Конденсаторы Panasonic. Часть 3. Полимеры

16 августа

универсальное применениеPanasonic Industrial Europeстатьяпассивные ЭК и электромеханика

Виктор Чистяков (г. Малоярославец)

Преимущества полимерных и полимерно-гибридных конденсаторов Panasonic над остальными типами конденсаторов – прекрасные частотные характеристики, самовосстановление, стабильная емкость и увеличенный срок службы. 

На сегодняшний день среди выпускаемых Panasonic конденсаторов имеются четыре семейства с использованием электропроводящих полимеров (одно из них гибридное): SP-Cap, POSCAP, OS-CON, Hybrid. SP-Cap выполнены в низкопрофильном корпусе SMD. Они выделяются небольшим эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и столь же малым значением ESL (эквивалентной последовательной индуктивности), также у них – повышенное рабочее напряжение.

Полимерно-танталовые POSCAP также выпускаются в компактном корпусе SMD, они имеют низкое ESR, повышенные емкость и рабочее напряжение. OS-CON выпускаются как в SMD, так и в цилиндрических корпусах. Они выделяются высоким рабочим напряжением и допускают повышенные пульсации тока.

Гибридные конденсаторы с проводящим полимером имеют увеличенное рабочее напряжение (80 В). У них низкое ESR, а прогнозируемая длительность эксплуатации (Endurance) составляет 4000 часов при рабочей температуре 125℃.

Все разновидности этих конденсаторов обладают целым рядом преимуществ в сравнении с обычными устройствами – керамикой, танталами, пленкой, электролитами. Особенности полимерной структуры этих конденсаторов представлены на рисунке 1. Как видим, электроды изготавливают из разных материалов, а в качестве электролита везде применяют электропроводящий полимер. Электроды делают из серебра, алюминия или тантала. Изолирующую пленку изготавливают из оксида алюминия или тантала.

Рис. 1. Структуры полимерных конденсаторов

Рис. 1. Структуры полимерных конденсаторов

В многослойных SP-Cap используют полимерный электролит и анод из алюминия. Диапазон номинальных емкостей у этого семейства 10…560 мкФ, а номинальные напряжения 2…35 В. Конденсаторы SP-Cap отличаются очень небольшим ESR: 3 миллиома и менее. Это одни из самых малых значений.

SP-Cap имеют компактный низкопрофильный корпус из компаунда (рисунок 2), они широко применяются в портативной электронике.

Рис. 2. Полимер-алюминиевые конденсаторы SP-Cap

Рис. 2. Полимер-алюминиевые конденсаторы SP-Cap

Конденсаторы OS-CON (рисунок 3) в цилиндрическом корпусе также используют электропроводящий полимер и алюминий. Номинальное напряжение у них 2…100 В, а емкость — 3,3…2700 мкФ. ESR у некоторых серий достигает 5 мОм. OS-CON также предназначены для поверхностного монтажа, но они и не столь компактные, как многослойные SP-Cap.

Рис. 3. Рулонные полимер-алюминиевые конденсаторы OS-CON

Рис. 3. Рулонные полимер-алюминиевые конденсаторы OS-CON

Конденсаторы POSCAP (рисунок 4) имеют танталовый анод и электролит из электропроводящего полимера. Рабочее напряжение составляет 2…35 В, данные конденсаторы имеют малые значения ESR и ESL, а номинальная емкость в диапазоне 3,9…1500 мкФ имеет стабильное значение в широкой полосе частот и при повышенной температуре.

Рис. 4. Полимер-танталовые конденсаторы POSCAP

Рис. 4. Полимер-танталовые конденсаторы POSCAP

В полимер-гибридных конденсаторах (рисунок 5) используют электролит совместно с электропроводящим полимером. В этом случае достигается повышенная проводимость и малое ESR. Жидкий электролит помогает работать при повышенном напряжении, а увеличенная эффективная поверхность электродов обеспечивает повышенную емкость. Рабочее напряжение гибридных конденсаторов составляет 25…80 В, а емкость 10…470 мкФ. Величина ESR находится в диапазоне 20…120 мОм. Она выше, чем у остальных полимерных семейств, но для цепей повышенной мощности все равно достаточно малая.

Рис. 5. Полимер-гибридные алюминиевые конденсаторы

Рис. 5. Полимер-гибридные алюминиевые конденсаторы

В таблице 1 перечислены основные характеристики и различия полимерных семейств. Более детально познакомиться с особенностями технологии можно, посмотрев видеоролик.

Таблица 1. Сравнение полимерных конденсаторов Panasonic

Наименование SP-Cap POSCA OS-CON Hybrid
Конструкция Алюминий-полимерный (многослойный) Полимерный танталовый Алюминий-полимерный (рулонный) Алюминиевый гибридный (полимер/электролит)
Номинальное напряжение, В 2…35 2…35 2…100 25…80
Емкость, мкФ 10…560 3,9…1500 3,3…2700 10…470
Рабочая температура, °C -40…125 -55…125 -55…105,
-55…125
-55…105,
-55…125
Срок службы, ч 1000
при 125°C (понижение на 20°C увеличивает срок в 10 раз)
1000
при 125°C (понижение на 20°C увеличивает срок в 10 раз)
2000
при 125°C (понижение на 20°C увеличивает срок в 10 раз)
10000
при 105°C,
4000
при 125°C
ESR, мОм до 3 до 5 до 5 до 20
Пульсирующий ток (Ripple), Аrms до 10,2 до 6,1 7,2 2,8
Площадь на плате, мм 7,3×4,3 2×1,25…7,3×4,3 Ø4…10 Ø5…10
Высота, мм 1,1…2 0,9…4 5,5…13 5,8…10,2
Достоинства Сверх низкое ESR, низкий профиль и приемлемая стоимость Малый размер, большая емкость и низкое ESR Высокое рабочее напряжение, большой ток пульсаций Достаточно низкое ESR, c учетом повышенного рабочего напряжения

Преимущества полимерных конденсаторов

При всех имеющихся различиях в конструкции и материалах, все четыре полимерных семейства конденсаторов Panasonic обладают и общим рядом важных достоинств в сравнении с другими популярными сегодня типами электролитических конденсаторов.

Прекрасные частотные характеристики

Благодаря очень малому ESR все полимерные семейства отличает пониженный импеданс в резонансной области частот, что позволяет пропускать через них повышенный импульсный ток в цепях питания. При тестировании оказалось, что пиковое импульсное напряжение при фильтрации помех (AC Ripple) здесь в пять раз ниже, чем на обычных танталовых конденсаторах, также отличающихся низким ESR.

Рис. 6. Сглаживание пульсаций тока на выходе источника питания

Рис. 6. Сглаживание пульсаций тока на выходе источника питания

Механизм самовосстановления

Обеспечить повышенную надежность и безопасность в сложных условиях эксплуатации при повышенной температуре помогает присущий полимерным конденсаторам механизм самовосстановления.

Бывает так, что при перегрузках по напряжению, а также из-за случайных механических воздействий в обычном электролитическом конденсаторе происходит пробой диэлектрика, вызывающий выход конденсатора из строя, иногда с полным разрушением и опасными последствиями в виде возгорания.

Можно сказать, что присущий полимерным конденсаторам механизм самовосстановления купирует последствия пробоя диэлектрика за счет самоизоляции поврежденного участка, происходящего при разогреве полимера непосредственно возникающим током короткого замыкания.

Поэтому для полимерных конденсаторов гарантированно допустимыми являются условия эксплуатации при 90% от максимального напряжения. Тогда как для обычных танталовых конденсаторов безопасные условия выбирают с запасом по рабочему напряжению 50% и выше.

Стабильная емкость

Основной параметр конденсаторов – это электрическая емкость, она остается у полимерных конденсаторов неизменной или почти стабильной при повышенном напряжении смещения DC Bias (рисунок 7), а также при изменении температуры (рисунок 8) и частоты. В этом отношении полимерные конденсаторы выгодно отличаются от керамических, которые могут терять до 90% номинальной емкости.

Рис. 7. Изменение емкости конденсаторов в зависимости от напряжения смещения

Рис. 7. Изменение емкости конденсаторов в зависимости от напряжения смещения

Рис. 8. Изменение емкости конденсаторов в зависимости от температуры

Рис. 8. Изменение емкости конденсаторов в зависимости от температуры

Полимерные конденсаторы не вызывают присущего многослойным керамическим конденсаторам (MLCC) акустического шума. Причиной шума керамики является пьезоэффект при подведении к выводам напряжения с периодически меняющейся полярностью. Из-за этого конденсатор генерирует незначительные вибрации, которые распространяются по всей монтажной плате, как показано на рисунке 9.

Рис. 9. Полимерные конденсаторы не вызывают акустического шума

Рис. 9. Полимерные конденсаторы не вызывают акустического шума

В таблице 2 указаны наилучшие параметры полимерных конденсаторов Panasonic.

Таблица 2. Наилучшие параметры полимерных семейств конденсаторов Panasonic

Наилучший параметр Максимальное
напряжение, В
Максимальная
емкость, мкФ
Минимальное ESR, мОм Наименьший размер
Значение 100/80 2700 3 Размер 2012
Наименование OS-CON/Hybrid OS-CON SP-Cap SP-Cap

Срок службы

Обычные электролитические конденсаторы имеют довольно ограниченный срок службы в связи с высыханием имеющего жидкостную консистенцию электролита. Полимерный электролит не имеет таких проблем со старением, а конденсаторы отличаются увеличенным сроком эксплуатации даже при повышенной рабочей температуре.

В таблицах 3 и 4 представлен заявленный срок службы для полимерных электролитических конденсаторов Panasonic.

Таблица 3. Срок службы гибридных конденсаторов Panasonic

Гибридные конденсаторы
Температура, °С Срок службы, час.
125 4000
115 8000
105 16000
95 32000
85 64000
75 128000

Таблица 4. Срок службы конденсаторов Panasonic OS-CON, SP-Cap и POSCAP

OS-CON, SP-Cap, POSCAP
Температура, °С Срок службы, час.
125 1000
105 10000
85 100000

Снижение рабочей температуры гибридных конденсаторов на каждые 10°С вызывает двукратное продление срока эксплуатации. А для семейств OS-CON, SP-Cap и POSCAP снижение рабочей температуры на каждые 20°С приводит к десятикратному продлению этого параметра.

Применение полимерных конденсаторов

По целому ряду параметров полимерные конденсаторы превосходят традиционные танталовые и многослойные керамические конденсаторы (MLCC). Поэтому их часто применяют в электрических цепях развязки для фильтрации и сглаживания напряжения питания. При выборе конденсаторов в дополнение к электрическим параметрам учитывают их размер, форму и стоимость.

Например, применение полимерных конденсаторов вместо MLCC позволяет ускорить разработку электронных схем, упростить конструкцию и минимизировать занимаемое на плате пространство.

За счет сверхмалого ESR полимерные конденсаторы стали альтернативой привычным танталовым и оптимальной заменой керамических конденсаторов (MLCC). Преимущества, связанные с заменой керамики полимерами, иллюстрирует рисунок 10. Два конденсатора семейства POS-CAP способны заменить 18 MLCC в фильтре после входного AC/DC-преобразователя. А один SP-CAP заменяет 15 MLCC в фильтре после вторичного источника питания DC/DC.

Рис. 10. Преимущества, связанные с заменой кремниевых конденсаторов полимерными

Рис. 10. Преимущества, связанные с заменой кремниевых конденсаторов полимерными

С учетом всего вышесказанного о достоинствах полимерных конденсаторов, полезными будут и рекомендации Panasonic по выбору фильтрующих конденсаторов на выходе вторичных источников питания (AC/DC и DC/DC) в сложной электронной схеме, как показано на рисунке 11 и описано в таблице 3.

Рис. 11. Примеры применения полимерных конденсаторов в цепях AC/DC и DC/DC

Рис. 11. Примеры применения полимерных конденсаторов в цепях AC/DC и DC/DC

Таблица 5. Выбор фильтрующих полимерных конденсаторов для вторичных источников питания

Позиция Требования SP-Cap POSCAP OS-CON Hybrid
1 Высокое напряжение (63…100 В), большой ток пульсаций (до 2,95 Аrms) Серии SXV Серии ZA
2 Высокое напряжение (63…100 В), низкое ESR (до 8 мОм) Серии SVPK Серии ZS
3 Большой ток пульсаций (Ripple Current), малый размер, низкий профиль Серии CX Серии TQS Серии SVPF
4 Малое ESR/большая емкость Серии S, L, G Серии TPE, TPF
5 Большой ток пульсаций Серии ZK

Конденсаторы на основе полимерной технологии Panasonic находят широкое применение в наиболее ответственных и работающих в жестких условиях системах управления, в телекоммуникационном оборудовании, в беспроводных системах и в радиосвязи, в промышленных электродвигателях и электроприводах, в измерительных приборах, в электромобилях и электропоездах (рисунок 12).

Рис. 12. Основные области применения полимерных конденсаторов Panasonic

Рис. 12. Основные области применения полимерных конденсаторов Panasonic

Заключение

За последние несколько лет ассортимент электролитических конденсаторов значительно пополнился благодаря применению полимерных технологий. Полимерные конденсаторы впервые появились в 1990-х годах. С тех пор они непрерывно совершенствуются. В сравнении с традиционными конденсаторами, новые конструкции и параметры полимерных изделий зачастую значительно расширяют возможности разработчиков электронной техники. Эту особенность новинок демонстрируют использующие преимущества проводящих полимеров семейства Panasonic SP-Cap, POSCAP, OS-CON и Hybrid.

Более детально разобраться с особенностями применения конденсаторов Panasonic на основе полимерной технологии вы сможете в следующей, заключительной статье из цикла «Конденсаторы Panasonic».

Литература

  1. Understanding polimer and hybrid capacitors
  2. Polymer capacitor vs.mlccs
  3. Short on MLCCs? S.O.S. Choose Panasonic Polymer Series!
  4. Polymer capacitors speed up your design – the next stage of low esr
  5. Polymer capacitors. Speed up your FPGA design

Список ранее опубликованных глав

  1. Виктор Чистяков. Конденсаторы Panasonic. Часть 1. Алюминий
  2. Виктор Чистяков. Конденсаторы Panasonic. Часть 2. Пленка
•••

Наши информационные каналы

О компании Panasonic Industrial Europe GmbH

Компания, которая должна была стать корпорацией Panasonic, была основана 7 марта 1918 года, когда Коносуке Мацусита переехал из своего крошечного жилища в большой двухэтажный дом и основал завод по производству электробытовой посуды Matsushita. Персонал состоял из трех человек: 23-летний Мацусита, 22-летний Мумено и ее брат, 15-летний Тошио Лу. Корпорация Panasonic насчитывает более 270 тысяч сотрудников по всему Миру, объединяет в своей структуре 582 компании и объем годовых продаж соста ...читать далее

Товары
Наименование
EEHZA1V470P (PAN)
EEHZA1H220P (PAN)
10SVPC68M (PAN)
10SVP10M (PAN)
6TPE330ML (PAN)
6TPB470M (PAN)
10TPE68M (PAN)
EEFSX0D471E4 (PAN)
EEFCX0J101R (PAN)