Полимерные и гибридные конденсаторы

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2016

Panasonic

Самые совершенные конденсаторы на основе проводящих полимеров с наилучшим сочетанием электрических характеристик и надежности

В выполненных по гибридной технологии конденсаторах сочетаются лучшие свойства электролитических и полимерных конденсаторов.

На первый взгляд, конденсаторы могут показаться достаточно простыми устройствами, но на самом деле за последние годы их сложность возросла. Причина, по которой это случилось, кроется в свободе выбора. За последние несколько лет вселенная конденсаторов значительно расширилась, в основном за счет конструкций конденсаторов, использующих достижения в области проводящих полимеров.

Электролит в этих современных конденсаторах иногда состоит только из проводящих полимеров. Проводящие полимеры также могут использоваться в сочетании с жидким электролитом в конструкции, известной как гибридный конденсатор. В любом случае конденсаторы на основе полимеров имеют более совершенные характеристики, чем обычные электролитические и керамические конденсаторы, когда речь заходит об:

• электрических параметрах,
• стабильности,
• долговечности,
• надежности,
• безопасности,
• стоимости жизненного цикла.

У каждого полимерного и гибридного конденсатора имеются свои сильные стороны с точки зрения их идеальных напряжений, частотных характеристик, условий эксплуатации и соответствия другим требованиям приложений. В этой статье мы покажем вам, как определить оптимальную сферу использования для каждого типа современных конденсаторов. Мы также выделим конкретные приложения, в которых полимерный или гибридный конденсатор опережает традиционные электролитические или даже керамические конденсаторы.

Разновидности полимерных конденсаторов

Существуют четыре основных разновидности полимерных конденсаторов, включая гибридные. Каждый тип отличается материалами электролита и электродов, корпусом и областью применения:

• Многослойные полимерные алюминиевые конденсаторы в качестве электролита используют проводящий полимер и имеют алюминиевый катод (Рисунок 1). В зависимости от конкретной модели, эти конденсаторы охватывают диапазон напряжений от 2 до 25 В и диапазон емкостей от 2.2 до 560 мкФ. Отличительная электрическая характеристика этих полимерных конденсаторов – чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Например, ESR некоторых наших полимерных конденсаторов SP-Cap равно 3 мОм и является одним из самых низких в отрасли. Такие многослойные полимерные конденсаторы упаковываются в формованные из пластика низкопрофильные компактные корпуса для поверхностного монтажа. В результате сочетания небольших габаритов и хороших электрических характеристик они находят применение в различных портативных электронных устройствах или других приложениях, где требуется конденсатор небольшой высоты, которому не будет мешать расположенный поблизости теплоотвод.

Рисунок 1.

• Пленочные полимерные алюминиевые конденсаторы также основаны на проводящих полимерах и алюминии, но их фольговые обкладки свернуты в рулон (Рисунок 2). По сравнению с другими типами полимерных конденсаторов пленочные конденсаторы покрывают более широкий диапазон напряжений и емкостей. Шкала их напряжений находится в интервале от 2.5 до 100 В, а емкостей – от 3.3 до 2700 мкФ. Как и многослойные полимерные конденсаторы, конденсаторы пленочного типа имеют исключительно низкие значения ESR. Например, некоторые из наших конденсаторов серии OS-CON имеют ESR ниже 5 мОм. Пленочные конденсаторы также могут изготавливаться в корпусах для поверхностного монтажа, хотя и не столь компактных, как у многослойных конденсаторов.

Рисунок 2.

• Танталовые полимерные конденсаторы в качестве электролита используют проводящий полимер и имеют танталовый катод (Рисунок 3). Конденсаторы емкостью от 2.7 до 680 мкФ выпускаются на рабочие напряжения от 1.8 до 35 В. Значения их ESR также низки, и у некоторых из наших конденсаторов POSCAP составляют всего 5 мОм. Выпускаемые в корпусах из формованного пластика, танталовые полимерные конденсаторы являются одними из самых компактных на рынке. Например, наш POSCAP типоразмера М имеет габариты всего 2.0 на 1.25 мм. Несмотря на компактность, для конденсаторов этого типа доступен широкий диапазон типоразмеров.

Рисунок 3.

• Полимерные гибридные алюминиевые конденсаторы. Как следует из их названия, в этих конденсаторах в качестве электролита используется комбинация жидкости и проводящего полимера (Рисунок 4), а в качестве катода – алюминий. Идея, лежавшая в основе этого технического решения, заключалась в объединении лучших свойств обоих материалов: использование полимеров обеспечивает высокую проводимость и, соответственно, низкое ESR, При этом жидкая составляющая электролита может выдерживать более высокие напряжения и позволяет получать более высокие значения емкости благодаря большой эффективной площади поверхности. Гибридные конденсаторы могут иметь диапазон рабочих напряжений от 25 до 80 В, а емкостей – от 10 до 330 мкФ. Значения ESR у гибридов выше, чем у других типов полимерных конденсаторов, но, принимая во внимание более мощные приложения, для которых они предназначены, все же достаточно низкие – от 20 до 120 мОм.

Рисунок 4.

Преимущества полимерных конденсаторов

Несмотря на различия в материалах и конструкциях, все четыре типа полимерных конденсаторов объединяет набор привлекательных электрических свойств:

• Великолепные частотные характеристики.
  ​Благодаря сверхнизким значениям ESR полимерные конденсаторы имеют низкий импеданс вблизи точки своего резонанса (Рисунок 5). А более низкий импеданс уменьшает пульсации переменного тока в силовых цепях. Наши испытания показали пятикратное снижение амплитуды пульсаций в цепях с полимерными конденсаторами по сравнению с обычными танталовыми конденсаторами с низким ESR.

Рисунок 5.

• Стабильная емкость.
  В керамических конденсаторах емкость зависит от изменений температуры и постоянного напряжения смещения. Полимерные конденсаторы не имеют таких недостатков и остаются стабильным в течение долгого времени (Рисунок 6). В частности, эта стабильность важна для промышленных и автомобильных приложений, где, как правило, происходят значительные колебания рабочих температур. Мы наблюдали случаи, когда повышенные температуры вызывали потерю до 90% и более эффективной емкости керамического конденсатора, а это означает, что обычные конденсаторы не обеспечивают должных характеристик в реальных условиях эксплуатации. Гибридные конденсаторы добавляют к стабильности емкости еще одно измерение. В типичных условиях эксплуатации их емкость остается неизменной – и на высоких частотах, и при низких температурах, – факторах, уменьшающих емкость конденсаторов с обычным жидким электролитом. (Рисунок 7).

Рисунок 6.

Рисунок 7.

• Повышенная безопасность.
  ​Для обычных электролитических конденсаторов характерны проблемы безопасности, способные привести к их короткому замыканию и выходу из строя. Угроза безопасности возникает, когда электрические или механические напряжения создают дефекты или разрывы в оксидной пленке, образующей диэлектрик конденсатора. Полимерные конденсаторы способны к самовосстановлению, которое устраняет этот аварийный режим. Восстановление происходит вследствие выделения джоулева тепла, инициируемого дефектом диэлектрика, запускающим процесс короткого замыкания. Нагрев разрушает молекулярную цепь проводящего полимера вблизи дефекта, повышая его сопротивление и образуя эффективный барьер против любой утечки тока с электрода (Рисунок 8). В случае гибридных конденсаторов начинает действовать дополнительный механизм самовосстановления, так как жидкий электролит вызывает поток тока вблизи дефекта, восстанавливая оксидный слой алюминия. Чтобы продемонстрировать природу самовосстановления полимерных и гибридных конденсаторов, мы провели многочисленные тесты с подачей повышенных напряжений. В одном из таких испытаний мы сравнили наши полимерные конденсаторы SP-Cap с обычными тантал-MnO₂ конденсаторами. Полимерная модель выдержала 7-амперный ток короткого замыкания, в то время как танталовый конденсатор начинал дымиться при трех амперах и воспламенялся при пяти. Такое повышение безопасности имеет большое значение, как с технической точки зрения, так и с финансовой. Для безопасной эксплуатации разработчики, как правило, используют обычные танталовые конденсаторы при напряжениях на 30 – 50% ниже их номинального напряжения. Это общепринятое в инженерной практике занижение номинальных параметров ведет к необходимости использования конденсаторов бóльших размеров и стоимости. Напротив, для наших полимерных конденсаторов мы гарантируем работу при 90% от максимально допустимого напряжения.

Рисунок 8.

Производство полимерных конденсаторов началось с 1990 года, но они продолжают развиваться, как с точки зрения их электрических характеристик, так и размеров. Рассмотрим, к примеру, нашу линейку алюминиевых полимерных конденсаторов. ESR разрабатываемых сейчас моделей станет еще ниже, а емкость еще выше – 2 мОм и 680 мкФ, соответственно. Что же касается линейки наших полимерных танталовых конденсаторов, в новых моделях для поверхностного монтажа мы снизим ESR и уменьшим размеры корпусов. Например, ESR конденсаторов типоразмера В (3.5 × 2.8 мм), вероятно, снизится с 9 до 6 мОм.

Наша линейка гибридных конденсаторов также развивается. Мы расширяем ее новыми 16- и 100-вольтовыми конденсаторами. На очереди увеличение срока службы и допустимой амплитуды пульсаций тока в следующих версиях продукта.

Эти непрерывные технические усовершенствования делают полимерные и гибридные конденсаторы все более привлекательной альтернативой обычным танталовым MnO₂ и многослойным керамическим конденсаторам (MLCC).