разгона материнскими платами на современном рынке. | |||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||
Все права на интеллектуальную собственность, включая, помимо прочего, авторские права и товарные знаки на эту работу и ее производные работы, являются собственностью или лицензированы GIGABYTE TECHNOLOGY CO., LTD. Любое несанкционированное использование строго запрещено. | |||||||||||||||||||||||
Что лучше, E-cap или твердотельные конденсаторы?
Новое в ноябре 2019 г.
Чтобы лучше оценить, зависит ли жизненный цикл источника питания, превышающий гарантийный, или нет, главным образом, от жизненного цикла выходных конденсаторов. Обычно используются два типа конденсаторов: алюминиевые электролитические и проводящие полимерные алюминиевые твердые конденсаторы. Прежде чем сделать выбор, важно понять характеристики обоих конденсаторов.
В таблице 1 показано сравнение алюминиевого электролитического конденсатора и алюминиевого твердотельного конденсатора из проводящего полимера. Алюминиевые электролитические конденсаторы широко используются в схемах выпрямителей из-за большой емкости и более низкой цены. Однако нагрев ускорит расход электролита, что может привести к его вскипанию и даже взрыву. Между тем, высыхание электролита может снизить устойчивость пульсаций тока, резко сократить срок службы конденсатора, увеличить ток утечки, а также мгновенное повышение температуры и т. д. Очевидно, рабочей температурой конденсатора пренебрегать не следует. В результате в качестве меры предосторожности следует поддерживать работу конденсаторов при постоянной температуре, избегать источников тепла и при необходимости использовать внешнее охлаждение.
Проводящие полимерные алюминиевые твердые конденсаторы, которые являются одними из высококачественных конденсаторов, помимо танталовых электролитических конденсаторов, состоящих из высокопроводящего полимера и электролитических порошков. Электролитные порошки обладают такими преимуществами, как взрывобезопасность, высокая стабильность, высокая надежность, термостойкость и длительный срок службы. Проводящий полимерный алюминиевый твердый конденсатор играет роль в выпрямлении пикового и шумового тока, повышая стабильность силовой цепи. Так называемый взрыв материнской платы на самом деле вызван нагревом алюминиевого электролитического конденсатора выше точки кипения. Таким образом, материнские платы более высокого класса, как правило, используют твердотельные алюминиевые конденсаторы из проводящего полимера, чтобы избежать этой ситуации.
| Алюминиевых электролитических конденсаторов | Проводящих полимерных алюминиевых твердых конденсаторов | 9 0006
Диэлектрический материал | Электролит | PEDT |
Внешний вид | Алюминиевый корпус с пластиковой крышкой и открытым вентиляционным отверстием, как показано на рис.1. | Алюминиевый корпус со спец. отмечен сверху, без открытого вентиляционного отверстия, как показано на рис. 2. |
Темп. Характеристика | Низкотемпературный: Замерзший электролит | Высокая стабильность |
Высокотемпературный: Вздутие или взрыв | ||
Стоимость | Низкая | 9000 8 Высокий|
Размер | Большой | Маленький |
Сопротивление | Высокое | Низкое |
Рабочая частота | Низкое | Высокое |
Бытовая электроника, промышленное применение, ИТ и связь, автомобильная электроника и т. д. | Силовой выключатель Счетчик, MDL Power Logger, камера, светодиодная вывеска, ПК, сервер, IPC, материнская плата ЦП и графическая карта… и т. д. |
Рис.1 Алюминиевый электролитический конденсатор | Рис.2 Алюминиевые твердотельные конденсаторы из проводящего полимера |
Таблица 2 показывает разницу в жизненном цикле между двумя типами конденсаторов. Электролитический конденсатор на 6000 часов/105 ℃ сравним с твердотельными полимерными алюминиевыми конденсаторами на 5000 часов/105 ℃. Судя по кривой на рисунке 3, жизненный цикл полимерных алюминиевых твердотельных конденсаторов не использует никаких преимуществ электролитического конденсатора при температуре выше 90 ℃, в то время как полимерные алюминиевые твердотельные конденсаторы демонстрируют превосходные характеристики жизненного цикла при температуре ниже 90 ℃.
Алюминиевый электролитический конденсатор | Проводящий полимерный алюминиевый твердотельный конденсатор |
Приблизительный расчет: срок службы удваивается, когда температура падает на каждые 10°C | Приблизительный расчет: срок службы в 10 раз больше при температуре падает каждые 20C |
Формула: L= L0 x 2 ( T max -T) /10 L0: срок службы при T max T: температура, измеренная во время работы | 900 08 Формула:L= L0 x 10 ( T max -T) /20