Elektrolyt- und Polymer-Hybrid-Kondensatoren sind nahezu gleich aufgebaut: Sie bestehen aus einer Kathodenseite und einer Anodenseite, und beide bestehen aus Aluminiumfolie. Der Anodenfilm wird oxidiert, um eine Aluminiumoxidschicht zu bilden, die das Dielektrikum bildet. Die beiden Folien werden unter Verwendung eines Isolationspapiers aufgerollt, um das gewickelte Element (P1, P2) zu bilden.
P1
P2. Grundlegender Aufbau von Elektrolyt- und Polymerkondensatoren
Der Unterschied zwischen den beiden Kondensatoren ist das Material, das beim Füllprozess verwendet wird, daher der Name: Elektrolytkondensatoren werden mit einem Elektrolyten gefüllt, während Polymer-Hybrid-Kondensatoren einen Polymerelektrolyten oder eine Kombination aus festen und flüssigen Polymeren verwenden.
Beide Kondensatoren bieten viele Vorteile, wie z. B. geringe Größe, aber hoher Kapazitätswert, niedrige Kosten und Eignung für eine Vielzahl von Designs, wie z. B. SMD-, THT- oder Snap-in-Designs.
Polymer-Hybridkondensatoren haben eine höhere Welligkeitsstromkapazität als Elektrolytkondensatoren sowie einen niedrigeren Innenwiderstand bei niedrigen Temperaturen und eine stabilere Kapazität bei hohen Frequenzen. Der Nachteil beider Kondensatortechnologien ist ihre begrenzte Lebensdauer. Während des Betriebs schrumpft der Elektrolyt oder das flüssige Polymer (P3).
P3. Der Elektrolyt bzw. flüssige Polymer diffundiert während des Betriebs, was die Lebensdauer des Kondensators verkürzt.
Die Arrhenius-Gleichung kann die Lebensdauer des Kondensators grob abschätzen.
Der größte Faktor, der die Lebensdauer von Elektrolyt- und Polymer-Hybrid-Kondensatoren beeinflusst, ist die Kerntemperatur des Kondensators, die mit der Umgebungstemperatur und der Höhe des angelegten Rippelstroms ansteigt. Außerdem kann mechanische Belastung durch hohen Rippelstrom die Oxidschicht beschädigen, was zu einem Selbstheilungseffekt führt, der zusätzlichen Elektrolyt verbraucht. Selbstheilung ist die Fähigkeit von Elektrolytkondensatoren und Polymer-Hybrid-Kondensatoren, die Oxidschicht durch eine chemische Reaktion zwischen Elektrolyt und Aluminium wiederherzustellen. Die Elektrolytschrumpfung kann auch zu einer Verschlechterung elektrischer Parameter wie der Kapazität und von Parametern wie dem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und dem Verlustfaktor führen.
Das Ende der Lebensdauer ist normalerweise das Stadium, in dem die Datenblattparameter (normalerweise die Erhöhung des Kapazitätsverlusts und der Prozentsatz des Verlustfaktors) nicht erfüllt werden.
Bei der Identifizierung von Kondensatorprodukten, die die elektrischen Parameter während des Zielbetriebs des Endprodukts erfüllen, kann der Benutzer die Arrhenius-Gleichung für eine erste Bewertung verwenden. Wie in P4 gezeigt, ist die Lebensdauer als Funktion des Diffusionskoeffizienten weitgehend analog zur Arrhenius-Gleichung. Als Faustregel kann man also sagen: Eine Verringerung der Betriebstemperatur um 50 Grad F (10 Grad) verdoppelt die Lebensdauer.
P4. Sowohl die Arrhenius-Gleichung als auch die empirische Methode zeigen, dass eine Abnahme der Betriebstemperatur von 50 Grad F (10 C)
verdoppelt die Lebensdauer des Kondensators und liefert nahezu konsistente Ergebnisse
Die Arrhenius-Gleichung bietet nur eine grobe Orientierung, da sie den signifikanten Einfluss des Rippelstroms auf die Eigenerwärmung nicht berücksichtigt.
Um einen genauen Wert für die Lebensdauerberechnung zu erhalten, wird dem Benutzer empfohlen, mit dem entsprechenden Kondensatorlieferanten zusammenzuarbeiten. Diese Berechnung erfordert vom Kunden ein Aufgabenprofil mit Angabe der tatsächlichen Betriebsstunden im jeweiligen Temperaturbereich.
P5. Ein beispielhaftes Aufgabenprofil zeigt, welche Parameter der Anbieter benötigt, um die Lebensdauer genau zu berechnen
Jeder Lieferant verwendet für seine eigenen Produkte eine separate Berechnung, die Temperaturprofile und Ripple-Strombelastungen enthält. Lieferanten können daher die vom Kunden bereitgestellten Aufgabenprofile für detaillierte Lebensdauerberechnungen verwenden.
Dies verhindert auch die Verwendung von überspezifizierten und teureren Kondensatoren.
Die Vergrößerung der Oberfläche des Kühlkörpers ist eine gute Möglichkeit, die Wärmeableitung zu verbessern und somit die Lebensdauer des Kondensators zu verlängern. Beispielsweise kann eine aktive Kühlung durch den Einsatz von Lüftern oder Wasser für eine bessere Wärmeabfuhr sorgen. Anwender können ein solches Kühlkonzept bei der Verifizierung von Komponenten und Lebensdauerberechnungen berücksichtigen.
Auch die Verbindung des Kühlkörpers mit dem Kondensator spielt eine entscheidende Rolle.
Oft ist es effektiver, den Kühlkörper direkt mit dem Bauteil zu verbinden, als ihn auf der anderen Seite der Platine zu platzieren. Außerdem muss die Peripherie des Kondensators berücksichtigt werden, da dieser durch die Pins gleichzeitig Wärme abstrahlt und aufnimmt, insbesondere wenn Leistungshalbleiter oder andere wärmeerzeugende Bauteile in der Nähe verbaut sind. Wenn empirische Daten (z. B. Durchlasstemperatur, Strom, Spannung und Frequenz) verfügbar sind, kann dieser Wärmeeintrag in die Lebensdauerberechnung einbezogen werden.
Verwendet der Anwender Wärmeleitpasten oder -pads, ist deren Wärmewiderstand ausschlaggebend. Je niedriger der Wert, desto höher der thermische Wirkungsgrad. Wenn der Kühlkörper elektrisch isoliert werden muss, sollte eine isolierende Wärmeleitpaste oder ein geeignetes Lötpad gewählt werden.
Wenn der Anwender eigene Berechnungen oder Simulationen durchführen möchte, können Wärmewiderstandsmodelle vom Kern des Kondensators (Wicklungselement) bis zu den Schenkeln und dem Gehäuse vom Lieferanten bezogen werden.
Wenn die Wärmeabfuhr und der Wärmewiderstand von der oberen Abdeckung oder Leiterplatte zum Kühlelement vollständig verstanden werden, kann auf eine zusätzliche Wärmeabfuhr oder -zufuhr geschlossen werden. Nach Nachweis der möglichen Wärmeabfuhr kann der Lieferant die Verwendung höherer Ripple-Ströme für das Platinenlayout zulassen, sofern der vom Lieferanten angegebene maximale Ripple-Strom nicht überschritten wird, da dies zu einer mechanischen Belastung des Kondensators führen würde.
P6. Thermisches Ersatzschaltbild des Kondensators
Bei der Auswahl eines Kondensatorprodukts wird empfohlen, die Arrhenius-Gleichung zu verwenden, um anfängliche Richtwerte zu bestimmen. Anhand des Aufgabenprofils lässt sich die Lebensdauer des für die Anwendung ausgewählten Kondensators genau berechnen, wobei auch der Grad der Eigenerwärmung durch den Ripple-Strom berücksichtigt wird. Um die Lebensdauer der Kondensatoren zu maximieren, sollte der Anwender mögliche Kühlkonzepte untersuchen und den Lieferanten oder Distributor während der Entwicklungsphase einbeziehen.