Verklein de printplaatgrootte en verkort de marktintroductietijd met in Amerika geproduceerde, ultradunne condensatoren met hoge capaciteit

Hardwareontwerpers zijn altijd op zoek naar mogelijkheden om de kosten, de omvang en het gewicht van componenten te beperken en tegelijkertijd te voldoen aan de efficiëntie- en betrouwbaarheidsdoelstellingen voor componenten en systemen of deze zelfs te overtreffen. Een van de meest voorkomende en kritische componenten voor optimalisatie zijn op printplaten gemonteerde condensators, vanwege hun grote omvang en het wijdverbreide gebruik. Betrouwbaarheid moet ook een overweging zijn bij de keuze van een condensator wegens zijn gevoeligheid voor lekkage en capaciteitsdegradatie na verloop van tijd wanneer hij aan temperatuurextremen wordt blootgesteld. Deze degradatie kan resulteren in intermitterende circuitstoringen, waardoor de efficiëntie en betrouwbaarheid van het systeem in het gedrang komen.

Hoewel leveranciers van condensatoren hun ontwerpen blijven verbeteren om de energiedichtheid, de betrouwbaarheid en het gewicht te verhogen, is het mogelijk dat het optimale onderdeel voor een toepassing niet beschikbaar is als gevolg van lange levertijden die worden veroorzaakt door problemen in de toeleveringsketen.

In dit artikel wordt de rol van filter- en bulkopslagcondensators besproken. Het laat zien hoe een enkele condensator andere soorten condensators kan vervangen, zoals een array van surface mount condensatoren, wat resulteert in minder printplaatcomponenten en circuitverbindingen, waardoor de algehele betrouwbaarheid van het circuit wordt verbeterd. Onderweg introduceert het zeer betrouwbare aluminium elektrolytische condensators van Cornell Dubilier Electronics die de dubbele voordelen hebben van een dun profiel en een zeer hoge energiedensiteit. Aangezien de condensators in de VS worden vervaardigd en beschikbaar zijn voor snelle verzending naar Noord-Amerikaanse productiefaciliteiten, kunnen de condensatoren ook een weg naar kortere doorlooptijden bieden.

Betrouwbaarheid van op printplaten gemonteerde condensators

De levensduur van een elektrolytische condensator wordt bepaald door de snelheid van de elektrochemische degradatie van zijn inwendige structuur in de tijd. Aangezien deze degradatie onder typische bedrijfsomstandigheden voorspelbaar is, kan de functionele levensduur van een condensator gemakkelijk door de fabrikant worden berekend. De betrouwbaarheid van een condensator is een maatstaf voor de mate waarin de werkelijke levensduur van een condensator overeenkomt met de verwachte levensduur bij variaties in de constructie of blootstelling aan extreme omstandigheden.

Hoewel de levensduur van grote en kleine condensatoren ongeveer gelijk is, zijn kleinere condensatoren betrouwbaarder omdat er minder oppervlakte is tussen het anode- en kathodeoppervlak. Hoe groter de condensator, hoe meer betrouwbaarheid een factor is bij de keuze ervan, evenals de beschikbaarheid. Bij het schrijven van dit artikel zijn er problemen met de toeleveringsketen voor elektronische componenten, waaronder vertragingen voor veel internationale zendingen. Om die reden zijn beschikbaarheid en levertijd kritische criteria geworden voor de keuze van elektronische componenten.

Condensators zijn niet onderworpen aan de grootteoptimalisaties die gebruikelijk zijn voor vele halfgeleiders, in die zin dat de grootte van een condensator niet kan worden verminderd door deze te verkleinen tot een kleinere procesgeometrie. Door de fysica van het condensatorontwerp is het zo dat hoe groter de condensatorwaarde in Farads (F), hoe groter het oppervlak tussen de anode en de kathode, vandaar de grotere fysieke afmetingen. Verticaal gemonteerde condensators, ook wel V-chips genoemd, zijn populaire verpakkingsmogelijkheden om printplaatruimte te besparen. De tegenprestatie is een hoger printplaatprofiel en minder vrije ruimte, hetgeen van invloed kan zijn op de verpakkingskeuzes van nabijgelegen componenten.

De montagepositie van een grote aluminium elektrolytische condensator kan ook van invloed zijn op de betrouwbaarheid. Grote condensators kunnen heet worden en vereisen onder bepaalde omstandigheden een luchtstroom of zelfs een koeling. De toegepaste gelijkspanning, rimpelstroom en extreme omgevingstemperaturen verkorten de levensduur door parametrische drift. Gewoonlijk is de effectieve serieweerstand (ESR) van een condensator de eerste parameter die afwijkt van de specificaties op het gegevensblad. Als de ESR stijgt, wordt de condensator steeds heter. Hij faalt uiteindelijk wanneer hij zo heet wordt dat de interne structuur afbreekt en de anode en de kathode effectief worden kortgesloten. In zeer zeldzame gevallen droogt de hitte de condensator uit en wordt hij een open-circuit.

De degradatie van condensatoren in een systeem kan zich eerst manifesteren als willekeurige storingen, die snel omslaan in systeemstoringen wanneer de condensator kortsluit. Dit probleem is nog groter bij banken van in serie of parallel geschakelde condensatoren; als één condensator uitvalt, valt de hele bank uit. Condensatorbanken verminderen de betrouwbaarheid van het systeem omdat de uitvalsnelheid van de bank gelijk is aan de uitvalsnelheid van één condensator vermenigvuldigd met het aantal condensatoren in de bank. Om deze reden worden condensatorbanken in ontwerpen met hoge betrouwbaarheid ontraden ten gunste van één grote condensator.

Condensatoren met hoge betrouwbaarheid en dichtheid

Voor toepassingen met beperkte ruimte en hoge betrouwbaarheid levert Cornell Dubilier de THA- en THAS Thinpack aluminium elektrolytische condensators. Ontworpen voor zeer hoge energiedichtheid met een dun, low-profile pakket, hebben de condensators een lasergelaste behuizing die de elektrolytische condensator omsluit om lekken te voorkomen. Deze laserlas elimineert de noodzaak van grote eindafdichtingspakkingen die op grote schaal worden gebruikt om de uiteinden van de meeste elektrolytische condensators af te dichten. Een ventiel in de kast zorgt voor gasontluchting, waardoor de interne druk afneemt en de zwelling vermindert. De THA-lijn is 8,2 millimeter (mm) dik en de THAS-lijn is 9 millimeter (mm) dik. Het ontwerp van de THA- en THAS-condensatoren garandeert een bedrijfstijd van 5.000 uur bij 85°C en 105°C, respectievelijk. Zij hebben een energiedichtheid van 0,9 Joule per cm3 (J/cm³).

Voor veel filter- en motorbesturingstoepassingen kunnen ontwerpers de THAS131M450AD0C-condensator van de THAS-serie van 130 microfarad (µF) gebruiken (Afbeelding 1). De condensator is 66,5 mm lang en slechts 25,4 mm breed. Zoals reeds vermeld zijn de condensators van de THAS-serie slechts 9 mm dik, zodat zij in geplaatste toestand een zeer laag printplaatprofiel mogelijk maken. De serie heeft een nominale spanning van 450 volt en is geschikt voor motorbesturingstoepassingen en compacte voedingen. Omdat de serie zo slank is, is zij ook geschikt voor laptops of soortgelijke low-profile elektronica waar de hoofdruimte voor componenten zeer beperkt is. De condensator kan ook verticaal op een printplaat worden gemonteerd om ruimte te besparen, vergeleken met soortgelijke condensators.

Afbeelding 1: De THAS131M450AD0C 130 µF condensator heeft een nominale spanning van 450 volt en is slechts 9 mm dik, waardoor hij geschikt is voor motorbesturing en low-profile pc-board toepassingen. (Bron afbeelding: Cornell Dubilier)

Met 130 µF kan de THAS131M450AD0C worden gebruikt om banken van kleinere condensators te vervangen en zo de betrouwbaarheid te verbeteren. De ESR van de THAS131M450AD0C bij 25°C is 1,12 Ohm (Ω) bij 120 hertz (Hz), wat daalt tot 0,54 Ω bij 20 kilohertz (kHz). Zijn lage ESR maakt hem geschikt voor schakelende voedingen waar de warmteontwikkeling tot een minimum moet worden beperkt. De rimpelstroom bij 85 °C wordt geschat op 1,36 ampère (A), wat ook belangrijk is voor voedingen.

Als onderdeel van de Cornell Dubilier THAS productfamilie, heeft de THAS131M450AD0C-condensator een roestvrijstalen huls voor een betere duurzaamheid. De terminals zijn 20 AWG, geschikt voor de meeste door-gat printplaatmontagetoepassingen.

Voor toepassingen waarbij gedurende korte tijd spanning moet worden opgeslagen, kunnen ontwerpers zich wenden tot de THAS322M050AD0C-condensator uit de THAS-serie van 3200 µF, 50 volt. Hij is ook 66,5 mm lang met een dikte van 9 mm en heeft een roestvrij stalen huls. De ESR bij 120 Hz is 0,05 Ω, die licht daalt tot 0,04 Ω bij 20 kHz. Hij kan een rimpelstroom aan van 3,48 A bij 20 kHz en 2,90 A bij 20 Hz. Met deze lage ESR en hoge stroomcapaciteit is hij geschikt als 50-volts supercondensator om een klein circuit tijdelijk van stroom te voorzien als de hoofdstroomvoorziening niet beschikbaar is.

Zoals alle Cornell Dubilier THAS condensatoren heeft ook de THAS322M050AD0C een opening aan de bovenkant, zoals duidelijk te zien is in figuur 2. De ontluchting laat gas ontsnappen uit de condensator als onderdeel van de normale werking, hoewel de gasontwikkeling kan toenemen bij hoge temperaturen. Het ontluchte gas is een mengsel van waterstof en afvalgassen.

Afbeelding 2: De ontluchtingsopening aan de bovenkant van de condensator THAS322M050AD0C zorgt ervoor dat interne gassen die bij normale werking ontstaan, veilig kunnen ontsnappen. (Bron afbeelding: Cornell Dubilier)

De ontluchting van inwendige gassen is belangrijk, vooral bij condensatoren met een hoge waarde. Waterstof en andere gassen kunnen zich ophopen in het stalen omhulsel, waardoor druk wordt opgebouwd die kan leiden tot falen. Als een condensator onvoldoende ontlucht is, kunnen interne gassen zich ophopen tot een punt waar elektrolyt op de printplaat kan lekken en andere elektronica kan kortsluiten, of in sommige gevallen kan de condensator zelfs exploderen. Merk echter op dat het bij het leggen van de printplaat belangrijk is ervoor te zorgen dat de condensatoropening geen obstructies heeft.

Voor meer laadvermogen heeft Cornell Dubilier de THA-serie ontwikkeld. THA Thinpack-condensators hebben aluminium hulzen, en zijn met een dikte van 8,2 mm iets slanker dan de THAS-serie. Een voorbeeld uit de THA-serie is de 4400 µF 50 volt THA442M035AC0C. Hij is 53,8 mm lang en biedt een zeer hoge energiedichtheid in vergelijking met soortgelijke condensators. Hij heeft een ESR van 0,07 Ω bij 120 Hz en 0,06 Ω bij 20 kHz, waardoor hij geschikt is voor gebruik als tijdelijke stroombron voor kleine elektronica tijdens korte onderbrekingen in de stroomvoorziening. Een condensator van 4400 µF kan ook zeer heet worden, zodat het belangrijk is voor voldoende luchtstroming te zorgen om de condensator binnen het aanbevolen werkingsbereik te houden, dat -55°C tot +85°C is. Voor condensators met een grote waarde is het nog belangrijker ervoor te zorgen dat de ventilatieopening geen obstructies heeft. Het is ook aan te bevelen dat de ontluchtingsopening niet naar iets brandbaars wijst, aangezien waterstofgas explosief is.

Conclusie

Condensators zijn kritische componenten in elektronische systemen. Door een hoge betrouwbaarheid te combineren met een hoge energiedichtheid en een laag profiel, kunnen ontwerpers de afmetingen beperken en de operationele levensduur van elektronische systemen verbeteren. Met een enkele, in de VS vervaardigde, energiedichte elektrolytische condensator kunnen lange levertijden worden vermeden en kunnen banken van condensatoren worden vervangen om ruimte op de printplaat te besparen.

Bronnen

1. THA en THAS Thinpack aluminium elektrolytische condensatoren trainingsmodule