Гибридные полимерные конденсаторы компании CAPXON

Введение

Тайваньская компания CAPXON была основана в 1980 г. Более 40 лет она выпускает электролитические конденсаторы. В производственной линейке компании можно найти конденсаторы с жидким электролитом, с поли­мерной пленкой и гибридные конденсаторы, сочетающие жидкий электролит и полимерную пленку. В этой статье мы расскажем о гибридных конденсаторах. Спрос на них довольно высок – уже в 2013 г. компания ежемесячно производила свыше 100 млн шт. конденсаторов этого типа.

Компания CAPXON имеет ряд сертификатов Международной организации ISO. Значительная часть продукции компании соответствует жестким требованиям стандартов AEC Q200 и IATF 16949 для автомобильной электроники. Кроме того, производятся конденсаторы, стойкие к повышенным вибронагрузкам. У этих компонентов расширенный диапазон рабочей температуры от –55 и до 150 °С. Помимо конденсаторов для жестких условий эксплуатации в производственной линейке компании имеются экономичные конденсаторы с ограниченным диапазоном рабочей температуры, не сертифицированные по стандартам AEC Q200 и IATF 16949.

Особенности гибридных конденсаторов

Гибридные электролитические конденсаторы, сочетающие жидкий электролит и проводящие полимеры, взяли за редким исключением лучшее от данных конденсаторов. В них удалось снизить эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) по сравнению с конденсаторами с жидким элект­ролитом и уменьшить токи утечки в сравнении с конденсаторами с твердым элект­ролитом.

Последним они уступают в низкотемпературных приложениях при уменьшении температуры ниже –30…–40 °С, когда сопротивление ESR гибридных конденсаторов резко возрастает. Электрический заряд гибридных конденсатов (произведение номинальной емкос­ти на максимальное напряжение, CV) меньше, чем у конденсаторов с жидким электролитом. Заметим, что низкое сопротивление ESR позволяет увеличить максимально допустимый ток пульсаций. Таблица 1, в которой сравниваются конденсаторы разных типов производства компании CAPXON, наглядно отражает достоинства каждого типа этих компонентов. К табличным данным добавим еще одно достоинство гибридных конденсаторов – способность работать при высокой влажности.

Схематично устройство гибридного конденсатора показано на рис. 1. Одним из важных преимуществ гибридных конденсаторов является стабильность параметров, которые мало зависят от условий эксплуатации. Например, сопротивление ESR мало изменяется во всем диапазоне частот, также мало подвержена изменению и емкость конденсатора. На рис. 2 показаны частотные зависимости емкости электролитического конденсатора с жидким электролитом и гибридного конденсатора.

Рис. 1. Устройство гибридного конденсатора

Рис. 2. Зависимость емкости электролитического конденсатора с жидким электролитом и гибридного конденсатора от частоты

У электролитических конденсаторов одним из самых важных пара­метров является срок службы. Срок службы гибридного конденсатора можно оценить при помощи формулы (1):

где L_A – ожидаемый срок службы; L₀ – срок службы, приводимый в документации изготовителя при максимальных значениях температуры, напряжения, тока пульсации; T_0Max – максимальная допустимая температура; T_S – температура поверхности конденсатора при эксплуатации.

Из (1) следует, что снижение температуры на 10 °С приводит к увеличению срока службы в два раза. В табл. 2 приведены результаты этого несложного подсчета для гибридного конденсатора со сроком службы 7000 ч при температуре 105 °С. Заметим, что нагрев конденсатора происходит за счет мощности рассеяния, выделяемой на его сопротивлении ESR (Р = I² ∙ ESR). При необходимости максимально продлить срок службы гибридного конденсатора рекомендуется предпочесть конденсатор большего размера, при этом увеличивается площадь его поверхности и улучшается теплообмен с внешней средой.

Основные сведения о гибридных конденсаторах компании CAPXON

Компания производит гибридные конденсаторы в SMD-испол­нении (рис. 3) и с радиальными выводами (рис. 4). Производственная линейка SMD-конденсаторов насчитывает семь серий для жестких условий эксплуатации, в том числе для автомобильной электроники, и три серии экономичных конденсаторов, не предназначенных для такой эксплуатации.

Рис. 3. Внешний вид конденсаторов в SMD-исполнении

Рис. 4. Внешний вид конденсаторов с радиальными выводами

В производственную линейку конденсаторов с радиальными выводами входят шесть серий для жестких условий эксплуатации, в том числе для автомобильной электроники, и две серии экономичных конденсаторов для стандартных условий работы.

В состав каждой серии входит 20–30 модификаций конденсаторов. В общей сложности компания производит конденсаторы с несколькими сотнями наименований. Поскольку рассказать обо всех конденсаторах и даже отдельно обо всех сериях в рамках журнальной статьи невоз­можно, мы вначале дадим обобщающий «портрет» производимой продукции. В табл. 3 представлены некоторые основные параметры конденсаторов в SMD-исполнении, а в табл. 4 – конденсаторов с радиальными выводами.

* При максимальной температуре.

** Экономичные серии.

* При максимальной температуре.

** Экономичные серии.

Как следует из представленных таблиц, в производственной линейке компании можно найти конденсаторы для работы практически для всех типов условий эксплуатации. Даже для промышленных условий, в которых срок службы изделия превышает 15 лет, можно выбрать конденсатор со сроком службы 10 000 ч при максимальной температуре в 150 °С. В этом случае при рабочей температуре на 40 °С ниже максимальной его срок службы превысит 18 лет.

Напомним, что срок службы (Endurance) определяется при максимально допустимой температуре, когда к конденсатору подведено рабочее напряжение и через него протекают рабочие токи пульсации. При этом в течение срока службы емкость конденсатора не должна измениться более чем на 30 % от начального значения, тангенс угла потерь и сопротивление ESR не должны увеличиться более чем в два раза; кроме того, ток утечки не должен превысить указанное в документации значение.

Для того, чтобы дать несколько большее представление о конденсаторах компании, немного подробнее рассмотрим некоторые новинки. Как и в предыдущем случае, мы представим основные параметры конденсаторов в табличном виде (табл. 5). Заметим, что номинальный ток пульсации различен для разных диапазонов частот. Например, при частоте 100–120 Гц ток пульсации должен быть в 10 раз меньше, чем при частоте свыше 100 кГц. Коэффициенты, на которые следует умножать номинальный ток пульсации при разных частотах, приведены в документации на конденсаторы.

* При максимальной температуре.

** В числителе указаны значения при 125 °С, а в знаменателе – при 135 °С.

*** При 105 °С.

**** При 20 °С и 100 кГц.

Малые значения сопротивления ESR и относительно большие номинальные токи пульсации на частотах свыше 50–100 кГц позволяют использовать конденсаторы компании CAPXON в силовых преобразователях. В [1] приводится подробный тепловой расчет, опираясь на который, можно вычислить температуру поверхности конденсатора и его внутреннюю температуру. Однако для убедительности мы воспользуемся приближенным сравнительным методом.

Площадь поверхности 2-Вт резистора типа С2-33 составляет примерно 500 мм²; при этом, как известно из практики, при рассеиваемой мощности 0,2–0,3 Вт он лишь незначительно нагревается. Возьмем для сравнения конденсатор с радиальными выводами AE681M025G160PTA. Его площадь поверхнос­ти составляет 502 мм² при номинальном токе 5,8 А, при 125 °С и сопротивлении ESR = 8 мОм. Максимальная мощность рассеяния составит 5,82 ∙ 8 = 269 мВт. Таким образом, при корректной конструкции изделия, когда не нарушен теплообмен, нагрев конденсатора значительно, на несколько десятков градусов ниже максимально допустимой температуры 135 °С. Соответственно возрастет срок его службы.

Рис. 5. Место в производственной линейке конденсаторов серии AU

Разумеется, приведенный расчет носит оценочный характер и не может заменить точные вычисления, но такой способ часто используется для первичной оценки возможности нагрева. В заключение приведем рис. 5–8, на которых показано место новых серий конденсаторов в производственной линейке компании.

Рис. 6. Место в производственной линейке конденсаторов серии YA

Рис. 7. Место конденсаторов серии AE в производственной линейке

Рис. 8. Место конденсаторов серии YS в производственной линейке