Aluminium-Polymer-Kondensatoren, auch Polymer-Elektrolyt-Kondensatoren oder kurz Polymer-Elkos genannt, sind eine Unterform der Elektrolyt-Kondensatoren, bei denen statt eines flüssigen Elektrolyts ein leitfähiges, festes Polymer eingesetzt wird. Sowohl Aluminium-Polymer- als auch Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren besitzen ein sehr gutes Verhalten gegenüber der Einwirkung von Spannung und Temperatur. Aluminium-Polymer-Kondensatoren verfügen zudem über eine sehr positive Eigenschaft bezüglich Alterung, vor allem im Vergleich zu Keramikkondensatoren. Sobald die Kapazität größer werden muss, sind diese Kondensatoren auch preislich äußerst interessant. Darüber hinaus lassen sich durch ihr spezielles Konstruktionsverfahren parasitäre Effekte erheblich verringern. Für die Anwendung bedeutet dies, dass ein hoher Rippelstrom, geringe parasitäre Induktivitäten, hohe Zuverlässigkeit und sehr gute Temperatureigenschaften möglich sind.

ECKDATEN

Bei der Würth Elektronik Eisos reichen die Kapazitätswerte von Aluminium-Polymer-Kondensatoren von 10 µF bis 2 mF bei einem Spannungsbereich von 6,3 bis 100 V in den verschiedensten Bauformen. Durch ihre elektrischen Eigenschaften sind die Möglichkeiten des Einsatzes von Aluminium-Polymer-Kondensatoren sehr vielfältig und reichen von klassischen Back-Up-Lösungen von Spannungen, Pufferung der Versorgungsspannung, über Bypass oder Auskopplung von Signalen, Filteranwendungen bis hin zur Spannungsglättung von Schaltreglerapplikationen.

Die hohe Zuverlässigkeit lässt sich durch die um eine vielfach höhere Lebensdauer der Aluminium-Polymer-Kondensatoren belegen. Allerdings sollten die spezifischen Gegebenheiten der Applikation hinsichtlich Vibration bedacht werden, da festes Polymer diese nicht so gut abfedern kann wie ein flüssiger Elektrolyt. Ebenso muss berücksichtigt werden, dass in Bezug auf das Volumen bei einer definierten Kapazität und Spannung der normale Aluminium-Elektrolyt-Kondensator weiterhin Vorteile hat.

Abwärtswandler mit Polymer-Elkos

Anhand eines Abwärtswandlers werden nun die positiven Effekte des Aluminium-Polymer-Kondensators aufgezeigt. Die Eingangsspannung liegt bei 12 V, die Ausgangsspannung wurde auf 5 V eingestellt. Eine reine ohmsche Last von 5 Ω bewirkt, dass ein Strom von 1 A durch den Widerstand fließt. Dieser Aufbau wird sowohl für die EMV-Messung als auch für die Messungen des Ripple der Ausgangsspannung, bei immer konstanter Last, verwendet. Bezüglich EMV ist ein Abwärtswandler jedoch deutlich kritischer am Eingang, was an der diskontinuierlichen Stromaufnahme, verursacht durch die schnellen Schaltvorgänge der Halbleiter, liegt. Bedingt durch die Topologie ist am Ausgang bereits ein „LC-Filter“ vorhanden, welches den diskontinuierlichen Strom auf der High-Side integriert.

Bild 1: Schaltplan des aufgebauten Abwärtswandlers.

Bild 1: Schaltplan des aufgebauten Abwärtswandlers. Würth Elektronik

Aufbau sowie Auslegung des Abwärtswandlers (Bild 1) orientieren sich an den Vorgaben des Datenblattes. Der Induktivitätswert der Spule sowie die Kapazität der Ein- und Ausgangskondensatoren wurden durch das Datenblatt und anhand der Simulationssoftware des Herstellers verifiziert. Dies war vor allem bei der Verwendung von nur einem Aluminium-Elektrolyt-Kondensator wichtig, denn durch den sehr hohen ESR-Wert wurde die Stabilität des Reglers beeinträchtigt. Ein zusätzlicher Kondensator an der Feedback-Loop wirkt diesem Effekt entgegen.

Bild 2: Das Layout besteht aus zwei Lagen mit jeweils vollen Kupferflächen auf der Top- und Bottom-Seite mit jeweiligem Massebezug.

Bild 2: Das Layout besteht aus zwei Lagen mit jeweils vollen Kupferflächen auf der Top- und Bottom-Seite mit jeweiligem Massebezug. Würth Elektronik

Das Layout (Bild 2) besteht aus zwei Lagen mit jeweils vollen Kupferflächen auf der Top- und Bottom-Seite mit jeweiligem Massebezug. An dem Layout selbst könnten noch verschiedene Punkte verbessert werden. Vor allem die Anbindung der Komponenten an die Massefläche bedarf noch der Optimierung, um eine bessere Filterwirkung zu erreichen. Bei der Messung am Ausgangskondensator ist deutlich zu erkennen, dass sich durch die hohe parasitäre Induktivität Spannungsspitzen auf dem Ausgangssignal bilden.

 

Auf der nächsten Seite erfahren Sie, wie der Wechsel zum Polymer-Elko das EMV-Verhalten verbessert.

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