Minska kretskortets storlek och tiden till marknaden med hjälp av extremt tunna kondensatorer med hög kapacitet som är tillverkade i USA.

Konstruktörer av hårdvara letar alltid efter möjligheter att minska komponenternas kostnad, storlek och vikt, samtidigt som de vill uppfylla eller överträffa komponenternas och systemets mål för effektivitet och tillförlitlighet. En av de vanligaste och mest kritiska komponenterna för optimering är kretskortsmonterade kondensatorer på grund av deras stora volym och breda användning. Tillförlitligheten måste också beaktas när man väljer en kondensator på grund av dess känslighet för läckage och kapacitetsförsämring över tid när den utsätts för extrema temperaturer. Denna försämring kan leda till intermittenta kretsfel, vilket äventyrar systemets effektivitet och tillförlitlighet.

Kondensatorleverantörerna fortsätter att förbättra konstruktionen för att öka energitätheten, tillförlitligheten och vikten, men det kan hända att den optimala delen för en tillämpning inte finns tillgänglig på grund av långa ledtider orsakade av av problem i leveranskedjan.

Artikeln diskuterar filter- och bulklagringskondensatorernas roll. Den visar hur en enda kondensator kan ersätta andra typer av kondensatorer, som t.ex. en rad ytmonterade kondensatorer, vilket leder till färre komponenter och kretsförbindelser på kretskortet, vilket förbättrar kretsens totala tillförlitlighet. På vägen introduceras aluminiumelektrolytkondensatorer med hög tillförlitlighet från Cornell Dubilier Electronics som har dubbla fördelar i form av en tunn profil och mycket hög energitäthet. Eftersom kondensatorerna tillverkas i USA och är tillgängliga för snabb leverans till nordamerikanska produktionsanläggningar kan kondensatorerna även bidra till kortare ledtider.

Tillförlitlighet hos kretskortsmonterade kondensatorer

Livslängden för en elektrolytkondensator bestäms av den elektrokemiska nedbrytningshastigheten för dess inre struktur över tid. Eftersom denna nedbrytning är förutsägbar under typiska driftsförhållanden kan tillverkaren enkelt beräkna kondensatorns livslängd. En kondensators tillförlitlighet är ett mått på hur nära kondensatorns faktiska livslängd motsvarar den förväntade livslängden vid variationer i konstruktion eller exponering för extrema förhållanden.

Även om livslängden för stora och små kondensatorer är ungefär densamma, är mindre kondensatorer mer tillförlitliga eftersom det finns mindre yta mellan anod- och katodytorna. Ju större kondensatorn är, desto mer blir tillförlitligheten en faktor i valet av kondensator, liksom tillgängligheten. När den här artikeln skrivs finns det problem i leveranskedjan för elektroniska komponenter, inklusive förseningar för många internationella leveranser. Därför har tillgänglighet och ledtid blivit viktiga kriterier för val av elektroniska komponenter.

Kondensatorer är inte föremål för de optimeringar av storleken som är vanliga för många halvledare, eftersom storleken på en kondensator inte kan minskas genom att krympa den till en mindre processgeometri. På grund av kondensatorns fysik gäller att ju större kondensatorn är i Farad (F), desto större är ytan mellan anoden och katoden, och desto större blir den fysiska storleken. Vertikalt monterade kondensatorer, även kallade V-kretsar, är populära förpackningsalternativ för att spara plats på kretskortet, men det innebär en högre kretskortsprofil och mindre höjdutrymme, vilket kan påverka kapslingsvalen för närliggande komponenter.

Monteringsplatsen för en stor aluminiumelektrolytkondensator kan även påverka tillförlitligheten. Stora kondensatorer kan bli varma och kräver luftflöde eller till och med kylning vid vissa förhållanden. Den applicerade likspänningen, rippelströmmen och extrema omgivningstemperaturer förkortar dess livslängd på grund av parametrisk drift. Det är vanligtvis en kondensators effektiva seriemotstånd (ESR) som är den första parametern som avviker från specifikationerna i databladet. När ESR ökar blir kondensatorn allt varmare. Den går till slut sönder när den blir så varm att den inre strukturen bryts ner och anoden och katoden kortsluter varandra. I mycket sällsynta fall torkar värmen ut kondensatorn så att den blir en öppen krets.

Kondensatorförsämring i ett system kan först visa sig som slumpmässiga fel som snabbt övergår i systemfel när kondensatorn kortsluter. Detta problem förstärks för kondensatorbanker som är anslutna i serie eller parallellt; om en kondensator går sönder, går hela banken sönder. Kondensatorbanker minskar systemets tillförlitlighet eftersom bankens felfrekvens är felfrekvensen för en kondensator multiplicerad med antalet kondensatorer i banken. Av den anledningen är kondensatorbanker inte lämpliga i konstruktioner med hög tillförlitlighet, framför en enda stor kondensator.

Kondensatorer med hög tillförlitlighet och hög densitet

För tillämpningar med begränsat utrymme och hög tillförlitlighet tillhandahåller Cornell Dubilier aluminiumelektrolytkondensatorna THA och THAS Thinpack. Kondensatorerna är utformade för mycket hög energitäthet i ett tunt paket med låg profil och har ett lasersvetsat hölje som omsluter elektrolytkondensatorn för att förhindra läckage. Denna lasersvetsning eliminerar behovet av stora packningar för ändtätning som ofta används för att täta ändarna på de flesta elektrolytkondensatorer. En ventil i höljet gör det möjligt att ventilera gasen, vilket minskar det inre trycket och därmed svullnaden. THA-serien är 8,2 mm tjock och THAS-serien är 9 mm tjock. THA- och THAS-kondensatorernas konstruktion garanterar 5 000 timmars drift vid 85 °C respektive 105 °C. De har en energitäthet på 0,9 (J/cm³).

Konstruktörer kan i många filter- och motorstyrningstillämpningar använda THAS131M450AD0C THAS-seriens kondensator på 130 µF (figur 1). Kondensatorn är 66,5 mm lång och endast 25,4 mm bred. Som tidigare nämnts är THAS-seriens kondensatorer endast 9 mm tjocka, så när de sitter på plats möjliggör de en mycket låg profil på kretskortet. Serien är dimensionerad för 450 V och lämpar sig för motorstyrningsapplikationer och kompakta strömförsörjningar. Eftersom serien är så smal är den även lämplig för bärbara datorer eller liknande elektronik med låg profil där utrymme för komponenter är mycket begränsat. Kondensatorn kan även monteras vertikalt på ett kretskort för att spara utrymme jämfört med liknande kondensatorer.

Figur 1: Kondensatorn THAS131M450AD0C 130 µF är dimensionerad för 450 V och är endast 9 mm tjock, vilket gör den lämplig för motorstyrning och tillämpningar med låg profil på kretskort. (Bildkälla: Cornell Dubilier)

Med en kapacitet på 130 µF kan THAS131M450AD0C användas för att ersätta mindre kondensatorer och därigenom förbättra tillförlitligheten. ESR för THAS131M450AD0C vid 25 °C är 1,12 Ω vid 120 Hz, vilket sjunker till 0,54 Ω vid 20 kHz. Dess låga ESR gör den lämplig för switchande nätaggregat där värmeutvecklingen måste minimeras. Rippelströmmen vid 85 °C är 1,36 A, vilket också är viktigt för nätaggregat.

Som en del av THAS-produktfamiljen från Cornell Dubilier har kondensatorn THAS131M450AD0C en hylsa av rostfritt stål för ökad hållbarhet. Dess anslutningar är 0,5 mm², vilket är lämpligt för de flesta monteringar i genomgående hål på kretskort.

För tillämpningar där spänningen måste lagras under en kort tidsperiod kan konstruktörerna använda sig av THAS-seriens kondensator THAS322M050AD0C på 3200 µF och 50 V. Den är också 66,5 mm lång, 9 mm tjock och har en hylsa av rostfritt stål. ESR vid 120 Hz är 0,05 Ω, vilket sjunker något till 0,04 Ω vid 20 kHz. Den kan hantera en rippelström på 3,48 A vid 20 kHz och 2,90 A vid 20 Hz. Med denna låga ESR och höga strömkapacitet är den lämplig att använda som en 50 V superkondensator för att tillfälligt försörja en liten krets med ström om den huvudsakliga strömförsörjningen är otillgänglig.

Liksom alla THAS-kondensatorer från Cornell Dubilier har THAS322M050AD0C en övre ventil, vilket framgår tydligt i figur 2. Ventilationen gör att gasen kan ta sig ur kondensatorn som en del av normal drift, även om gasbildningen kan öka vid höga temperaturer. Den gas som ventileras är en blandning av väte och rökgaser.

Figur 2: Ventilen som syns överst på kondensatorn THAS322M050AD0C gör att interna gaser som bildas under normal drift kan släppas ut på ett säkert sätt. (Bildkälla: Cornell Dubilier)

Det är viktigt att ventilera interna gaser, särskilt i kondensatorer med höga värden. Vätgas och andra gaser kan ansamlas i stålhöljet och bygga upp ett tryck som kan leda till fel. Om en kondensator har otillräcklig ventilation kan interna gaser byggas upp till en punkt där elektrolyt kan läcka ut på kretskortet och kortsluta annan elektronik, eller i vissa fall kan kondensatorn till och med explodera. Observera dock att det är viktigt att se till att kondensatorns ventil inte är blockerad, när du placerar kretskortet.

Cornell Dubilier utvecklade THA-serien för mer laddningskapacitet. THA Thinpack-kondensatorer har aluminiumhylsor och är med tjockleken på 8,2 mm något smalare än THAS-serien. Ett exempel ur THA-serien är THA442M035AC0C med 4400 µF 50 V. Den är 53,8 mm lång och har en mycket hög energitäthet jämfört med liknande kondensatorer. Den har en ESR på 0,07 Ω vid 120 Hz och 0,06 Ω vid 20 kHz, vilket gör den lämplig som tillfällig strömkälla för mindre elektronik vid korta avbrott i strömförsörjningen. En kondensator på 4400 µF kan också bli mycket varm, så det är viktigt att tillhandahålla tillräckligt med luftflöde för att hålla den inom det rekommenderade driftsområdet, som är -55 °C till +85 °C. För kondensatorer med stora värden är det ännu viktigare att se till att ventilationen inte är blockerad. Det är även rekommenderat att ventilen inte pekar mot något brännbart, eftersom vätgas är explosiv.

Sammanfattning

Kondensatorer är kritiska komponenter i elektroniska system. Genom att kombinera hög tillförlitlighet med hög energitäthet och låg profil kan konstruktörer minska storleken på de elektroniska systemen och förbättra deras livslängd. Med en enda energität elektrolytkondensator tillverkad i USA kan man både undvika långa ledtider och ersätta flera kondensatorer för att spara plats på kretskortet.

Resurser

1. Utbildningsmodul för aluminiumelektrolytkondensatorer i THA och THAS Thinpack-serien