Reduceți dimensiunea plăcii și scurtați timpul de lansare pe piață folosind condensatoare de mare capacitate, ultra-subțiri, fabricate în America

Inginerii de proiectare hardware caută mereu oportunități de reducere a costurilor, dimensiunilor și greutății componentelor, îndeplinind sau depășind în același timp obiectivele de eficiență și fiabilitate ale componentelor și sistemelor. Una dintre cele mai comune și critice componente pentru optimizare sunt condensatoarele montate pe placa de circuite imprimate, datorită volumului și utilizării lor pe scară largă. Fiabilitatea trebuie să fie, de asemenea, un element de luat în considerare atunci când se selectează un condensator, din cauza susceptibilității acestuia la scurgeri și la degradarea capacității în timp atunci când este supus unor temperaturi extreme. Această degradare poate duce la defecțiuni intermitente ale circuitelor, compromițând eficiența și fiabilitatea sistemului.

În timp ce furnizorii de condensatoare continuă să îmbunătățească modelele pentru a crește densitatea de energie, fiabilitatea și greutatea, este posibil ca piesa optimă pentru o aplicație să nu fie disponibilă din cauza termenelor lungi de livrare cauzate de problemele asociate lanțului de aprovizionare.

Acest articol discută rolul condensatoarelor de filtrare și de stocare în masă. Arată cum un singur condensator poate înlocui alte tipuri de condensatoare, cum ar fi o rețea de condensatoare cu montare pe suprafață, ceea ce duce la reducerea numărului de componente de pe placă și a interconexiunilor de circuit, îmbunătățind fiabilitatea generală a circuitului. Pe parcurs, acesta introduce condensatoarele electrolitice din aluminiu de înaltă fiabilitate de la Cornell Dubilier Electronics, care au avantajul dublu al unui profil subțire și al unei densități energetice foarte mari. Deoarece condensatoarele sunt fabricate în SUA și sunt disponibile pentru expediere rapidă către unitățile de producție din America de Nord, condensatoarele pot să ofere și o cale de scurtare a termenelor de livrare.

Fiabilitatea condensatoarelor montate pe placă

Durata de viață a unui condensator electrolitic este determinată de rata de degradare electrochimică a structurii sale interne în timp. Deoarece această degradare este previzibilă în condiții de funcționare tipice, durata de viață funcțională a unui condensator poate fi calculată cu ușurință de către producător. Fiabilitatea unui condensator este o măsură a gradului la care durata de viață reală a condensatorului se potrivește cu durata de viață preconizată în cazul unor variații de construcție sau al expunerii la condiții extreme.

În timp ce durata de viață cu uzură a condensatoarelor mari și mici este aproximativ aceeași, condensatoarele mai mici sunt mai fiabile, deoarece există o suprafață mai mică între suprafețele anodului și catodului. Cu cât condensatorul este mai mare, cu atât mai importantă este fiabilitatea în alegerea sa, precum și disponibilitatea. În momentul redactării acestui articol, lanțul de aprovizionare experimentează probleme cu componentele electronice, inclusiv întârzieri pentru multe livrări internaționale. Din acest motiv, disponibilitatea și termenul de livrare au devenit criterii critice pentru selectarea componentelor electronice.

Condensatoarele nu sunt supuse optimizărilor de dimensiune comune multor semiconductori, în sensul că dimensiunea unui condensator nu poate fi redusă prin micșorarea la o geometrie de proces mai mică. Datorită fizicii de proiectare a condensatorului, cu cât este mai mare valoarea nominală a condensatorului în farazi (F), cu atât este mai mare suprafața dintre anod și catod, de unde și dimensiunea fizică mai mare a acestuia. Condensatoarele cu montare verticală, numite și cipuri V, sunt opțiuni populare de încapsulare pentru economisirea spațiului pe placă, compromisul fiind un profil mai mare al plăcii și mai puțin spațiu liber, ceea ce poate afecta alegerile de încapsulare a componentelor din apropiere.

Poziția de montare a unui condensator electrolitic mare din aluminiu poate afecta și fiabilitatea. Condensatoarele mari se pot încălzi și necesită flux de aer sau chiar disiparea termică în anumite condiții. Tensiunea de curent continuu aplicată, curentul de ondulație și temperaturile extreme ale mediului ambiant îi scurtează durata de funcționare din cauza deviației parametrice. De obicei, rezistența efectivă în serie (ESR) a unui condensator este primul parametru care deviază de la specificațiile din fișa tehnică. Pe măsură ce ESR crește, condensatorul se va încălzi din ce în ce mai mult. În cele din urmă, acesta cedează atunci când se înfierbântă atât de tare încât structura sa internă se defectează și scurtcircuitează efectiv anodul și catodul. În cazuri foarte rare, căldura usucă condensatorul, iar acesta devine un circuit deschis.

Degradarea condensatorului într-un sistem poate apărea mai întâi sub forma defecțiunilor aleatorii, care se transformă rapid în defecțiuni ale sistemului atunci când condensatorul se scurtcircuitează. Această problemă este amplificată în cazul bancurilor de condensatoare conectate în serie sau în paralel; dacă un condensator cedează, tot bancul cedează. Bancurile de condensatoare reduc fiabilitatea sistemului, deoarece rata de defecțiune a bancului reprezintă rata de defecțiune a unui condensator înmulțită cu numărul de condensatoare din banc. Din acest motiv, se recomandă să nu se utilizeze bancurile de condensatoare în proiectele de înaltă fiabilitate, alegând, în schimb, un singur condensator mare.

Condensatoare de înaltă fiabilitate, de înaltă densitate

Pentru aplicațiile cu spațiu limitat și de înaltă fiabilitate, Cornell Dubilier furnizează condensatoarele electrolitice din aluminiu THA și THAS Thinpack. Proiectate pentru o densitate de energie foarte mare cu un pachet subțire, cu profil redus, condensatoarele au o carcasă sudată cu laser care înconjoară condensatorul electrolitic pentru a preveni scurgerile. Această sudură cu laser elimină necesitatea unor garnituri mari de etanșare a capetelor, care sunt utilizate pe scară largă pentru a sigila capetele pentru majoritatea condensatoarelor electrolitice. O supapă din carcasă permite evacuarea gazelor, eliberând presiunea internă, ceea ce reduce umflarea. Produsele din gama THA au o grosime de 8,2 milimetri (mm), iar cele din gama THAS au o grosime de 9 milimetri (mm). Designul condensatoarelor THA și THAS asigură 5.000 de ore de funcționare la 85 °C și, respectiv, 105 °C. Acestea au o densitate de energie de 0,9 jouli pe centimetru cub (J/cm³).

Pentru multe aplicații de filtrare și control al motoarelor, proiectanții pot utiliza condensatorul THAS131M450AD0C din seria THAS, de 130 microfarazi (µF) (Figura 1). Condensatorul are o lungime de 66,5 mm și o lățime de numai 25,4 mm. După cum am menționat, condensatoarele din seria THAS au o grosime de numai 9 mm, astfel că, atunci când sunt așezate, acestea permit un profil foarte scăzut al plăcii de circuite imprimate. Cu o tensiune nominală de 450 de volți, seria este potrivită pentru aplicațiile de control al motoarelor și sursele de alimentare compacte. Deoarece seria este atât de subțire, este potrivită și pentru laptopuri sau alte electronice similare cu profil redus, unde spațiul pentru componente este foarte limitat. De asemenea, condensatorul poate fi montat pe verticală pe o placă de circuite imprimate, pentru a economisi spațiu, comparativ cu condensatoare similare.

Figura 1: condensatorul THAS131M450AD0C de 130 µF are o tensiune nominală de 450 de volți și o grosime de numai 9 mm, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații de control al motoarelor și pentru plăci de circuite imprimate cu profil redus. (Sursa imaginii: Cornell Dubilier)

La 130 µF, THAS131M450AD0C poate fi utilizat pentru a înlocui bancuri de condensatoare mai mici, în scopul de a îmbunătăți fiabilitatea. ESR al THAS131M450AD0C la 25 °C este de 1,12 ohmi (Ω) la 120 hertzi (Hz), scăzând la 0,54 Ω la 20 kilohertzi (kHz). ESR-ul său scăzut îl face potrivit pentru sursele de alimentare cu comutație, unde generarea de căldură trebuie să fie minimizată. Curentul de ondulație la 85 °C este evaluat la 1,36 amperi (A), de asemenea important pentru sursele de alimentare.

Ca parte a familiei de produse THAS de la Cornell Dubilier, condensatorul THAS131M450AD0C are un manșon din oțel inoxidabil pentru durabilitate îmbunătățită. Terminalele sale sunt de 20 AWG, adecvate pentru majoritatea aplicațiilor de montare prin orificii pe placa de circuite imprimate.

Pentru aplicațiile în care tensiunea trebuie stocată pentru o perioadă scurtă de timp, proiectanții pot alege condensatorul THAS322M050AD0C din seria THAS, de 3200 µF, 50 volți. De asemenea, acesta are o lungime de 66,5 mm, o grosime de 9 mm și un manșon din oțel inoxidabil. ESR la 120 Hz este de 0,05 Ω, scăzând ușor la 0,04 Ω la 20 kHz. Acesta poate suporta un curent de ondulație de 3,48 A la 20 kHz și 2,90 A la 20 Hz. Cu acest ESR scăzut și această capacitate de curent ridicat, este adecvat pentru a fi utilizat ca un supercondensator de 50 de volți pentru a furniza temporar energie unui circuit mic, dacă sursa principală de alimentare nu este disponibilă.

La fel ca toate condensatoarele THAS de la Cornell Dubilier, THAS322M050AD0C are o gură de aerisire în partea superioară, prezentată clar în Figura 2. Aerisirea permite evacuarea gazelor din condensator, ca parte a funcționării normale, deși emiterea gazelor poate crește la temperaturi ridicate. Gazul evacuat este un amestec de hidrogen și gaze reziduale.

Figura 2: gura de aerisire din partea superioară a condensatorului THAS322M050AD0C permite evacuarea în siguranță a gazelor interne care se acumulează în timpul funcționării normale. (Sursa imaginii: Cornell Dubilier)

Evacuarea gazelor interne este importantă, în special în cazul condensatoarelor cu valori mari. Hidrogenul și alte gaze se pot acumula în interiorul carcasei de oțel, creând o presiune care poate duce la defecțiuni. Dacă un condensator nu este suficient ventilat, gazele interne se pot acumula până la un punct în care electrolitul se poate scurge pe placa de circuite imprimate și poate scurtcircuita alte componente electronice sau, în unele cazuri, condensatorul poate chiar exploda. Cu toate acestea, este important ca, la amplasarea plăcii de circuite imprimate, să vă asigurați că aerisirea condensatorului nu este blocată.

Pentru o capacitate de încărcare mai mare, Cornell Dubilier a dezvoltat seria THA. Condensatoarele THA Thinpack au manșoane din aluminiu și, cu o grosime de 8,2 mm, sunt puțin mai subțiri decât cele din seria THAS. Un exemplu din seria THA este THA442M035AC0C de 4400 µF și 50 volți. Are o lungime de 53,8 mm și oferă o densitate de energie foarte mare în comparație cu condensatoare similare. Are un ESR de 0,07 Ω la 120 Hz și de 0,06 Ω la 20 kHz, ceea ce îl face adecvat pentru utilizarea ca sursă de alimentare temporară pentru electronicele mici în timpul unor întreruperi scurte ale alimentării cu energie electrică. În plus, un condensator de 4400 µF se poate încălzi foarte tare, deci este important să se asigure un flux de aer adecvat pentru a-l menține în intervalul de funcționare recomandat, care este de la -55 °C la +85 °C. În cazul condensatoarelor cu valori mari, este și mai important să vă asigurați că aerisirea nu este obstrucționată. De asemenea, se recomandă ca aerisirea să nu fie îndreptată spre nimic inflamabil, deoarece hidrogenul gazos este exploziv.

Concluzie

Condensatoarele sunt componente critice în sistemele electronice. Prin combinarea fiabilității ridicate cu o densitate energetică ridicată și un profil redus, proiectanții pot reduce dimensiunea și pot îmbunătăți durata de viață operațională a sistemelor electronice. Un singur condensator electrolitic cu densitate energetică, fabricat în SUA, poate evita timpii lungi de livrare, precum și înlocuirea bancurilor de condensatoare pentru a economisi spațiu pe placă.

Resurse

1. Modul de instruire pentru condensatoare electrolitice din aluminiu THA și THAS Thinpack