Bild 2: Anti-Vibrations-SMD-Kondensatoren von Panasonic. (Bild: TME)
Viele Entwickler kennen die Auswirkungen von übermäßigen Vibrationen auf Geräte, die von anormalem Verschleiß und gelockerten Befestigungen bis hin zum tatsächlichen Bruch von Komponenten reichen. Mechanische Geräte lassen sich durch herkömmliche Methoden wie etwa das Verriegeln von Komponenten durch zusätzliche Befestigungen oder durch bewusste Isolierung empfindlicher Bereiche mit Hilfe von Antivibrationsbefestigungen immun machen. Sobald jedoch Elektronik ins Spiel kommt, kann es tausende von kleinen Komponenten geben, die anfällig für Schäden sein können. Fahrzeuge sind heute das Paradebeispiel für eine relativ unwirtliche Umgebung hinsichtlich der Stöße und Vibrationen, in der wir alle Arten von Elektronik verpacken, von der Steuerung leistungsstarker Elektromotoren über automatisierte Fahrerassistenzsysteme bis hin zum Infotainment. Neueste Antriebssysteme beinhalten sogar komplexe Elektronik in Radnaben – in der „ungefederten Masse“ des Fahrzeugs, wo die mechanische Umweltbelastung am größten ist.
In Fahrzeugen und vielen anderen Konsumgütern ist die Elektronik oft sicherheitskritisch und muss daher hochzuverlässig, aber gleichzeitig möglichst kostengünstig sein. Für die Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationsschäden sind jedoch die traditionellen Luft- und Raumfahrtmethoden des Overengineerings nicht durchführbar. Es sind also Lösungen notwendig, die es ermöglichen, dass serienmäßig hergestellte Komponenten die relevanten Spezifikationen erfüllen.
Standards setzen
Bild 1: Beziehung zwischen Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung für eine Sinuskurve. TME
Um zu garantieren, dass die Komponenten ausreichend gegen Vibration geschützt sind, müssen Entwickler Werte festlegen, die akzeptabel sind. Dies ist eine schwierige Aufgabe, da Vibrationen oft recht zufälliger Natur sind und je nach Bedingungen und Zeit variieren. In einigen Umgebungen wie etwa in der Industrie gehen Schwingungseffekte oft von rotierenden Maschinen aus. Diese lassen sich bis zu einem gewissen Grad quantifizieren. Allerdings gibt es Vibrationen auch in anderen Bereichen wie etwa Fahrzeugen, bei denen mehrere Quellen aus dem Fahrwerk oder der Straßenoberfläche Vibrationen erzeugen. Automobil-OEMs verfügen über ausgebaute Prüfstände auf Teststrecken mit standardisierten rauen Oberflächen, aber die Branche erwartet oftmals, dass elektronische Subsysteme und ihre Komponenten bereits evaluiert sind und sich als beständig in einem gewissen Maße erwiesen haben.
Da sich Zufallsvibrationen definitionsgemäß nicht standardisieren lassen, besteht eine übliche Technik darin, eine sinusförmige Anregung anzuwenden, die über einen Frequenzbereich mit Überwachung geführt wird, um nach mechanischen Resonanzen von Komponenten zu suchen. Den Schwingungsinput können Entwickler dann dabei so einstellen, dass er eine Zeit lang bei diesen Frequenzen verweilt, um festzustellen, ob ein Ausfall auftritt. Die kontinuierliche sinusförmig gespitzte Schwingungsanregung ist auch die Grundlage für das Konzept von „endurance (proving) by sweeping“, also der Bestimmung des Widerstandes und der Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen durch Frequenzsweeps. IEC 60068-2-6: 2008 ist eine Norm für die Prüfmethodik bei sinusförmigen Schwingungen, die auch einige vorgeschlagene Prüfniveaus und -dauerzeiten enthält.
Vibrations-Teststufen
Tabelle 1: Beispiele für Schwingungsintensität und Anzahl der Schwingungszyklen für Anwendungskategorien aus IEC 60068-2-6: 2008. TME
Die Intensität einer reinen Sinusschwingung lässt sich auf drei verschiedene Arten ausdrücken, die in einem mathematischen Zusammenhang stehen: maximale Amplitude oder Verschiebung, maximale Geschwindigkeit und maximale Beschleunigung. Bild 1 zeigt die Beziehung zwischen den auf 1 Hz normierten Größen, die aus der Tatsache abgeleitet sind, dass die Geschwindigkeit die Differenz der Verschiebung mit der Zeit und die Beschleunigung die Differenz der Geschwindigkeit mit der Zeit ist. Die maximale Geschwindigkeit tritt auf, wenn die Sinuskurve die Null durchkreuzt und die maximale Beschleunigung an der Spitze der Wellenform liegt. Hier ist zu beachten, dass das Sinusdifferenzial Kosinus ist, also eine 90-Grad-Phasenverschiebung, und dass eine weitere Differenzierung eine weitere 90-Grad-Phasenverschiebung ist. Die drei Diagramme in Bild 1 sind äquivalent, so dass jedes zur Definition der Schwingungsintensität bei einer bestimmten Frequenz verwendet werden kann und es bequem ist, eine konstante Größe, die Beschleunigung, als Spezifikation anzugeben. Bei konstanter Beschleunigung nimmt die Auslenkung jedoch mit abnehmender Frequenz zu, und irgendwann wird es für Prüfgeräte unpraktisch sein sie aufrechtzuerhalten. Deshalb ist es üblich, Spezifikationen zu sehen, die eine konstante Auslenkungsvibration bis zu einer bestimmten „Übergangsfrequenz“ und dann eine konstante Beschleunigung von dort bis zur Maximalfrequenz fordern.
IEC 60068-2-6: 2008 betrifft hauptsächlich Definitionen von Begriffen und Methodik, gibt aber einige vorgeschlagene Testbedingungen an. Beispielsweise wird die Abtastrate exponentiell angegeben: eine Oktave oder eine Verdoppelung der Frequenz jede Minute, mit einer Toleranz von +/-10%. Die untere Frequenz in diesem Bereich sollten Entwickler aus frei festgelegten Werten wählen: 0,1, 1, 5, 10, 55 oder 100 Hz, während sich die obere Frequenz in den Werten 10, 20, 35, 55, 100, 150, 200, 300, 500, 1000, 2000 oder 5000 Hz befinden sollte. Eine Tabelle in der Norm zeigt die Testdauer mit einem typischen Fall eines 100 Mal wiederholten Sweeps von 10 Hz bis 5000 Hz, der etwa 30 Stunden dauert. Bis 10 Hz wird typischerweise eine konstante Verschiebungsamplitude und über 10 Hz eine konstante Beschleunigung angegeben. Diese Übergangsfrequenz muss jedoch unter Umständen höher sein, wenn die bei dieser Frequenz geforderte Amplitude außerhalb der Möglichkeiten der Prüfgeräte liegt. Wo Resonanzen auffindbar sind, schlägt die Norm eine Verweildauer von 10, 30, 90 Minuten oder einer Stunde vor.
Bild 2: Anti-Vibrations-SMD-Kondensatoren von Panasonic. TME
IEC 60068-2-6: 2008 schreibt keine exakten Vibrationsintensitätspegel und die Anzahl der Sweepzyklen vor, gibt aber Beispiele (Tabelle 1). Die Übergangsfrequenz ist auf einen Wert zwischen 58 Hz und 62 Hz eingestellt und die Amplituden- oder Auslenkungsgabe wird unterhalb und die Beschleunigung oberhalb der Übergangsfrequenz verwendet.
Kondensatoren müssen vibrationsbeständig sein
Von allen gebräuchlichen elektronischen Komponenten sind Kondensatoren oft am anfälligsten für Vibrationsschäden, insbesondere hochwertige Elektrolyt-Varianten, die kompakt im Durchmesser sein können, um einen minimalen Platzbedarf zu erzielen. Kondensatoren mit Durchgangsbohrungen haben eine relativ schlechte Leistung und sind oft für ein Maximum von 10 g oder etwa 100 m/s2 und 1,5 mm Spitze-Spitze-Verschiebung über einen durchsweepten Frequenzbereich von 10 bis 55 Hz ausgelegt. Während dies für unkritische kommerzielle Geräte akzeptabel sein mag, erfordern andere Anwendungen wie Straßenfahrzeuge, Baumaschinen und landwirtschaftliche Maschinen in der Regel höhere Bewertungen.
Eine Lösung für dieses Problem konnte Panasonic (Vertrieb über TME) mit den oberflächenmontierbaren Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren der Serien FK, FKS, FP, FN, FT, TC, TCU, TP und TQ sowie den Polymer-Hybrid-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren der Serien ZA, ZC, ZE, ZK, ZKU und ZS finden. Die Bauteile dieser Serien lassen sich je nach Bedarf an Vibrationsempfindlichkeit mit dickeren internen Verbindungen, hohen Wänden zur Kunststoff-Grundplatte und mehr unterstützenden Anschlüssen mit Hilfskontakten ausstatten. Bild 2 zeigt den allgemeinen Aufbau und Bild 3 den Unterschied zwischen Klemmen des Standard-Typs und vibrationsfesten Typen.
Die Leistungsverbesserung ist deutlich erkennbar, da die vibrationsfesten Typen in der Lage sind, 294 m/s2 (30 g) und einer Spitze-Spitze-Auslenkung von 5 mm bei Vibrationsanregung von 5 bis 2000 Hz standzuhalten. Neben den hohen Schwingungsspezifikationen sind die Bauteile AEC-Q200-konform und verfügen über hohe Dauerfestigkeitswerte, die je nach Serie typischerweise 10.000 Stunden bei 105 °C, 4000 Stunden bei 125 °C und 2000 Stunden bei 145 °C betragen.
Polymer-Hybrid-Aluminium-Technologie für hohe Schwingungsspezifikationen
Bild 3: Fallstudie: DC-Zwischenkreis-Anwendung mit Standard- und leitfähigen Polymerkondensatoren. TME
Das größte Risiko von Schwingungsschäden an Kondensatoren besteht bei Anwendungen mit hohen µF-Werten, etwa wenn die Teile physisch groß sind. Beispiele hierfür sind DC-Zwischenkreis-Verbindungen in Wechselrichtern oder Motorsteuerungen oder Ausgangsfilter in AC/DC- und DC/DC-Hochleistungswandlern. Bei diesen Anwendungen, insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen, ist jedoch der Kapazitätswert selbst oft nicht der kritische Parameter, solange er höher als ein Mindestwert für die Massenenergiespeicherung ist. Wichtiger ist der äquivalente Serienwiderstand (Equivalten Series Resistance; ESR) und die sich daraus ergebende Welligkeitsstrombelastbarkeit der Komponenten. Der hochfrequente Rippelstrom durch den Kondensator ESR erzeugt eine Rippelspannung, die oft entscheidend für die Umrichterleistung ist.
Standard-Elektrolytkondensatoren können gute ESR- und Welligkeitsstromwerte haben, aber die leitfähigen Polymer-Hybrid-Aluminiumtypen von Panasonic erzielen höhere Werte bei kleineren Dosengrößen mit besserer Welligkeitsspannungsleistung. Wenn die Spezifikation beispielsweise in einer 12-V-Gleichstrom-Zwischenkreisanwendung ein Minimum von 1500 µF bei einem Gesamt-ESR von 3 m Ω und 11 Arms Welligkeitsstrom erfordert, lässt sich dies entweder mit Standard-Elektrolytkondensatoren (16 mm × 25 mm) oder drei Polymer-Hybridkondensatoren (10 mm × 16,5 mm) von Panasonic bei nur 20 Prozent des Volumens und einem Bruchteil des Gewichts erreichen (Bild 3).
Schlussfolgerungen
Anwendungen, bei denen es auf Vibrationsfestigkeit ankommt, werden immer häufiger. Panasonic reagiert auf diesen Trend mit vibrationsfesten Komponenten in seinen Kondensatorreihen. Die Spezifikationen für Beschleunigung und Verschiebung erfüllen in der Regel die Anforderungen der Automotive-Branche und des Industrial-Sektors. Zudem ergeben sich aus der leitfähigen Polymer-Hybrid-Aluminium-Technologie von Panasonic kleinere und leichtere Bauteile. Zusätzlich sind sie im Vergleich zu elektrolytischen Standardtypen meist stabiler und langlebiger.
(prm)
