Гибридные конденсаторы Panasonic: взять лучшее от электролитов и полимеров

8 сентября

системы безопасностиучёт ресурсовсветотехникаPanasonic Industrial Europe GmbHстатьяпассивные ЭК и электромеханикаPanasonicконденсаторыPolymerHybridполимерные конденсаторыэлектролитические конденсаторыгибридные конденсаторы

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Гибридные конденсаторы представляют особый интерес для пользователей. Они унаследовали от полимерных конденсаторов такие достоинства как устойчивость к импульсам тока, повышенную надежность и низкое собственное сопротивление, а также характеризуются высокой емкостью и низким током утечки, как у алюминиевых электролитов. Благодаря этому гибридные конденсаторы могут с успехом заменить традиционные алюминиевые конденсаторы в широком спектре низковольтных приложений.

Выпуск полимерных конденсаторов начался в 90-е годы прошлого века. За это время они прошли значительный путь развития и доказали свою конкурентоспособность в широком спектре приложений. Если сравнивать полимерные конденсаторы с обычными алюминиевыми электролитами, то можно отметить их повышенную надежностью, минимальный ESR (от 2 мОм), отличную температурную и временную стабильность характеристик, отсутствие зависимости емкости от напряжения (так называемый эффект DC-bias). С другой стороны, электролиты могут иметь рейтинг напряжения до сотен вольт и обладают высокой удельной емкостью. Разумеется, любой разработчик хотел бы иметь в своем распоряжении конденсаторы, которые объединяли бы все эти достоинства. Ближе всего к идеалу приблизились гибридные конденсаторы.

В настоящей статье рассматривается конструкция и основные достоинства гибридных конденсаторов на примере продукции Panasonic.

Конструкция гибридных конденсаторов

В настоящий момент пользователям доступны различные типы полимерных и алюминиевых электролитических конденсаторов. В частности, компания Panasonic выпускает полимерные конденсаторы плоской и рулонной конструкций для поверхностного SMD-монтажа монтажа и монтажа в отверстия.

Конструкция рулонного выводного полимерного конденсатора практически идентична структуре алюминиевого электролита, с той лишь принципиальной разницей, что вместо жидкого электролита между электродами размещается проводящий твердый полимер (рисунок 1).

Рис. 1. Конструкция выводного полимерного конденсатора

Рис. 1. Конструкция выводного полимерного конденсатора

Структура гибридных конденсаторов предполагает одновременное использование и твердого полимерного слоя, и жидкого электролита, а также традиционного алюминиевого катода (рисунок 2). Такое решение обеспечивает повышенную проводимость и низкий ESR, как в случае полимерных конденсаторов, а также возможность обеспечения высокого рейтинга напряжения и значительной удельной емкости, как в случае алюминиевых электролитов. Разумеется, ESR гибридных конденсаторов оказывается выше, чем у полимерных, а по величине емкости они уступают алюминиевым электролитам. Однако по совокупности своих качеств гибридные конденсаторы становятся отличной альтернативой для алюминиевых электролитов в целом ряде промышленных и автомобильных низковольтных применений.

Рис. 2. Конструкция гибридного полимерного алюминиевого конденсатора

Рис. 2. Конструкция гибридного полимерного алюминиевого конденсатора

Электрические и эксплуатационные характеристики гибридных конденсаторов

Рассмотрим подробнее те достоинства гибридных конденсаторов, которые они получили «в наследство» от полимерных.

Низкое последовательное сопротивление (ESR) и отличные частотные характеристики

Полимерные конденсаторы отличаются минимальным значением последовательного эквивалентного сопротивления (ESR). Так, например, для полимерных конденсаторов производства Panasonic ESR начинается с 2 мОм. Разумеется, для гибридных конденсаторов ESR несколько больше (с 11 мОм), но все равно это значительно меньше чем у танталов и электролитов.

Именно ESR ограничивает импеданс конденсатора в точке резонанса (рисунок 3). Чем меньше значение ESR, тем эффективнее конденсатор справляется с подавлением помех. Говоря о снижении ESR, не стоит забывать также и об уменьшении разогрева конденсатора в процессе работы.

В результате при прочих равных условиях гибридные конденсаторы могут в ряде случаев заменять не только электролиты, но и связку из электролитов и керамических конденсаторов.

Рис. 3. Снижение ESR позволяет уменьшить потери и снизить пульсации напряжения

Рис. 3. Снижение ESR позволяет уменьшить потери и снизить пульсации напряжения

Высокая стабильность емкости

В отличие от многослойных керамических конденсаторов с диэлектриком (X7R/X5R/Y5V), полимерные конденсаторы характеризуются минимальной зависимостью емкости от температуры и приложенного напряжения. У них также отсутствует эффект DC-bias.

Эти же преимущества демонстрируют и гибридные конденсаторы (рисунок 4). Их емкость гораздо меньше зависит от температуры и рабочей частоты по сравнению с алюминиевыми электролитами. На рисунке 4 видно, что на частоте более 100 кГц емкость гибридного конденсатора с номиналом 100 мкФ оказывается выше чем емкость электролитического конденсатора с номиналом 1000 мкФ. При этом габаритные размеры и последовательное сопротивление гибридного конденсатора при 20°С оказываются существенно меньше.

Рис. 4. По сравнению с алюминиевыми электролитами гибридные конденсаторы отличаются высокой стабильностью емкости: а) на высоких частотах; б) при низких температурах

Рис. 4. По сравнению с алюминиевыми электролитами гибридные конденсаторы отличаются высокой стабильностью емкости: а) на высоких частотах; б) при низких температурах

Устойчивость к пробоям

Одним из больших плюсов полимерных конденсаторов является эффект самовосстановления, который демонстрируется на рисунке 5. При возникновении пробоя ток короткого замыкания локализуется в точке пробоя. Далее в области локального перегрева образуется непроводящий слой, который препятствует дальнейшему протеканию тока. Аналогичный механизм характерен и для гибридных конденсаторов. Причем у гибридных конденсаторов эффект изоляции дополнительно усиливается за счет окисления алюминия жидким электролитом.

Рис. 5. Восстановление изоляции при пробое полимерного конденсатора

Рис. 5. Восстановление изоляции при пробое полимерного конденсатора

Высокая долговременная стабильность

Одним из существенных недостатков алюминиевых электролитов является значительное снижение емкости в течение срока службы даже при отсутствии импульсов тока и высоких рабочих температур. Понятие «высохший электролит» знакомо практически каждому электронщику. Если же электролитическому конденсатору приходится работать при высокой температуре или частых импульсах тока, то ситуация становится еще хуже. Чтобы гарантировать нормальную работу устройства, разработчикам приходится закладывать большой запас по емкости.

Гибриды характеризуются повышенной длительной стабильностью (рисунок 6). Так, например, компания Panasonic предлагает серии конденсаторов со сроком службы до 1000 часов при температуре 150°С и больших импульсах тока.

Рис. 6. Гибридные конденсаторы отличаются долговременной стабильностью даже при повышенных температурах и больших импульсах тока

Рис. 6. Гибридные конденсаторы отличаются долговременной стабильностью даже при повышенных температурах и больших импульсах тока

Стоит отметить, что несмотря на устойчивость к повышенным температурам, срок службы гибридных конденсаторов зависит от рабочей температуры. Оценить ожидаемый срок службы можно по формуле 1:

$$L_{2}=L_{1}\times 2^{\frac{T_{1}-T_{2}}{10}},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • L1 – гарантированный срок службы при температуре T1 (табличный параметр);
  • L2 – ожидаемый срок службы при температуре T

На практике удобно использовать следующее правило: при уменьшении рабочей температуры на 10°С ожидаемый срок службы конденсатора увеличивается в два раза.

В качестве небольшого итога можно сравнить характеристики конденсаторов равных габаритов (диаметр 6,3 мм) и равных рейтингов напряжения (таблица 1). По сравнению с алюминиевым электролитом гибридный конденсатор даже при меньшей высоте корпуса демонстрирует увеличенную емкость, повышенную устойчивость к импульсам тока, меньший ESR и вдвое больший срок службы.

Таблица 1. Сравнение характеристик

35 В Алюминиевый электролитический Полимерный Гибридный
Электролит Жидкий Полимерный Полимерный + жидкий
Размер, мм 6,3×7,7 6,3×5,8 6,3×5,8
Емкость, мкФ 47 47 56
Утечка, мА 0,01 CV 0,2 CV 0,01 CV
Устойчивость к влажности 85°C, 85% RH 60°C, 95% RH 85°C, 85% RH
Срок службы при 125°C, ч 2000 2000 4000
Ток пульсаций при 20°C и 100 кГц, мА 197 1000
(3100 при 105°C)
1080
ESR при 20°C и 100 кГц, мОм 450 26 60
Работоспособность при низких температурах Плохая Хорошая Хорошая
ВЧ-характеристики Плохие Хорошие Хорошие

Все перечисленные преимущества делают гибридные конденсаторы отличной альтернативой электролитам в низковольтных приложениях.

В качестве конкретных примеров гибридных конденсаторов можно рассмотреть продукцию компании Panasonic.

Обзор гибридных конденсаторов производства Panasonic

Компания Panasonic выпускает несколько серий гибридных конденсаторов (таблица 2, рисунок 7):

  • ZA – базовая серия гибридных конденсаторов с низким ESR, рейтингом напряжения ≤80 В и сроком службы до 10000 часов при 105°С;
  • ZC – серия конденсаторов с низким ESR, рейтингом напряжения ≤80 В, расширенным температурным диапазоном до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
  • ZE – высокотемпературная серия конденсаторов с рейтингом напряжения ≤63 В, температурным диапазоном до 145°С и сроком службы до 2000 часов при 145°С;
  • ZK – серия конденсаторов повышенной емкости (до 470 мкФ) с рейтингом напряжения ≤35 В, температурным диапазоном до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
  • ZKU – серия конденсаторов повышенной емкости (до 560 мкФ) с рейтингом напряжения ≤35 В, температурным диапазоном до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
  • ZS – серия конденсаторов повышенной емкости (до 560 мкФ) с рейтингом напряжения ≤63 В, диапазоном рабочих температур до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
  • ZF – высокотемпературная серия конденсаторов с рейтингом напряжения ≤63 В, емкостью до 270 мкФ, диапазоном рабочих температур до 150°С и сроком службы до 1000 часов при 150°С.

Таблица 2. Характеристики серий гибридных конденсаторов Panasonic

Параметр ZA ZC ZK ZS ZE ZF
Диапазон рабочих температур, °C -55…105 -55…125 -55…125 -55…125 -55…145 -55…150C
Рейтинг напряжения, В DC 25…80 25…80 25…35 25…63 25…63 25…63
Емкость, мкФ 10…330 10…330 33…470 100…560 33…330 33…270
Срок службы, °C/ч 105/10000 125/4000 125/4000 125/4000 145/2000,
135/ 4000
150/1000
Импульсный ток  при 100 кГц/макс. темп., Arms 0,75…2,5 0,5…2 0,66…2,8 3…4 0,6…0,9 0,65…1
ESR, мОм 20…120 20…120 20…100 11…19 20…40 20…40

Рис. 7. Линейка гибридных конденсаторов Panasonic

Рис. 7. Линейка гибридных конденсаторов Panasonic

В таблице 3 представлены характеристики наиболее популярных моделей конденсаторов разных серий.

Таблица 3 Характеристики популярных моделей гибридных конденсаторов

Наименование Серия Монтаж Uраб, В С, мкФ Iу, мкА Траб, °C D, мм H, мм Iriple, А ESR, мОм Наработка, ч
EEHZA1E101XP ZA SMD 25 100 25 -55…105 6,3 7,7 2000 30 10000
EEHZA1E221P ZA SMD 25 220 55 -55…105 8 10,2 2300 27 10000
EEHZA1E330R ZA SMD 25 33 8,2 -55…105 5 5,8 900 80 10000
EEHZA1E331P ZA SMD 25 330 82,5 -55…105 10 10,2 2500 20 10000
EEHZA1E560P ZA SMD 25 56 100 -55…105 6,3 5,8 1300 50 10000
EEHZA1H100R ZA SMD 50 10 5 -55…105 5 5,8 750 120 10000
EEHZA1H101P ZA SMD 50 100 50 -55…105 10 10,2 2000 28 10000
EEHZA1H220P ZA SMD 50 22 100 -55…105 6,3 5,8 1100 80 10000
EEHZA1H330XP ZA SMD 50 33 16,5 -55…105 6,3 7,7 1600 40 10000
EEHZA1H680P ZA SMD 50 68 34 -55…105 8 10,2 1800 30 10000
EEHZA1J100P ZA SMD 63 10 6,3 -55…105 6,3 5,8 1000 120 10000
EEHZA1J220XP ZA SMD 63 22 13,8 -55…105 6,3 7,7 1500 80 10000
EEHZA1J330P ZA SMD 63 33 20,7 -55…105 8 10,2 1700 40 10000
EEHZA1J560P ZA SMD 63 56 35,2 -55…105 10 10,2 1800 30 10000
EEHZA1K220P ZA SMD 80 22 17,6 -55…105 8 10,2 1550 45 10000
EEHZA1K330P ZA SMD 80 33 26,4 -55…105 10 10,2 1700 36 10000
EEHZA1V151P ZA SMD 35 150 52,5 -55…105 8 10,2 2300 27 10000
EEHZA1V220R ZA SMD 35 22 7,7 -55…105 5 5,8 900 100 10000
EEHZA1V270P ZA SMD 35 27 100 -55…105 6,3 5,8 1300 60 10000
EEHZA1V271P ZA SMD 35 270 94,5 -55…105 10 10,2 2500 20 10000
EEHZA1V470P ZA SMD 35 47 100 -55…105 6,3 5,8 1300 60 10000
EEHZA1V680XP ZA SMD 35 68 23,8 -55…105 6,3 7,7 2000 35 10000
EEHZC1H121P ZC SMD 50 120 60 -55…125 10 10,2 1600 28 4000
EEHZK1V101XP ZK SMD 35 100 35 -55…125 6,3 7,7 1700 35 4000
EEHZK1V331P ZK SMD 35 330 115,5 -55…125 10 10,2 2800 20 4000
EEHZK1E471P ZK SMD 25 470 117,5 -55…125 10 10,2 2800 20 4000
EEHZC1K470P ZC SMD 80 47 37,6 -55…125 10 10,2 1360 36 4000
EEHZC1J680P ZC SMD 63 68 42,8 -55…125 10 10,2 1400 30 4000
EEHZK1E151XP ZK SMD 25 150 37,5 -55…125 6,3 7,7 1800 30 4000
EEHZK1V181P ZK SMD 35 180 63 -55…125 8 10,2 2000 27 4000
EEHZK1V330R ZK SMD 35 33 11,6 -55…125 5 5,8 750 100 4000
EEHZK1E680P ZK SMD 25 68 17 -55…125 6,3 5,8 1300 50 4000

Говоря о преимуществах гибридных конденсаторов Panasonic, стоит отметить соответствие требованиям AEQ и наличие вибростойких исполнений. Вибростойкие конденсаторы отличаются особой конструкцией выводов и способны выдерживать вибрационные нагрузки до 30g. Очевидно, что такие модели будут востребованы в автомобильных и промышленных приложениях.

Наименование гибридных конденсаторов Panasonic содержит название серии, рейтинг напряжения, номинал емкости и форму поставки (лента), как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Наименование гибридных конденсаторов Panasonic

Рис. 8. Наименование гибридных конденсаторов Panasonic

Преимущества использования гибридных полимерных конденсаторов

Ранее было отмечено, что по сравнению с электролитами гибридные полимерные конденсаторы производства компании Panasonic отличаются минимальной температурной зависимостью, низким ESR, отличными частотными характеристиками, повышенной надежностью, длительным сроком службы, наличием вибростойких исполнений и сертификацией AEQ. Эти преимущества делают гибридные полимерные конденсаторы идеальной альтернативой для промышленных и автомобильных низковольтных приложений. Рассмотрим некоторые примеры. 

Автомобильные электронные модули

Автомобильная техника предъявляет суровые требования к электронным компонентам, так как им приходится работать в достаточно жестких условиях. Речь идет о широком диапазоне рабочих температур, вибрационных нагрузках и жестких требованиях ЭМС.

Разработчики электронных автомобильных модулей недолюбливают алюминиевые электролиты из-за их низкой температурной и временной стабильности. При нагреве и в процессе длительной эксплуатации емкость электролитического конденсатора может уменьшаться, что снижает эффективность борьбы с помехами. Чтобы этого избежать, используют батареи конденсаторов с огромным запасом по емкости (рисунок 9). Использование нескольких параллельных электролитов необходимо и для обеспечения требуемых импульсных токов. Очевидно, что такое решение не может быть компактным.

Так как емкость гибридных конденсаторов слабо зависит от температуры, а их импульсный ток оказывается существенно выше, то для решения той же задачи можно использовать меньшее количество конденсаторов.

Пример замены электролитов на гибриды поясняется в таблице 4. Несмотря на кратное уменьшение занимаемого места, гибриды демонстрируют меньшее значение ESR и больший импульсный ток.

Рис. 9. Использование конденсаторов большой емкости в автомобильных модулях

Рис. 9. Использование конденсаторов большой емкости в автомобильных модулях

Таблица 4. Пример замены электролитов на гибридные конденсаторы в автомобильном устройстве

Параметр Алюминиевые электролитические конденсаторы Гибридные конденсаторы
Наименование EEETK1V101UP EEHZC1V470P
Тип 100 мкФ, 35 В, 8х10,2мм 47 мкФ, 35 В, 6,3х5,8мм
Количество 4 2
Площадь, мм2 368 (100%) 108 (29%)
Высота, мм 10,2 (100%) 5,8 (57%)
ESR, мОм 75 30
Срок службы при 125°С, ч 3000 4000
Импульсный ток при 100 кГц и 125°С, мА 768 1800

Промышленные импульсные устройства

Перечисленные преимущества делают гибридные конденсаторы альтернативой для электролитов и в промышленных импульсных устройствах, таких как приводы электродвигателей, инверторы, импульсные блоки питания и так далее (рисунок 10).

Рис. 10. Использование конденсаторов в промышленных устройствах

Рис. 10. Использование конденсаторов в промышленных устройствах

В таблице 5 представлен пример замены электролитов на гибриды в одном из подобных промышленных устройств. В данном случае батарея гибридных конденсаторов обеспечивает более высокий импульсный ток и предполагаемый срок службы при меньших габаритах.

Таблица 5. Пример замены электролитов на гибридные конденсаторы в промышленном устройстве

Параметр Алюминиевые электролитические конденсаторы Гибридные конденсаторы
Наименование EEUFK1E122 EEHZA1E331P
Тип 1200 мкФ, 25 В, 12,5х20 мм 330 мкФ, 25 В, 10х10,2 мм
Количество 2 2
Площадь, мм2 313 (100%) 264 (85%)
Высота, мм 20 (100%) 10,2 (51%)
ESR, мОм 15 15
Срок службы при 105°С, ч 5000 10000
Импульсный ток при 100 кГц, 125°С, мА 3780 5000

Заключение

Гибридные конденсаторы вобрали в себя лучшие качества полимерных и электролитических конденсаторов: большую удельную емкость, низкий ESR, отличные частотные характеристики, высокую стабильность емкости и повышенную надежность.

Благодаря этим преимуществам гибридные конденсаторы становятся отличной альтернативной электролитам в широком спектре промышленных и автомобильных приложений.

В настоящий момент компания Panasonic предлагает широкий выбор гибридных конденсаторов нескольких серий с емкостью до 560 мкФ, рейтингом напряжения до 80 В, ESR от 11 мОм и диапазоном рабочих температур до -55…150°C.

Литература

  1. Understanding Polymer and Hybrid Capacitors. Advanced capacitors based on conductive polymers maximize performance and reliability.
  2. Conductive Polymer Hybrid Aluminum Electrolytic Capacitors Products.
•••

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
EEHZA1E101XP (PAN)
EEHZA1E221P (PAN)
EEHZA1E330R (PAN)
EEHZA1E331P (PAN)
EEHZA1E560P (PAN)
EEHZA1H100R (PAN)
EEHZA1H101P (PAN)
EEHZA1H220P (PAN)
EEHZA1H330XP (PAN)
EEHZA1H680P (PAN)
EEHZA1J100P (PAN)
EEHZA1J220XP (PAN)
EEHZA1J330P (PAN)
EEHZA1J560P (PAN)
EEHZA1K220P (PAN)
EEHZA1K330P (PAN)
EEHZA1V151P (PAN)
EEHZA1V220R (PAN)
EEHZA1V270P (PAN)
EEHZA1V271P (PAN)