Pienennä piirilevyn kokoa ja nopeuta markkinoilletuontiaikaa amerikkalaisvalmisteisilla suurikapasiteettisilla ja erittäin ohuilla kondensaattoreilla

Laitteistosuunnittelijat etsivät jatkuvasti mahdollisuuksia vähentää komponenttien kustannuksia, kokoa ja painoa ja samalla täyttää tai ylittää komponenttien ja järjestelmien tehokkuus- ja luotettavuustavoitteet. Yksi yleisimmistä ja kriittisimmistä optimoitavista komponenteista ovat piirilevylle asennettavat kondensaattorit, koska ne ovat suurikokoisia ja niitä käytetään laajalti. Kondensaattoria valittaessa on otettava huomioon myös luotettavuus, koska kondensaattori saattaa ajan myötä alkaa vuotamaan ja sen kapasiteetti saattaa heiketä, jos sitä käytetään korkeissa lämpötiloissa. Tämä toiminnan heikkeneminen voi johtaa piirin ajoittaisiin toimintahäiriöihin, jotka vaarantavat järjestelmän tehokkuuden ja luotettavuuden.

Vaikka kondensaattoritoimittajat parantavat jatkuvasti mallejaan energiatiheyden ja luotettavuuden lisäämiseksi sekä painon pienentämiseksi, käyttötarkoitukseen optimaalista osaa ei voi välttämättä saada toimitusketjuongelmien aiheuttamien pitkien toimitusaikojen vuoksi.

Tässä artikkelissa käsitellään suodatin- ja tasaustallennuskondensaattoreiden roolia. Siinä kerrotaan, miten yksittäinen kondensaattori voi korvata muuntyyppisiä kondensaattoreita, kuten pintaliitos-kondensaattoriryhmän. Tämä vähentää piirilevyn komponenttimäärää ja piirin liitoksia sekä parantaa piirin yleistä luotettavuutta. Artikkelissa esitellään Cornell Dubilier Electronicsin erittäin luotettavat alumiinielektrolyyttikondensaattorit, jotka tarjoavat kaksi etua: ohuen profiilin ja erittäin korkean energiatiheyden. Nämä kondensaattorit voivat myös lyhentää toimitusaikoja, koska ne valmistetaan Yhdysvalloissa ja voidaan toimittaa nopeasti Pohjois-Amerikan tuotantolaitoksiin.

Piirilevylle asennettavien kondensaattoreiden luotettavuus

Elektrolyyttikondensaattorin käyttöikä määräytyy sen mukaan, miten sen sisäisen rakenteen sähkökemiallinen toiminta heikkenee ajan myötä. Koska tämä heikkeneminen on ennustettavissa tyypillisissä käyttöolosuhteissa, valmistaja voi laskea helposti kondensaattorin käyttöiän. Kondensaattorin luotettavuus mittaa sitä, kuinka hyvin kondensaattorin todellinen käyttöikä vastaa sen odotettua käyttöikää ottaen huomioon sen rakennevaihtelut tai altistumisen ääriolosuhteille.

Vaikka suurten ja pienten kondensaattoreiden kulumisikä on suunnilleen sama, pienemmät kondensaattorit ovat luotettavampia, koska anodi- ja katodipintojen välinen pinta-ala on pienempi. Mitä suurempi kondensaattori on, sitä tärkeämpi merkitys luotettavuudella ja saatavuudella on sen valinnassa. Tätä artikkelia kirjoitettaessa elektroniikkakomponenttien toimitusketjussa on ongelmia, ja monissa kansainvälisissä toimituksissa esiintyy viivästyksiä. Tästä syystä saatavuudesta ja toimitusajasta on tullut kriittisiä tekijöitä elektroniikkakomponenttien valinnassa.

Kondensaattorien kokoa ei voi optimoida samalla tavalla kuin monien puolijohteiden kokoa, sillä sitä ei voi kutistaa käyttämällä pienempää prosessigeometriaa. Kondensaattorirakenteen fysiikasta johtuen mitä suurempi kondensaattorin nimellisarvo on faradeina (F), sitä suurempi on anodin ja katodin välinen pinta-ala ja siten myös kondensaattorin fyysinen koko. Pystysuoraan asennettavat kondensaattorit, joita kutsutaan myös V-siruiksi, ovat suosittuja kotelovaihtoehtoja, sillä ne säästävät tilaa piirilevyltä. Haittapuolena on korkeampi piirilevyprofiili ja pienempi ilmaväli, mikä voi vaikuttaa niiden lähellä olevien komponenttien kotelovalintoihin.

Asento, johon suuri alumiinielektrolyyttikondensaattori asennetaan, voi myös heikentää luotettavuutta. Suuret kondensaattorit voivat kuumentua ja vaatia ilmavirtausta tai jopa jäähdytyselementtejä tietyissä olosuhteissa. Käytetyn tasajännitteen, rippelivirran ja ympäristön lämpötilan ääriarvot lyhentävät kaikki kondensaattorin käyttöikää parametrisiirtymän vuoksi. Kondensaattorin tehollinen sarjavastus (ESR) on yleensä ensimmäinen parametri, joka poikkeaa teknisten tietojen määrityksistä. Tämän sarjavastuksen kasvaessa kondensaattori kuumenee progressiivisesti. Lopulta kondensaattori vikaantuu, kun se käy niin kuumana, että sen sisäinen rakenne rikkoutuu ja anodi ja katodi menevät käytännössä oikosulkuun. Hyvin harvinaisissa tapauksissa kuumuus kuivattaa kondensaattorin, ja siitä tulee avoin virtapiiri.

Kondensaattorin toiminnan heikkeneminen voi näkyä järjestelmässä ensin satunnaisina vikaantumisina, jotka muuttuvat nopeasti järjestelmäviaksi, kun kondensaattori menee oikosulkuun. Tämä ongelma korostuu, jos kondensaattoripaketit on kytketty sarjaan tai rinnakkain: jos yksi kondensaattori vikaantuu, koko kondensaattoripaketti vikaantuu. Kondensaattoripaketit heikentävät järjestelmän luotettavuutta, koska paketin vikaantumisaste on yhden kondensaattorin vikaantumisaste kerrottuna pakettiin kuuluvien kondensaattoreiden lukumäärällä. Tästä syystä korkeaa luotettavuutta vaativissa ratkaisuissa suositellaan kondensaattoripakettien korvaamista yhdellä suurella kondensaattorilla.

Erittäin luotettavat ja erittäin tiheät kondensaattorit

Cornell Dubilier tarjoaa THA ja THAS Thinpack -alumiinielektrolyyttikondensaattoreita tilarajoitteisiin ja korkeaa luotettavuutta vaativiin sovelluksiin. Kapeaan, matalaprofiiliseen koteloon sijoitetut kondensaattorit on suunniteltu erittäin suurelle energiatiheydelle. Elektrolyyttikondensaattori sijaitsee kotelossa, joka on laserhitsattu ja estää vuodot. Laserhitsaus eliminoi tarpeen suurille päätytiivisteille, joita käytetään laajalti useimpien elektrolyyttikondensaattoreiden päiden tiivistämiseen. Kotelossa oleva venttiili mahdollistaa kaasujen poistumisen, mikä vähentää kotelon sisäistä painetta ja paisumista. THA-sarjan paksuus on 8,2 millimetriä (mm) ja THAS-sarjan 9 millimetriä (mm). THA-kondensaattorien rakenne takaa 5000 tunnin käyttöiän lämpötilassa 85 °C ja THAS-kondensaattorien lämpötilassa 105 °C. Niiden energiatiheys on 0,9 joulea kuutiosenttimetriä kohti (J/cm³).

Suunnittelijat voivat käyttää moniin suodatus- ja moottorinohjaussovelluksiin THAS-sarjan 130 mikrofaradin (µF) kondensaattoria THAS131M450AD0C (kuva 1). Kondensaattorin pituus on 66,5 mm ja leveys vain 25,4 mm. Kuten edellä on mainittu, THAS-sarjan kondensaattorien paksuus on vain 9 mm, joten ne mahdollistavat asennettuina hyvin matalan piirilevyprofiilin. Tämä 450 voltin jännitteelle luokiteltu sarja soveltuu moottorinohjaussovelluksiin ja pienikokoisiin virtalähteisiin. Koska sarja on niin kapea, se soveltuu myös kannettaviin tietokoneisiin tai vastaaviin matalaprofiilisiin elektroniikkalaitteisiin, joissa komponenttien korkeus on erittäin rajallinen. Kondensaattori voidaan asentaa piirilevylle myös pystysuoraan tilan säästämiseksi vastaaviin kondensaattoreihin nähden.

Kuva 1: 130 µF:n kondensaattorin THAS131M450AD0C nimellisjännite on 450 volttia ja paksuus vain 9 mm, joten se soveltuu moottorinohjaukseen ja matalaprofiilisiin piirilevyihin. (Kuvan lähde: Cornell Dubilier)

THAS131M450AD0C voi korvata 130 µF:n kapasitanssin ansiosta pienempiä kondensaattoripaketteja luotettavuuden parantamiseksi. THAS131M450AD0C-kondensaattorin tehollinen sarjavastus (ESR) on 25 °C:n lämpötilassa 120 hertsin (Hz) taajuudella 1,12 ohmia (Ω), ja se laskee 20 kilohertsin (kHz) taajuudella arvoon 0,54 Ω. Sen alhainen ESR-arvo tekee siitä sopivan hakkurivirtalähteisiin, joissa lämmön syntyminen on minimoitava. Sen rippelivirta lämpötilassa 85 °C on nimellisarvoltaan 1,36 ampeeria (A). Myös tämä on tärkeä parametri teholähteille.

Cornell Dubilier THAS -tuoteperheeseen kuuluvassa THAS131M450AD0C-kondensaattorissa on ruostumattomasta teräksestä valmistettu vaippa, joka parantaa kestävyyttä. Sen liittimet ovat 20 AWG ja soveltuvat useimpiin läpiasennettaviin piirilevysovelluksiin.

Sovelluksissa, joissa jännitettä on varastoitava lyhyen aikaa, suunnittelijat voivat käyttää THAS-sarjan 3200 µF:n ja 50 voltin kondensaattoria THAS322M050AD0C. Myös tämän mallin pituus on 66,5 mm ja paksuus 9 mm, ja se sisältää ruostumattomasta teräksestä valmistetun vaipan. Tehollinen sarjavastus (ESR) on 120 Hz:n taajuudella 0,05 Ω. Se laskee 20 kHz:n taajuudella hieman arvoon 0,04 Ω. Se kestää 3,48 A:n rippelivirran taajuudella 20 kHz ja 2,90 A:n rippelivirran taajuudella 20 Hz. Tämä kondensaattori sopii alhaisen tehollisen sarjavastuksen (ESR) ja korkean virtakapasiteetin ansiosta käytettäväksi 50 voltin superkondensaattorina, joka syöttää väliaikaisesti virtaa pieneen piiriin, jos päävirtalähde ei ole käytettävissä.

Kuten kaikki Cornell Dubilier THAS -kondensaattorit, myös THAS322M050AD0C sisältää yläosassa olevan tuuletusaukon, joka näkyy selvästi kuvassa 2. Tuuletusaukko mahdollistaa kaasun poistumisen kondensaattorista osana normaalia toimintaa, vaikka kaasunmuodostus voi kasvaa korkeissa lämpötiloissa. Poistuva kaasu on vety- ja jätekaasujen seos.

Kuva 2: THAS322M050AD0C-kondensaattorin yläosassa näkyvä tuuletusaukko mahdollistaa normaalissa käytössä muodostuvien sisäisten kaasujen turvallisen pääsyn ulos. (Kuvan lähde: Cornell Dubilier)

Sisäisten kaasujen poisto on tärkeää erityisesti kondensaattoreissa, joiden kapasitanssiarvo on korkea. Vetyä ja muita kaasuja voi kerääntyä teräskotelon sisälle ja aiheuttaa painetta, joka voi johtaa vikaantumiseen. Jos kondensaattorin ilmanpoisto on riittämätöntä, sisäisiä kaasuja voivat kerääntyä niin paljon, että elektrolyyttiä voi vuotaa kondensaattorista piirilevylle ja aiheuttaa oikosulun muuhun elektroniikkaan. Joissakin tapauksissa kondensaattori voi jopa räjähtää. Huomaa kuitenkin, että piirilevyä suunniteltaessa on tärkeää varmistaa, ettei kondensaattorin tuuletusaukkoa tukita.

Cornell Dubilier on kehittänyt THA-sarjan, joka tarjoaa enemmän varauskapasiteettia. THA Thinpack -kondensaattoreissa on alumiinivaipat, joiden paksuus 8,2 mm on hieman ohuempi kuin THAS-sarjan kondensaattorien. Esimerkki THA-sarjasta on 4400 µF:n ja 50 voltin THA442M035AC0C. Sen pituus on 53,8 mm ja sen energiatiheys on erittäin korkea muihin vastaaviin kondensaattoreihin verrattuna. Tämän kondensaattorin tehollinen sarjavastus on 120 Hz:n taajuudella 0,07 Ω ja 20 kHz:n taajuudella 0,06 Ω, joten se soveltuu pienelektroniikan väliaikaiseksi virtalähteeksi lyhyiden sähkökatkosten aikana. 4400 µF:n kondensaattori voi myös kuumeta paljon, joten on tärkeää huolehtia riittävästä ilmavirtauksesta ja pitää se suositellulla toiminta-alueella -55 ... +85 °C. Suurten kondensaattoreiden kohdalla on vielä tärkeämpää varmistaa, ettei tuuletusaukkoja tukita. On myös suositeltavaa, ettei tuuletusaukko osoita minkään syttyvän suuntaan, sillä vetykaasu on räjähtävää.

Yhteenveto

Kondensaattorit ovat erittäin tärkeitä komponentteja elektroniikkajärjestelmissä. Kun korkea luotettavuus yhdistetään suureen energiatiheyteen ja matalaan profiiliin, suunnittelijat voivat pienentää elektroniikkajärjestelmien kokoa ja parantaa niiden käyttöikää. Yhdellä Yhdysvalloissa valmistetulla, energiatiheällä elektrolyyttikondensaattorilla voidaan välttää pitkät toimitusajat ja korvata kondensaattoripaketit piirilevytilan säästämiseksi.

Resurssit

1. THA- ja THAS Thinpack -alumiinielektrolyyttikondensaattorien koulutusmoduuli