Polymer- und Hybrid-Polymer-Kondensatoren

Bild 1: Polymer-Kondensatoren für die Anforderungen von heute und morgen. WDI

Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, sind zukunftsweisende Elektronikkomponenten auf dem Vormarsch und werden bestehenden Technologien mehr und mehr den Rang ablaufen. Passive Bauelemente – Induktivitäten, Kondensatoren oder Widerstände – stehen häufig im Schatten ihrer aktiven Kollegen, der diskreten Halbleiter oder integrierten Schaltkreise und werden sehr oft als einfach zu verwendende Komponenten angesehen. Die, im Vergleich zu aktiven Bauteilen, deutlich günstigeren Beschaffungspreise für passive Bauelemente tun ihr Übriges, um diese im Verhalten komplexen Bauelemente zu unterschätzen.

Insbesondere die Auswahl an Kondensatoren mit verschiedensten Dielektrika stellt den Entwickler/in vor die Qual der Wahl. Welchen Kondensator für welche Applikation? Zusätzlich geht die Entwicklung von elektronischen Bauteilen mit neuen Materialien stetig voran, sodass nur eine genaue Betrachtung und sorgfältige Abwägung der jeweiligen bauartspezifischen Vor- und Nachteile zum gewünschten Erfolg führen kann.

Die Forderung nach höheren Kapazitäten und Strömen, geringeren Ersatz-Serienwiderständen (ESR) oder Impedanzen, Beständigkeit auch unter hohen Einsatztemperaturen, verringerten Abmessungen und Gewicht, verlangt immer wieder nach neuen Kondensator-Konstruktionen. Polymer- oder Hybrid-Polymer-Kondensatoren nutzen die Eigenschaften von leitfähigem Kunststoff, dem Polymer. Einfach gesagt ersetzt dieses feste Polymer den flüssigen Elektrolyten, vergleicht man diese Technologie mit der von herkömmlichen Elektrolytkondensatoren. Eine positive Eigenschaft des eingesetzten Polymers ist die hohe elektrische Leitfähigkeit.

Es wird zwischen reinen Polymer- und den sogenannten Hybrid-Polymer-Kondensatoren unterschieden. Wobei in Polymer-Kondensatoren nur festes Polymer als Elektrolyt verwendet wird und bei Hybrid-Polymer-Kondensatoren eine Kombination von festem Polymer mit flüssigen Elektrolyt. Sowohl Polymer als auch Hybrid-Polymer-Konstruktionen bieten zahlreiche Vorteile gegenüber den weit verbreiteten flüssigen Elektrolyt-, Tantal- und Keramik-Kondensatoren, wenn höhere Ansprüche an lange Lebensdauer, Sicherheit auch im Fehlerfall, stabile elektrische Parameter über eine lange Einsatzdauer, Temperatur und Frequenz, Zuverlässigkeit auch unter extremen Betriebsbedingungen und Betrachtung der Gesamtkosten gestellt werden.

Polymer-Elektolyt und Polymer-Hybrid-Kondensatoren im Vergleich

Tabelle 1: Prinzipaufbau von Aluminium-Kondensatoren mit verschiedenen Elektrolyten. WDI

Capxon (Eigenschreibweise: CapXon) entwickelt und fertigt beide Technologien von Polymer-Kondensatoren. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften, bedingt durch die Konstruktion, sind diese für verschiedenste Applikationen einsetzbar (Tabelle1).

In Polymer-Elektrolytkondensatoren wird ein festes, leitfähiges Polymer als Elektrolyt verwendet. Gemeinsam mit der Stromzuführungsfolie aus Aluminium bildet es die Kathode des Kondensators. Auch die Anode ist als Aluminiumfolie ausgeführt. Beide Folien sind durch Ätzen strukturiert und erreichen damit eine größere Oberfläche und damit im Kondensator eine höhere Kapazität. Anodenseitig wird das Dielektrikum von einer hauchdünnen Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃) auf der geätzten Oberfläche gebildet. Die Konstruktion von Folie, Papier und Elektrolyt wird als Kondensator-Wickel ausgeführt und in einer radialen Variante für Durchstecktechnik (THT) oder Oberflächen-montierbar in SMD assembliert. Abhängig von Größe und Baureihe liefern diese Kondensatoren Kapazitäten zwischen 4,7 bis 3900 μF und sind in einem Spannungsbereich von 2,5 bis 400 V erhältlich. Das wesentliche Merkmal der Polymer-Kondensatoren von Capxon sind ihre ultra-niedrigen Ersatz-Serienwiderstände (ESR) von 7 mΩ, gemessen bei 100 kHz und zulässige Rippelströme von 7,1 A in den Bechergrößen 8 × 11,5 mm sowie 10 × 12,5 mm.

Polymer-Hybrid-Kondensatoren verwenden eine Kombination aus flüssigem und festem Elektrolyten. So werden die Eigenschaften von Flüssig-Elektrolyt-Elkos mit denen von Feststoff-Elkos kombiniert und genau diese Kombination bietet aus den beiden Elektrolyten den besten technischen Kompromiss. Da bei Polymer-Werkstoffen die Leitfähigkeit um einige tausendmal besser ist als bei flüssigen Elektrolyten, resultiert hieraus der niedrige ESR.

Der in den Hybriden zusätzlich enthaltene Elektrolytfilm verbindet sich optimal zwischen der offenporigen Struktur des auf der Aluminiumfolie befindlichen Dielektrikums sowie dem Polymer-Elektrolyten. Hierdurch entsteht eine größere effektive Kondensator-Oberfläche als bei den festen Polymer-Typen. Sie sind erhältlich im Kapazitätsbereich von 10 bis 560 µF und Spannungen zwischen 16 bis 100 V. Bedingt durch die geringere Leitfähigkeit des Elektrolytfilms liegen ihre ESR-Werte verglichen mit denen ihrer „festen“ Polymer-Brüder mit 14 bis 120 mΩ ein wenig höher, im Vergleich zu konventionellen Flüssigelektrolytkondensatoren (80 bis 440 mΩ bei vergleichbaren Becherabmessungen), allerdings sehr niedrig. Dies macht sich insbesondere bei Applikationen mit hohen Ausgangsleistungen bemerkbar.

Thema auf der nächsten Seite: Was bringt der Einsatz von Polymer-Kondensatoren?

Was bringt der Einsatz von Polymer-Kondensatoren?

Tabelle 2: Eckparameter von Elektrolytkondensatoren mit festen Polymer- und Hybridkondensatoren. WDI

Bild 2: Änderung der Kapazität verschiedener Keramiken als Funktion der angelegten Spannung für einen 25-V- Kondensator. WDI

Stabilität der elektrischen Parameter über eine lange Einsatzdauer. Die sehr geringen ESR-Werte wurden eingangs bereits mehrfach erwähnt. Diesen sowie den weiteren positiven elektrischen Eigenschaften wollen wir nun mehr Augenmerk widmen (Tabelle 2). Vergleicht man die Polymer- oder Polymer-Hybridtechnologie mit keramischen Vielschichtkondensatoren werden die Vorteile deutlich. Die Kapazität von Keramik-Kondensatoren ändert sich bei hochkapazitiven Typen mit der angelegten Spannung (Bild 2).

Als Ausgangsmaterial für das Dielektrikum werden Keramiken der Klasse 2 wie X5R, X7R, Y4T oder Z5U verwendet, da sie im Gegensatz zu Klasse-1-Keramiken wie NP0 (COG) eine wesentlich höhere relative Permittivität εr haben und hierdurch größere Kapazitätswerte möglich machen. Die Kehrseite der Medaille ist allerdings, dass es sich bei Klasse-2-Keramiken um ferroelektrische Materialien handelt, bei denen je höher die angelegte Spannung, desto niedriger die Permittivität ist. Die mit höherer Spannung gemessene oder angelegte Kapazität kann auf Werte von -80 Prozent des mit der standardisierten Messspannung von 0,5 oder 1,0 V gemessenen Werts abfallen. Was das für die Schaltung in Filter- oder Speicheranwendungen bedeutet, braucht hier nicht weiter ausgeführt zu werden. In Audio-Anwendungen ist dies der Grund für harmonische Verzerrungen.

Bild 3: Änderung der Kapazität verschiedener Keramiken als Funktion der angelegten Temperatur. WDI

Zu der Spannungsabhängigkeit kommen erschwerend auch noch der große Temperaturkoeffizient und damit die Temperaturabhängigkeit von Klasse-2-Keramiken hinzu. Je nach verwendetem Material können Kapazitätsschwankungen von -80 Prozent über den gesamten Temperaturbereich zum Beispiel von -40 °C bis +85 °C auftreten (Bild 3).

Bild 5: Änderung der Kapazität als Funktion der Temperatur für einen MLCC sowie einen Polymer-Kondensator. WDI

Als weiterer Punkt ist noch die Alterung, also die Abnahme der Kapazität über Zeit zu berücksichtigen. Bei ferroelektrischen Keramik-Kondensatoren der Klasse 2 wird dieses Verhalten Alterung genannt. Es tritt in ferroelektrischen Dielektrika auf, wo Domänen der Polarisation in dem Dielektrikum zur Gesamtpolarisation beitragen. Deren Abbau im Dielektrikum verringert die relative Permittivität εr im Laufe der Zeit, sodass die Kapazität von Keramik-Kondensatoren der Klasse 2 sinkt. Polymer-Kondensatoren weisen solch ein Verhalten nicht auf. Sie verhalten sich stabil über Temperatur, Zeit und angelegte Spannung (Bild 4 und Bild 5).

Bild 6: Ein Polymer-Kondensator ersetzt fünf hochkapazitive MLCC. WDI

Insbesondere bei Anwendungen im Automobil oder im industriellen Umfeld wie elektrischen Antrieben, regenerativer Energieerzeugung (Solar, Wind etc.) sind die Geräte und damit auch die elektronischen Bauelemente oft widrigen Umgebungsbedingungen und großen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Sinken die Kapazitätswerte, wie im vorherigen Kapitel beschrieben, sehr stark ab, kann es zu Störungen im Betrieb oder im schlimmsten Fall zu Feldausfällen kommen, weshalb Keramik-Kondensatoren nur bedingt für solche Einsatzzwecke geeignet sind (Tabelle 3 und Bild 6).

Sicherheitsaspekte

Bei gewöhnlichen keramischen SMD-Vielschichtkondensatoren (MLCC) kann es bedingt durch mechanische oder elektrische Überbeanspruchung zu Beschädigungen des Bauteils kommen. Vibrationen aufgrund von Schock-Belastungen oder mechanischem Stress zum einen, Spannungsbelastungen oberhalb der spezifizierten Nennspannung oder übermäßige Wechselstrombelastung zum anderen, können im schlimmsten Fall einen Kurzschluss des Kondensators auslösen und möglicherweise einen Ausfall des kompletten Gerätes zur Folge haben.

Aufgrund ihrer hauchdünnen Keramik-Schichten bei hochkapazitiven Typen, etwa 200 bis 300 Lagen mit einer Stärke von wenigen µm, kann es durch zu starke Leiterplattenverbiegungen zur Berührung der Elektroden und letztendlich zum Kurzschluss kommen. Der Kondensator entzündet sich und brennt wie ein Streichholz. Kondensatoren mit festem, leitfähigem Polymer liefern im Fehlerfall, wie dem Durchbruch des Dielektrikums aus Aluminiumoxid, eine extrem hohe Sicherheit.

Bild 7: Selbstheilungseigenschaften von Polymer-Kondensatoren. WDI

An der Durchschlagsstelle kommt es zu einem erhöhten Fluss des Reststroms und zu einem örtlichen Hotspot der beschädigten Stelle. Das Polymer erhitzt sich so stark, dass es hochohmig wird und verdampft. Der Durchschlag wird also isoliert und abgekoppelt vom übrigen Material. Vergleichbar mit Filmkondensatoren wird von Selbstheilung gesprochen. Allerdings sei nicht verschwiegen, dass die geheilte Stelle nicht mehr für die Kapazität des Kondensators zur Verfügung steht (Bild 7).

Hybrid-Polymer-Kondensatoren beinhalten außer dem leitfähigen Kunststoff noch einen geringen Anteil eines flüssigen Elektrolyten. Dieser bewirkt einen Stromfluss an der durchgeschlagenen Stelle, welche wiederum eine Oxidation des Dielektrikums bewirkt und die ehemals schadhafte Stelle wieder elektrisch nutzbar macht.

(jj)