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.

ECK-DATEN

Polymer- und Hybrid-Kondensatoren werden für mehr und mehr Anwendungen interessant und dringen in Anwendungsfelder vor, die bisher anderen Kondensator-Technologien vorbehalten waren. Polymer offeriert:

  • Stabile elektrische Eigenschaften über Jahre.
  • Keine Kapazitätsdrift über Temperatur oder angelegter Spannung.
  • Einsetzbar auch bei sehr niedrigen Temperaturen

und ist somit eine zu bevorzugende Kondensator-Technologie für Entkopplung, Back-up, Bypass, Glättung und Filteranwendungen.

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

Polymer-Kondensatoren

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.

 

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