Brugen af polymere kondensatorer i elektroniske kredsløb medfører en bedre ydelse, en højere pålidelighed og længere levetid, hvilket gør de polymere kondensatorer til oplagte valg til moderne elektronik
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 10 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Julio Gállego López, FAE, Rutronik
Polymere kondensatorer begyndte at blive populære tilbage omkring årtusindskiftet. De har hidtil mest været brugt i elektronisk udstyr, hvor en høj ydelse og pålidelighed har været vigtigt. Det er i applikationer som computer-motherboards, medicoelektronik, aerospace, forbruger- og industrielektronik samt i bilbranchen. Specielt i den automotive elektronik boomer de polymere hybridkondensatorer. AEC-Q200-certificerede komponenter bliver anvendt i ECU’er (Engine Control Units), infotainment-systemer og i andre kritiske systemer, der kræver en stabil strømforsyning og generel høj pålidelighed.
Polymere kondensatorer er en undergruppe under elektrolytkondensatorerne. ”Elektrolytter” stammer som begreb fra brugen af den elektrokemisk udformede oxidfilm på elektrodeoverfladerne, der fungerer som dielektrikum. Forskellige metaller som aluminium (Al), tantal (Ta), niobium (Nb), titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf) og andre kan udgøre et tyndt, men stærkt isolerende oxidlag, dog er kun aluminium, tantal og niobium i praktisk brug i dag.
Oxidfilmen på overfladen af elektroderne bliver til en elektrisk isolator og fungerer kun som dielektrikum, når den elektrode, oxidlaget befinder sig på, er anoden. Elektrolytter er derfor i princippet polariserede kondensatorer. Der er to overordnede grupper af polymere kondensatorer: aluminiumselektrolyt- og tantalkondensatorer. Ledende polymerer bruges også i aluminiumskondensatorer som erstatning for den våde elektrolyt. Disse kondensatorer har en udtalt lavere ESR (ækvivalent seriemodstand), og de tørrer ikke ud med tiden. De primære anvendelsesområder for de polymere kondensatorer er DC/DC-konvertere, afkobling og energifordelingsarkitekturer i biler.
Aluminiumselektrolytter
Aluminiumselektrolytter er polariserede kondensatorer, hvor både anode og katode er fremstillet i aluminium. De kan enten være med en våd elektrolyt, en fast ledende polymer eller en hybrid elektrolyt (våd og fast ledende polymer). Er der tale om polariserede kondensatorer, skal de selvfølgelig ikke bruges med en reverseret biasstrøm.
Ofte er anoden adskilt fra den våde elektrolyt af et oxidlag, som er en papirrulle mættet med den våde elektrolyt. Forskellige elektrolytter forstærker oxideringen, kan fungere ved højere temperaturer og kan absorbere de gasser, der kan opstå internt i kondensatoren. Katoden er den anden del af elektrolytkondensatoren. Afhængigt af den spænding som kondensatorens anode skal kunne tåle, kan kondensatoren være mere eller mindre robust udført.
Den polymere kondensatorkonstruktion ligner meget aluminiumselektrolytten. Konstruktionen består af en anode og en katode, begge fremstillet af oprullet aluminiumsfolie. Dielektrikum er et lag af aluminiumoxid (Al2O3), der fungerer som en isolator mellem anoden og den ledende polymer. Et ikke-ledende lag (papir, film eller andre isolerende materialer) er placeret i den ledende polymer og udgør to lag af ledende polymer. Endelig undergår disse kondensatorer som regel en tørrings- og ældningsproces, der kan vare op til otte timer.
Hybride aluminium-polymerkondensatorer kombinerer karakteristika for både de traditionelle aluminiumselektrolytkondensatorer og polymere kondensatorer med de største fordele fra begge typer. Dielektrikum er en blanding af den flydende elektrolyt og de ledende polymerer. Den flydende elektrolyt forbedrer ydelsen ved lavere frekvenser og forøger den overordnede kapacitans. Figur 1 viser ligheder og forskelle i konstruktionen af de forskellige typer af polymere kondensatorer.
Selvhelende proces opretholder ydelsen og forlænger brugstiden
Små defekter som nålestore huller, mikrorevner eller nedbrudte områder af dielektrikum kan opstå under brug i aluminiumoxidlaget som følge af elektrisk stress, termisk cycling eller mekaniske belastninger. Disse defekter danner vej for lækstrømme, der kan forringe kondensatorens ydelse. Når en defekt giver en forøgelse af lækstrømmen, så bliver det påvirkede område varmet op. Det ledende polymere lag reagerer på denne opvarmning. Varmen kan temporært få polymeren til at miste sin ledeevne i det lokale område, hvilket effektivt isolerer den opståede defekt. Varmen giver ydermere en regenerering af aluminiumsdielektrikumlaget rundt om defekten. Det kan ske som følge af oxidering af det blotlagte aluminium i det defekte område, hvor aluminiummet reagerer med ilt (som ofte stammer fra polymeren selv eller omgivelserne) for derved at danne nyt aluminium.
Den kombinerede effekt af den polymere reaktion og oxid-regenereringen forsegler defekten og gendanner den dielektriske integritet. Da defekten bliver forseglet, falder lækstrømmen, og kondensatoren går tilbage til normal drift. I hybridkondensatorer øger tilstedeværelsen af den flydende elektrolyt den selvhelende proces gennem en mere effektiv gendannelse af aluminiumoxidlaget. Begge typer af kondensatorer anvender disse selvhelende mekanismer for at opretholde ydelsen og sikre et langt liv i brug. De vigtigste parametre for de forskellige aluminium-polymerkondensatorer er opsat i listeform i tabel 1.
Tantalelektrolytkondensatorer
Tantalkondensatorer er polariserede kondensatorer, der anvender en fast elektrolyt som mangandioxid (MnO₂) eller en ledende polymer. Man skal passe på ikke at påtrykke en reverseret biasspænding på denne kondensatortype. Tantals primære kvaliteter er en høj grad af plasticitet, høj korrosionsmodstand, et højt smeltepunkt (3020°C), høj modstandskraft over for varme og slid samt en høj grad af biokompatibilitet. Tantalkondensatorer kan erstatte MLCC-kondensatorer (Multilayer Ceramic Capacitor) i visse applikationer – afhængigt selvfølgelig af applikationens specifikationer.
Kondensatorer med fast tantal
Kondensatorer med fast tantal bruger mangandioxid som katode på grund af materialets selvhelende egenskaber. Når der opstår defekter i komponentens dielektrikum, bliver kondensatoren ikke-ledende. Tantalet bliver adskilt fra mangandioxiden med et oxidlag kaldet tantalpentaoxid (Ta₂O₅). Når dette lag bliver reduceret, oxiderer mangandioxiden tantalet og danner derved et nyt oxidlag. Resultatet er, at disse kondensatorer udviser en enestående pålidelighed med stort set uendelig levetid.
Den selvhelende proces kan potentielt frigive oxygen, som i ekstreme tilfælde kan føre til selvantændelse. Ikke desto mindre er tantalkondensatorer velegnede til applikationer, der skal tåle drift ved højere temperaturer.
I disse kondensatorer påvirker de ledende overflader i høj grad kapacitansen (direkte proportionalt), mens tykkelsen af dielektrikum påvirker kapacitansen omvendt proportionalt. Trods deres ”tyndelse” er tantalkondensatorer særdeles robuste (dielektrisk breakdown: 470V/mm), så de kan bruges til selv udtalt høje spændinger i applikationerne.
Tabel 2 viser en sammenligning af de dielektriske tykkelser mellem Ta- og MLCC-kondensatorer. MLCC’er kræver typisk et større overfladeareal – og dermed størrelse – på grund af deres tykkere dielektrikum.
Tantaler med fast ledende polymer
I 1990’erne begyndte de ledende polymerer at erstatte MnO₂ i tantalkondensatorerne på grund af disses højere ledeevne i polymererne, hvad der fører til en betydeligt lavere ESR. Overgangen fra MnO₂ til ledende polymerer giver en række fordele, hvoraf én netop er den selvhelende mekanisme.
Hvis et dielektrisk breakdown sker under drift (hvad der udløser en kortslutning eller vej for lækstrøm), så vil den høje strømtæthed nær defekten skabe en lokal opvarmning. Varmen får den ledende polymer til at oxidere, hvorved polymeren bliver ikke-ledende og forsegler defekten effektivt. Oxideringen genskaber de isolerende egenskaber, så yderligere fejl bliver forhindret, og kondensatoren genopretter sin normale driftstilstand. Disse kondensatorer bliver generelt betragtet som værende mere sikre, da den selvhelende effekt ikke danner oxygen, hvilket igen minimerer risiko for selvantænding som vist i figur 2. Typiske applikationer er DC/DC-konvertere til spændings-rails. De primære kvaliteter af de forskellige tantalkondensatorer er listet op i tabel 3.
Tantalernes svagheder
Tantalpolymerkondensatorer har flere fordele over traditionelle elektrolytter, hvad der gør dem anvendelige i mange slags applikationer. De har dog også ulemper, så de kan derfor ikke bruges i alle tilfælde.
Brugen af polymere kondensatorer kan ikke anbefales til frekvenser nær eller over 1MHz, temperaturer over 150°C eller hvor batteri-maksimallevetiden er afhængig af en lav lækstrøm.
Polymere kondensatorer egner sig heller ikke til spændinger større end 48VDC, hvis applikationen kræver en ultralav ESR (<<4mΩ), en lav kapacitans (<0,68µF) eller reverse bias.
Men de polymere kondensatorer har dog generelt en lav ESR, høj stabilitet og god håndtering af ripple-strøm, ligesom sikkerhed, en høj ydelse ved lave spændinger og gode frekvenskarakteristika tæller højt. Brugen af polymere kondensatorer i elektroniske kredsløb forbedrer ydelsen, pålideligheden og levetiden, så generelt er de et glimrende valg til mange moderne elektronikdesigns.
Billedtekster:
Figur 1: Ligheder og forskelle i konstruktionen af de polymere kondensatorer. (Kilde: Kemet).
Figur 2: Fordele ved tantalpolymerkondensatorer: Ledeevnen af tantalpolymer er højere end for MnO2, og polymeren er ydermere ikke brandfarlig. (Kilde: Kemet).
Tabel 1: Nøgleparametre for de forskellige aluminium-polymerkondensatorer.
Tabel 2: Sammenligning af dielektriske tykkelser for tantal- (Ta) og MLCC-kondensatorer.
Tabel 3: Typiske kvaliteter for forskellige tantalkondensatorer.
