Elektrolytiske og polymere hybridkondensatorer har næsten det samme design: de består af en katodeside og en anodeside, og begge er lavet af aluminiumsfilm. Anodefilmen oxideres for at danne et aluminiumoxidlag, som danner dielektrikumet. De to film rulles op ved hjælp af et isolationspapir for at danne det oprullede element (P1, P2).
P1
P2. Grundlæggende design af elektrolytiske og polymerkondensatorer
Forskellen mellem de to kondensatorer er det materiale, der bruges i påfyldningsprocessen, hvor navnet kommer fra: elektrolytiske kondensatorer er fyldt med en elektrolyt, mens polymer hybridkondensatorer bruger en polymer elektrolyt eller en kombination af faste og flydende polymerer.
Begge kondensatorer tilbyder mange fordele, såsom lille størrelse, men høj kapacitansværdi, lave omkostninger og egnethed til en lang række designs, såsom SMD, THT eller snap-in designs.
Polymer hybridkondensatorer har en højere bølgestrømskapacitet end elektrolytiske kondensatorer, samt lavere intern modstand ved lave temperaturer og mere stabil kapacitans ved høje frekvenser. Ulempen ved begge kondensatorteknologier er deres begrænsede levetid. Under driften vil elektrolytten eller den flydende polymer krympe (P3).
P3. Elektrolytten eller den flydende polymer diffunderer under drift, hvilket forkorter kondensatorens levetid.
Arrhenius-ligningen kan groft estimere kondensatorens levetid.
Den største faktor, der påvirker levetiden for elektrolytiske og polymer-hybridkondensatorer, er kondensatorens kernetemperatur, som stiger med den omgivende temperatur og niveauet af bølgestrøm, der anvendes. Derudover kan mekanisk belastning på grund af høj bølgestrøm beskadige oxidlaget, hvilket resulterer i en selvhelbredende effekt, der forbruger yderligere elektrolyt. Selvhelbredende er evnen hos elektrolytiske kondensatorer og polymerhybridkondensatorer til at genoprette oxidlaget gennem en kemisk reaktion mellem elektrolytten og aluminium. Elektrolytkrympning kan også føre til forringelse af elektriske parametre såsom kapacitans og parametre som ækvivalent seriemodstand (ESR) og tabsfaktor.
End of life er normalt det stadie, hvor databladets parametre (normalt stigningen i kapacitanstab og tabsfaktorprocent) ikke er opfyldt.
Ved identifikation af kondensatorprodukter, der opfylder de elektriske parametre under måldriften af slutproduktet, kan brugeren bruge Arrhenius-ligningen til en indledende evaluering. Som vist i P4 er levetiden som funktion af diffusionskoefficienten stort set analog med Arrhenius-ligningen. Som en tommelfingerregel kan det således udtrykkes som følger: en 50 grader F (10 grader) reduktion i driftstemperaturen fordobler levetiden.
P4. Både Arrhenius-ligningen og den empiriske metode viser, at et fald i driftstemperaturen på 50 grader F (10 C)
fordobler kondensatorens levetid, hvilket giver næsten ensartede resultater
Arrhenius-ligningen giver kun en grov vejledning, da den ikke tager højde for den signifikante effekt af krusningsstrøm på selvopvarmningseffekten.
For at opnå en nøjagtig værdi for levetidsberegningen anbefales det, at brugeren samarbejder med den relevante kondensatorleverandør. Denne beregning kræver, at kunden angiver en opgaveprofil, der beskriver de faktiske driftstimer i det relevante temperaturområde.
P5. Eksempelopgaveprofil viser, hvilke parametre leverandøren har brug for for nøjagtigt at beregne levetiden
Hver leverandør anvender en separat beregning for sine egne produkter, som inkluderer temperaturprofiler og krusningsstrømbelastninger. Derfor kan leverandører bruge de opgaveprofiler, som kunden har oplyst til detaljerede levetidsberegninger.
Dette forhindrer også brugen af overspecificerede og dyrere kondensatorer.
Forøgelse af kølepladens overflade er en god måde at forbedre varmeafledningen og dermed forlænge kondensatorens levetid. Eksempelvis kan aktiv køling ved brug af ventilatorer eller vand sikre en bedre varmeafledning. Brugere kan overveje denne type kølekoncept, når de skal verificere komponenter og beregne levetiden.
Tilslutningen af køleelementet til kondensatoren spiller også en nøglerolle.
At forbinde køleelementet direkte til komponenten er ofte mere effektivt end at placere det på den anden side af pladen. Derudover skal den perifere enhed af kondensatoren overvejes, da den udstråler og absorberer varme samtidigt gennem stifterne, især hvis strømhalvledere eller andre varmegenererende komponenter er installeret i nærheden. Hvis empiriske data (f.eks. on-state temperatur, strøm, spænding og frekvens) er tilgængelige, kan denne varmetilførsel inkorporeres i levetidsberegningen.
Hvis brugeren anvender termisk ledende pastaer eller puder, er deres termiske modstand den afgørende faktor. Jo lavere værdi, jo højere termisk effektivitet. Hvis køleelementet skal isoleres elektrisk, skal der vælges en isolerende termisk pasta eller en passende loddepude.
Hvis brugeren ønsker at udføre sine egne beregninger eller simuleringer, kan termiske modstandsmodeller fås fra leverandøren fra kernen af kondensatoren (viklingselementet) til benene og pakken.
Hvis varmeafgivelsen og den termiske modstand fra topdækslet eller PCB til køleelementet er fuldt ud forstået, kan yderligere varmeafledning eller tilførsel udledes. Når den mulige varmeafledning er verificeret, kan leverandøren tillade brug af højere rippelstrømme til printlayoutet, forudsat at den maksimale rippelstrøm specificeret af leverandøren ikke overskrides, da dette ville påføre kondensatoren en mekanisk belastning.
P6. Termisk ækvivalent kredsløbsdiagram af kondensator
Når du vælger et kondensatorprodukt, anbefales det, at Arrhenius-ligningen bruges til at bestemme initiale vejledende værdier. Ved at bruge opgaveprofilen kan levetiden for den kondensator, der er valgt til applikationen, beregnes nøjagtigt, hvilket også tager højde for graden af selvopvarmning forårsaget af krusningsstrømmen. For at maksimere kondensatorens levetid bør brugeren undersøge mulige kølekoncepter og inddrage leverandøren eller distributøren i udviklingsfasen.