Auf einen Blick

Fortschrittliche Elektronik ist die Grundlage vieler Lösungen in den Bereichen erneuerbare Energien, sicheres Transportwesen, intelligentere Gebäude, energieeffiziente Beleuchtung, verbesserte industrielle Prozesse und dem bequemen Leben mit digitalen Helfern. Der Fortschritt im Bereich der Halbleiterintegration ermöglicht hochleistungsfähige und stromsparende Prozessoren sowie funktionsreiche Standard-ICs. Verbesserungen bei anderen Bauelementen wie Leistungshalbleitern, Widerständen und Kondensatoren tragen ebenfalls zu mehr Funktionalität, Energieeffizienz und Miniaturisierung bei.

Kondensatoren sind Grundbauelemente der Elektronikentwicklung. Sie verwalten Energie innerhalb von Schaltkreisen und helfen dabei, Störungen herauszufiltern, Schnittstellen zwischen Spannungspegeln zu ermöglichen, Energie zu speichern und die Stromversorgungsqualität zu verbessern. Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren werden häufig für die Aufbereitung elektrischer Energie in den Bereichen Industrie, Beleuchtung, Consumer-Elektronik und alternative Energien verwendet. Vor allem LED-Beleuchtung und Solar-/Windenergie sorgen für neue kompakte Kondensatoren, ausgelegt für hohe Betriebsspannungen von 450 oder 500 V. Mit Derating lassen sich diese Kondensatoren sicher bei Spannungen verwenden, die für große LED-Arrays erforderlich sind und zahlreiche Emitter in Serie enthalten. Die steigende Nachfrage nach LED-Treibern und elektronischen Vorschaltgeräten für CFL-Lampen sorgt für den Einsatz von SMD-High-Voltage-Elektrolyt-Kondensatoren, die eine lange Lebensdauer von bis zu 10.000 Stunden bieten, was vergleichbar mit den langen Lebensdauern von CFL-und LED-Lampen ist.

Bei Anwendungen rund um alternative Energien sind widerstandsfähige Elektrolyt-Kondensatoren für DC/AC-Wandler erforderlich. Die Wandler verbinden den Generator mit dem Netz. In Windturbinen kommt eine große Anzahl von High-Voltage-Elektrolyt-Kondensatoren zum Einsatz, um die DC-Link-Spannung, die den Wandler speist, zu glätten. Dieses Netzwerk wandelt den rohen, turbinengetriebenen AC-Generatorausgang, der je nach Rotorgeschwindigkeit eine variable Frequenz aufweist, in die richtige Frequenz und Spannung zur Netzeinspeisung um. Kondensatoren zur Glättung dieser DC-Link-Spannung müssen hohe Ripple-Ströme verkraften, um Lastschwankungen zu widerstehen und eine lange Lebensdauer zu erzielen. Dies minimiert auch den Wartungsaufwand für Windturbinen.

Bild 1: Miniatur DC-Link-Kondensator für kostengünstige Mikro-Generatoren.

Bild 1: Miniatur DC-Link-Kondensator für kostengünstige Mikro-Generatoren.Kemet

Da die Erzeugung erneuerbarer Energie immer populärer wird, steigt auch die Nachfrage nach kleineren Folienkondensatoren für Glättungsschaltkreise in Mikro-Generatoren. Kemets DC-Link-Folienrundkondensatoren C4AE (Bild 1) sind für solche Anwendungen optimiert und bieten einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR; Equivalent Series Resistance). Damit steigt nicht nur der Wirkungsgrad, auch die interne Wärmeentwicklung wird verringert, was das Wärmemanagement in kostengünstiger Consumerelektronik vereinfacht. Verbesserte Folieneigenschaften bietet diese für einen Betrieb bis 105 °C ausgelegte Serie. So erfüllt sie die Anforderungen bei der Solarstromerzeugung, beim Laden von Batterien für Elektrofahrzeuge und für industrielle Stromversorgungen. Verschiedene Neuerungen reduzieren den ESR, wie zum Beispiel hochleitfähige Elektrolyte, ein optimierter innerer Aufbau und verbesserte Fertigungsabläufe wie das bildverarbeitungsgesteuerte Löten von Anschlüssen.

Kleine und ausfallsichere MLCCs

Mehrlagige Keramik-Chipkondensatoren (MLCCs = Multi-Layer Ceramic Chip Capacitors) kommen in Entkopplungs-, Filter-, Bypass- und Glättungsschaltkreisen zum Einsatz. Sie bieten hohe Kapazitäten in kleinen Gehäusen und ermöglichen somit kleinere Leiterplatten und Geräteabmessungen. Verbesserungen, die für noch kleinere Gehäuse sorgen, sowie geringere Kosten und sie bewirken eine höhere Leistungsfähigkeit. Deshalb sind diese Kondensatoren in immer mehr Anwendungen zu finden, die normalerweise mit Tantal-, Aluminium- oder Folienkondensatoren bestückt werden.

Bild 2: Gestackte Kondensatoren im Leadframe-Gehäuse bieten eine hohe Kapazität bei geringem Platzbedarf.

Bild 2: Gestackte Kondensatoren im Leadframe-Gehäuse bieten eine hohe Kapazität bei geringem Platzbedarf.Kemet

Die High-Voltage-Kondensatoren X7R basieren auf einer proprietären Leadframe-Technologie und kombinieren zwei MLCCs übereinander in einem 2220-Gehäuse (Bild 2). Damit verdoppelt sich die Kapazität bei gleicher Stellfläche. Mit den Nennspannungen 500 und 630 VDC steht die KPS-Serie zur Verfügung. Sie bietet niedrige ESR- und ESL-Werte und eignet sich für Glättungsschaltkreise in Schaltnetzteilen, Dämpfungsglieder in Vorschaltgeräten von Beleuchtungen sowie für die High-Voltage-Kopplungs- und DC-Blocking-Schaltkreise in Wechselrichtern.

Fortschrittliche Gehäusetechnik erhöht die Biegerissfestigkeit, die früher die Hauptausfallursache bei MLCCs war. Die KPS-Serie bietet eine mechanische Isolation, die hohe mechanische und thermische Belastbarkeit zulässt und ein Durchbiegen der Leiterplatte von bis zu 10 mm unterstützt. Kemet hat unterschiedliche Biegerissfestigkeitstechniken entwickelt, die in verschiedenen Produktreihen zum Einsatz kommen, darunter Open-Mode- und Floating-Electrode-Bausteine mit Fail-Open-Technologie, die 2 mm Durchbiegung unterstützen. COG- und hochstabile X8R-Kondensatoren bieten die flexible Anschlusstechnik FT-CAP (Flexible Termination; Bild 3), die Leiterplatten-Belastungen vom Keramikgehäuse in den Anschlussbereich weiterleitet und Durchbiegungen des Bausteins bis zu 5 mm erlaubt. Hybride FO-CAP-Fail-Open-/Flexible-Termination- und FF-CAP-Floating-Electrode-/Flexible-Termination-Bausteine sind ebenfalls erhältlich.

Bild 3: FT-CAP-Technologie bei MLCCs beseitigt Ausfälle durch Biegerisse.

Bild 3: FT-CAP-Technologie bei MLCCs beseitigt Ausfälle durch Biegerisse. Kemet

Ein verbessertes Hochtemperatur-Dielektrikum, das für einen Betrieb bis 125 °C ausgelegt ist, offerieren die FT-CAP-C0G-Kondensatoren. Die X8R-Serie hingegen hält ihre Kapazitätswerte bei Temperaturen bis zu 150 °C konstant.

Automotive-qualifizierte Versionen der X7R- und C0G-Kondensatoren stellen eine hohe Temperaturbeständigkeit bereit, die zur Steuerung von HID-Frontscheinwerfern (High-Intensity Discharge) erforderlich ist. Hohe Temperaturbeständigkeit ist vor allem in Controllern gefragt, die Zündungs- und Vorschaltkreise enthalten. Dabei kann der Boost-Kondensator Temperaturen bis zu 150 °C ausgesetzt sein. Auch fortschrittliche Folienkondensatoren lassen sich hier einsetzen.

Weiterentwicklung bei Tantal-Kondensatoren

Eine weitere Entwicklung unter heutigen fortschrittlichen Kondensatoren sind die True-Fail-Open-Fused-Tantal-Kondensatoren für hochzuverlässige Anwendungen, in denen ein kurzgeschlossener Kondensator den Betrieb des gesamten Systems unterbrechen würde. Dazu zählen Entkopplungs- und Filterschaltkreise in den Bereichen Computing, Telekom und Verteidigungstechnik, sowie industrielle Anwendungen wie Filter für Point-of-Load-Wandler und Schaltnetzteile, die eine integrierte Sicherung erfordern. Dies sind Anwendungen mit hohen Strömen, bei denen hohe Fehlerströme auftreten können und nur wenig oder gar kein Serienwiderstand zum Schutz des Kondensators vorhanden ist. Für solche Anwendungen eignen sich die Commercial-Off-The Shelf (COTS)-MnO2-Tantal-Kondensatoren T496, da sie eine interne Sicherung enthalten, die sich innerhalb einer Sekunde öffnet, sobald ein Fehlerstrom erkannt wird. Damit wird der Kondensator vom restlichen Schaltkreis isoliert.

Tantal-Kondensatoren kommen auch in SSDs (Solid-State Drives), Funkkarten und GPS-Systemen zum Einsatz, die von der hohen Kapazität, dem niedrigen ESR-Wert und der kleinen Gehäusegröße dieser Bausteine profitieren. Die neuesten Baureihen bieten höhere Kapazitätswerte, einen niedrigeren ESR, geringe Bauhöhen und einen durchgehenden Aufbau auf Halbleiterbasis.

Bild 4: Tantal-Stack-Polymer-Technologie bietet hohe Kapazitäten mit dem niedrigen ESR und den robusten Eigenschaften der Tantal-Kondensatoren.

Bild 4: Tantal-Stack-Polymer-Technologie bietet hohe Kapazitäten mit dem niedrigen ESR und den robusten Eigenschaften der Tantal-Kondensatoren.Kemet

Eine weitere Neuerung ist die TSP-Technologie (Tantal Stack Polymer), die auf einer Kathodenplatte aus einem organischen, leifähigen Polymer basiert und zwei, drei, vier oder sechs diskrete Bauteile in einem Bauteil übereinander packt (Bild 4). Diese Kondensatoren bieten hohe Kapazitäten, einen niedrigen ESR und hohe Ripple-Strombelastbarkeit für Stromversorgungsanwendungen.

Polymer-Folienkondensatoren

Mit neuen Polymer-Kondensator-Technologien lässt sich die Zahl der erforderlichen Kondensatoren verringern, insbesondere bei Anwendungen wie Radar-Puls-Kondensatoren und Point-of-Load- DC/DC-Wandler sowie Schaltnetzteilen in den Bereichen Computing, Telekom, Industrie und Verteidigungstechnik. Weiterhin bieten diese Kondensatoren einen niedrigen ESR-Wert und eine niedrige Verlustleistung, was zu einer höheren Strombelastbarkeit als bei vergleichbaren MnO2-Bausteinen führt. Die Polymer-COTS-Kondensatoren der T543-Serie basieren auf neuesten Polymer-Technologien mit einem Upscreening, das mindestens 24 Stunden Spannungskonditionierung und Spitzenströme bei +25 und -55/+85 °C umfasst. Zudem liefern sie einen unkritischen Fehlermodus. Die langfristige Zuverlässigkeit erlaubt es Entwicklern, bis zu 90 Prozent weniger Kondensatoren in neuen Power-Management-Designs zu verwenden.