DC-DC átalakító kimeneti feszültséghullámosságának csökkentése
Az integrált áramkörök táplálásához szükséges egyenfeszültséget leggyakrabban DC-DC konverterekkel állítják elő, mivel ezek a lineáris feszültségszabályzóknál jobb hatásfokúak, kisebb fogyasztásúak.

 

Azonban a nagyfrekvenciás kapcsolás a kimeneten feszültség hullámosságot (ripple) és zajt okoz, melynek szűréséről gondoskodni kell, a táplált rendszerek működésének zavartalan biztosítása érdekében. Legkézenfekvőbb megoldás a szűrőkondenzátorok használata, melyek ideális jellemzőit részletesen tárgyaljuk írásunkban. A DC-DC átalakítók kimeneti ripple-feszültségének csökkentése alacsony soros ellenállású kondenzátorok használatát igényli, erre az egyik legjobb megoldás a polimer kondenzátor, melynek a többi alacsony ESR-al rendelkező technológiával szembeni előnyeit a Panasonic PosCap, SP-Cap és Os-Con sorozatain keresztül mutatjuk be.

DC-DC átalakítók működése, a ripple-feszültség keletkezése

A DC-DC konverterek a kimeneti feszültségüket kapcsolóüzemű működéssel állítják elő, mely rövid idő alatti nagy áramváltozásokat okoz, ami részben a konverter kimeneti induktivitása és kapacitása, részben a parazita induktivitások jelenléte miatt folyamatos feszültség fluktuációt okoz.

 

 

A kimeneti egyenfeszültség ideális DC komponensére a konverter működési frekvenciájával vagy annak felharmonikusaival egyező frekvenciájú AC komponens rakódik, ezt a jelenséget hívjuk feszültséghullámosságnak, az AC komponenst pedig ripple-feszültségnek. A nagyfrekvenciás AC komponens a nagy dI/dt folytán a konverter parazita induktivitásain keletkező zaj.

A kimeneti ripple-feszültség csökkentése

Az analóg áramkörök, mint például a teljesítményerősítők, vagy szenzor IC-k, de a GPS rendszerek RF szekciója is nagyon érzékeny a tápellátás zavarára. A minimális elvárás ilyen esetekben a kimeneti zajszűrő kondenzátor használata. A kondenzátor hivatott az AC komponens szűrési feladatát ellátni, amihez kis egyenértékű soros ellenállásra van szükség. Minden fizikai eszköz, így a kondenzátor is véges ellenállású anyagokból készül, hiba lenne csak ideális kapacitással számolni áramköri modellezéskor. Így célszerűen bevezetésre került az ideális kapacitással sorba kötött, kis értékű ekvivalens soros ellenállás (ESR - equivalent series resistance), illetve a szigetelő dielektrikum szivárgási jelenségét leíró párhuzamosan kapcsolt szivárgási, vagy szigetelési ellenállás (paralel leakage resistance).

 

 

Az ESR, ami nagyfrekvencián a kondenzátor váltakozóáramú impedanciája, hőmérséklet és frekvenciafüggő érték, mely a dielektrikum ellenállását, a kivezetések, a dielektrikum és a fegyverzetek közötti kapcsolódás egyenáramú ellenállását tartalmazza, ideálisan kis érték (általában 0.01 Ω – 0. 1 Ω nagyságrend). Minál kisebb az ESR, annál jobban működik a szűrőkondenzátor. Az általánosan használt kondenzátorokban a  ripple-áramnak a  megengedett legmagasabb értéke szintén fontos jellemző az alkatrész kiválasztásakor, mert eredményeképpen hő keletkezik a kondenzátor belsejében. A komponensre jellemző ESR határozza meg a teljes I2R veszteséget, ami különösen fontos kapcsolóüzemű és teljesítményelektronikai alkalmazásokban. A viszonylag nagy ESR értékkel rendelkező kondenzátorok nehezebben táplálják a külső áramkört, mert lassabban töltődnek és sülnek ki.

 

 

A folyékony elektrolittal rendelkező alumínium kondenzátorok ESR értéke az idővel egyre nő a kiszáradás miatt. Természetesen léteznek nagyon kis ESR értékű speciális elektrolit kondenzátorok is, azonban szűrési feladatokra általában polimer, tantál vagy kerámia kondenzátorokat kell választani. Általánosságban elmondható, hogy több párhuzamosan kapcsolt kondenzátorral csökkenthető az eredő ESR érték:

A hagyományos folyékony elektrolitos alumínium elektrolitkondenzátorok között is vannak viszonylag alacsony ESR értékkel rendelkező változatok, melyek előnye olcsóságuk és nagy névleges feszültségük. Ezek párhuzamos kapcsolásával alacsony ESR értékek realizálhatók. Ilyenkor azonban az alkatrészek sok helyet foglalnak el, ami a miniatürizálási trendek ellen hat.

A folyékony elektrolit esetleges párolgása, a kondenzátor kiszáradása miatt az ESR érték az élettartam során vagy magas hőmérsékletnek való kitettség esetén megnőhet, emiatt érdemes más megoldást keresni. A legolcsóbb alternatíva a többrétegű kerámiakondenzátorok (MLCC) használata lehet, hiszen nagyon kis ESR értékűek, nagy megbízhatósággal és kis mérettel rendelkeznek. Ennek a megoldásnak azonban számos hátránya lehet:

• Többféle kerámia alapú dielektrikummal rendelkező kondenzátor (MLCC, monolit, diszk) erősen veszít a hatásos kapacitásából a névleges feszültségen. Ez a negatív jelenség elsősorban a Class2 /3 ferroelektromos, non-lineáris dielektrikumokat jellemzi, mint például az X7R, X5R, X6S, X7S, X7T, Y5v stb, míg a vezető polimer dielektrikumú alumínium és tantál elektrolit kondenzátorok esetén alig figyelhető meg.

• A kapacitásértékük erősen függ a környezeti hőmérséklettől is.

• A kerámiakondenzátorok dielektrikuma piezzoelektromos tulajdonsággal bír, emiatt gyors feszültségváltozásokkor mechanikai rezgés keletkezik a méretváltozás okán, ami akusztikus zajhoz vezet.

 

 

Amikor az alkalmazásnak hosszú élettartamú, nagy kapacitású, rendkívül kisméretű, megbízható és nagy hőmérsékleten is alkalmazható kondenzátorra van szüksége, a szilárd elektrolittal rendelkező (pl. tantál) kondenzátorok helyettesíthetik a folyékony elektrolitos alumínium kondenzátorokat. A tantál kondenzátorok kompakt kis feszültségű polarizált áramköri elemek, az alumínium elkóknál kisebb energiasűrűséggel és szűkebb toleranciával készülnek.

A tantál kondenzátor nagy egységnyi méretre eső kapacitással és nagyon alacsony szivárgási árammal rendelkezik, így hosszú ideig képes töltést tárolni, mindezek mellett kiválóan viselkedik nagy hőmérsékleten is (125 °C). Ugyanakkora kapacitás mellett az alumínium elektrolit kondenzátoroknál alacsonyabb ESR érték szignifikáns előny számos alkalmazási területen.

A tantál kondenzátort emellett stabil kapacitás, kis DC szivárgási áram, nagy frekvencián is kis impedancia jellemzi, azonban a feszültségtüskékre és a fordított polaritásra nagyon érzékeny. Amennyiben a keletkezett hiba rövidzárlat, az a nagyon vékony dielektrikum miatt könnyen katasztrofális termikus megfutáshoz vezethet.

A dielektrikum hibái mentén, a letörés folytán keletkező szivárgási áram öngyógyító anodizációt indít, ami ideális esetben újraépíti a szigetelő oxidréteget, azonban, ha a felszabaduló energia a hibapontokon túl nagy, akkor a tantál táplálni, a katódként funkcionáló mangán-dioxidból származó oxigén pedig katalizálni fogja az égést, emiatt a tantál kondenzátor egyes tűzveszélyes helyeken, pl. autóipari alkalmazásokban egyáltalán nem használható.

További hátrányuk az Al elektrolit kondenzátorokkal összehasonlítva a relatív magasabb áruk, de előnyeik miatt a kevésbé költségérzékeny alkalmazásokban, ahol a kis méretek elkerülhetetlenek (mobil készülékek, okostelefon, tablet, notebook) ideális komponensek.

Panasonic polimer kondenzátorok

Amennyiben a katódként a hagyományos tantál kondenzátorokban szokásos MnO2 kiváltására polimereket használunk, még több előnyös tulajdonság jelenik meg. A Panasonic PosCap családjai ugyanazon kapacitásérték mellett sokkal kisebb méretben kínálnak költséghatékonyabb áramköri megoldásokat és további technikai előnyöket.

A kisebb fizikai méretek miatt az ESR és ESL (ekvivalens soros ellenállás és induktivitás) értékek is kisebbek, így az alkalmazott komponensek száma csökkenthető, vagy ugyanakkora helyen magasabb kapacitásérték érhető el kisebb névleges feszültségen. Az extrém kis ESR miatt a PosCap, illetve az SP-Cap rendkívül jó ripple eltávolító képességgel rendelkezik. Emellett az ESR és az impedancia széles üzemi hőmérséklettartományban (-55–1050C) stabil.

A PosCap technológia önmagában drágább, mint a hagyományos tantál kondenzátorok, azonban a méretcsökkentés lehetőségén keresztül, vagy kevesebb komponens felhasználásával összességében mégis jelentős megtakarítás realizálható. A hagyományos tantál kondenzátorok katódjában lévő MnO2 helyett használt polimer további előnyös tulajdonsága, hogy még a PosCap letörési feszültségén (a névleges feszültség 2-4 szerese) sem keletkezik láng, ami sok esetben a hagyományos tantál kondenzátoroknál biztonságosabb megoldásokat tesz lehetővé. A PosCap fő felhasználási területe a DC-DC konverterek simító kondenzátora, az extrém kis ESR miatt a ripple áram könnyebben halad át a kondenzátoron, így a kimeneten a maradék ripple feszültség kicsi.

A Panasonic rendelkezik egy másik szilárd elektrolitos kondenzátor technológiával is, ahol az alumínium fólia rétegek folyékony elektrolit helyett egy melegítéssel kívánt alakúra formált szilárd félvezető anyagba vannak ágyazva, ami megvédi a kondenzátort az extrém tranziens hőhatásoktól is. Hagyományos alumínium elkókkal összevetve ez a struktúra csak az alkalmazott elektrolit anyagában különbözik, a szerves félvezető anyag vezetőképessége százszorosa a folyékony elektroliténak, és még a hagyományos tantál kondenzátorénak is tízszerese.

Az újabban a szerves félvezetők helyett alkalmazott vezető polimerek még további vezetőképesség növekedést biztosítanak, az ESR értékek pedig nagyon alacsony szintre csökkentek, és még nagyon kis hőmérsékleteken sem változnak, ami különösen alkalmassá teszi az ilyen kondenzátorokat az extrém kültéri használatra is.

Ahogy azt a PosCap esetében is láttuk, az Os-Con is alkalmas a kész elektronikákban a fizikai méretek csökkentésére, gyakran egyetlen OS-CON segítségével három konvencionális, egyenként is nagyobb méretű alumínium elektrolit kondenzátor is kiváltható. Az OS-CON technológia alkalmazásával 20 fok hőmérséklet csökkenés hatására a valószínű élettartam tízszeresére nő.

Az előnyök mellett meg kell említeni, hogy a szilárd elektrolittal rendelkező elektrolit kondenzátoroknak a speciális öngyógyító folyamatai miatt a folyékony elektrolittal töltött családoknál magasabb a szivárgási áramuk, emiatt a maximális névleges feszültségük azoknál sokkal alacsonyabb.

Az Os-Con felhasználási területe:

• ipari elektronikai alkalmazások simító kondenzátora (hosszú élettartama miatt és azért, mert kiküszöböli a DC bias problematikáját, azaz a feszültség rákapcsolásával nem változik a kapacitása);

• tápegységek backup és bypass kondenzátorként (nagy áramok esetén is gyors válasz nagy sebességű terhelésváltozásra); 

• alacsony ESR karakterisztikája kiváló zajszűrő tulajdonsággal ruházza fel, ezért fogyasztói (audio) termékekben alul áteresztő szűrőként is alkalmazható, elhagyható számos más szűrő elem, mint például hagyományos elkók és induktivitások.

A polimer kondenzátorok előnyei más technológiákkal szemben

A legfontosabb előny a hagyományos folyékony elektrolittal rendelkező kondenzátorokkal szemben az alacsony ESR,  és a kapacitás valamint az ESR állandósága az élettartam előrehaladtával, illetve a környezeti hőmérséklet emelkedésével, ahogy azt az alábbi ábrák mutatják:

Polimer technológiával emiatt jelentős helycsökkentés érhető el, a kis ESR érték eléréséhez párhuzamosan kapcsolt több E-cap egyetlen Panasonic kondenzátorral kiváltható:

A kerámia kondenzátorok hiányosságait is képes ez a technológia kiküszöbölni. Az alábbi ábrán látható, hogy a polimer kondenzátor kapacitása a hőmérséklettől függetlenül valamint a névleges feszültség mellett is állandó marad:

 

 

Hibrid kondenzátorok

A piac több vezető gyártója, így a Panasonic és a SUNCon is speciális kondenzátorokat fejlesztett ki. Az alkalmazott hibrid / EP-CAP technológia a folyékony elektrolitos alumínium kondenzátorok előnyeit (széles feszültség és kapacitásértékek, kis szivárgási áram, alacsony ár), valamint a szilárd polimer elektrolitos kondenzátorok előnyeit (alacsony ESR, magas ripple áram, hosszú élettartam) ötvözi. Az EP-CAP felépítése hasonlít a hagyományos kondenzátorokra, azonban a tisztán folyékony elektrolit helyett speciális zselés anyagot használnak, a folyékony elektrolitba vezető polimer molekulákat kevernek.

• Az elektrolit folyékony komponense kisebb szivárgási árammal is biztosítja a sérült dielektrikum oxid réteg öngyógyulását, azaz nagyobb névleges feszültség engedhető meg, mint szilárd polimer dielektrikum esetén

• a hozzáadott vezető polimer jobb elektronikai és élettartam tulajdonságokat biztosít:

• az extrém alacsony ESR a kész elektronikában komoly helymegtakarítást és költségcsökkentést, valamint nagy frekvencián kiváló zajszűrést tesz lehetővé.

• a nagy ripple áram átengedő képesség alkalmassá teszi az EP-CAP-et kapcsolóüzemű feszültségszabályzók simító kondenzátoraként. 

• a működés széles hőmérséklettartományban és alacsony hőmérsékleten is stabil.

• nincs szükség a kapocsfeszültség csökkentésére, garantáltan a kondenzátorra kapcsolható a névleges feszültség.

 

Cikkünk az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH közreműködésével készült. Szerzője Kiss Zoltán okleveles villamosmérnök, kelet-európai értékesítési vezető.
 
Értékesítési iroda: H-1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A.
 
E-mail: z.kiss@endrich.com
 
Web: www.endrich.com
 
További konzultációért és mintákért, adatlapokért keresse a szerzőt!

 

Az ipari digitalizáció trendjeiről
Az MTA SZTAKI október 10-én első alkalommal rendezte meg INDIGO elnevezésű ipari digitalizációs szakmai napját. A rendezvényen közel kétszázan - vállalati, termelési és logisztikai vezetők - kaptak betekintést az ipar 4.0 legfontosabb trendjeibe.
Matematikai eljárások az iparnak
Ipari matematikai tudományos projektet valósít meg csaknem 1,4 milliárd forint költséggel 2020-ig a győri Széchenyi István Egyetem mint konzorciumvezető a Debreceni Egyetemmel és a Szegedi Tudományegyetemmel közösen.
Iparági partnerség az egyedi igények szolgálatában
A kiskőrösi Eckerle Industrie célgép gyártó egység és az egri Aventics Hungary pneumatika üzem sikeres kooperációja számos közös részvételű szakmai rendezvényben, fejlesztésben, egyetemi projektekben, valamint egy évtizednyi eredményes munkában mutatkozik meg.
GNSS vevő egységek az Endrich kínálatában
A globális helymeghatározás egyre megszokottabbá válik a mindennapjainkban a közlekedés területén, az autók gyári GPS vevőkkel rendelhetők, az elektronikai boltok kínálatában pedig számtalan konfigurációban elérhetők ezek az eszközök különféle feladatokra.
Menjek vagy maradjak?
A magyar munkavállalók csaknem 60 százaléka gondolkodik azon, hogy munkahelyet vált a CX-Ray HR technológiai cég felmérése szerint.