Гибридные конденсаторы компании Panasonic

Электролитические конденсаторы кажутся довольно простыми в использовании компонентами и, на первый взгляд, их применение не должно вызвать трудностей. Однако при некорректном выборе именно электролитические конденсаторы часто являются слабым звеном, из-за которого происходит отказ изделия. Например, если конденсатор эксплуатируется при температуре близкой к предельной, его срок службы заметно уменьшается, электролит высыхает, и емкость снижается. При этом пульсации напряжения и тока на сглаживающем конденсаторе могут возрасти до неприемлемого для изделия уровня, что приведет к снижению качества его функционирования или выходу из строя.

Зависимость срока службы конденсаторов от температуры определяется соотношением:

• где L1 – гарантированный срок службы при температуре T1;
• L2 – ожидаемый срок службы при температуре T2;
• T1 – нормированное в документации значение температуры;
• T2 – рабочая температура.

Следует также иметь в виду, что в зависимости от температуры и частоты приложенного напряжения параметры конденсаторов могут изменяться. Приведем в общем виде основные зависимости.

• При увеличении температуры возрастает ток утечки и емкость конденсатора, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) уменьшается. 
• При понижении температуры ток утечки и емкость конденсатора уменьшаются, а сопротивление ESR увеличивается.
• При возрастании частоты приложенного напряжения емкость и импеданс конденсатора снижаются, а тангенс угла потерь tgφ растет.
• При снижении частоты возрастает сопротивление ESR, и, следовательно, увеличивается рассеиваемая на конденсаторе мощность и его температура.

На рисунках ниже, схематично показана зависимость емкости от частоты для электролитических конденсаторов Panasonic с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов, а так же зависимость эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) от температуры.

Рис. 1. Зависимость емкости от частоты для конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов

Рис. 2. Зависимость сопротивления ESR конденсаторов с жидким электролитом и гибридных конденсаторов от температуры.

Эти зависимости следует учитывать при проектировании схемы, поэтому крайне желательно иметь возможность оценить количественно их влияние. При проектировании изделия с продолжительным сроком службы необходимо быть уверенным в долговременной стабильности компонентов. Например, при параллельном соединении конденсаторов важно, чтобы величины их сопротивлений ESR отличались как можно меньше; в противном случае импульсный ток через конденсаторы будет распределяться неравномерно, что приведет к перегрузке по току конденсатора с меньшей величиной сопротивления ESR. Причем, необходима долговременная стабильность, чтобы в течение срока службы сопротивления ESR конденсаторов изменялись примерно одинаково.

Таким образом, при разработке изделий со сроком службы более трех–четырех лет желательно использовать продукцию компаний, чье качество производства не вызывает сомнений. В таких компаниях внутренние стандарты жестче международных, и конденсатор с нормированным напряжением, допустим, 350 В производства Panasonic при том же напряжении, вполне возможно, прослужит дольше, чем «экономичный» конденсатор малоизвестной компании с нормированным напряжением 400 В. 

Безусловно, компания Panasonic является лидером рынка, и качество ее электролитических конденсаторов не вызывает сомнения. Достаточно посмотреть на строго оформленную документацию и ознакомиться с многочисленными предостережениями от неправильного использования. В одном из них говорится, что поскольку все данные в документации подтверждены при автономном испытании конденсаторов, в представленной информации не оценивается влияние других компонентов схем, в которых будет использоваться конденсатор. На первый взгляд, это чисто формальная отписка, но это не так. Например, зависимость параметров конденсаторов от частоты приводится для синусоидального напряжения без высших гармоник. Однако на практике к конденсатором прикладываются негармонические напряжения с высшими гармониками. Этот факт следует учитывать и выбирать конденсаторы с некоторым запасом. 

Panasonic производит три вида алюминиевых электролитических конденсаторов.

1. Конденсаторы общего назначения (General). Они имеют большую емкость при ограниченных габаритах. Эти конденсаторы производятся для поверхностного монтажа.
2. Полимерные конденсаторы OS-CON. Они характеризуются малым сопротивлением ESR, поэтому максимальный ток пульсации в них может превышать 7,2 А. Такие конденсаторы выпускаются в корпусах с радиальными выводами.
3. Гибридные конденсаторы (HYBRID). В них жидкий электролит сочетается с проводящим полимером. Их отличительностью особенностью является высокая надежность, малая величина ESR и расширенный диапазон рабочей температуры. Они устойчивы к всплескам напряжения. Гибридные конденсаторы производятся и в SMT-корпусах, и в корпусах с радиальными выводами.

Рис. 3. Структура гибридного конденсатора

Немного подробнее остановимся на гибридных конденсаторах. Структура такого конденсатора показана на рисунке 3. Комбинированный электролит заметно улучшает свойства конденсаторов. Благодаря полимерной составляющей электролита улучшается проводимость. Соответственно, уменьшается сопротивление ESR, а жидкая часть электролита позволяет увеличить нормируемое напряжение и емкость конденсаторов. 

Отметим также способность гибридных конденсаторов переносить перегрузки по току. На рисунке 4 показан график изменения емкости и сопротивления ESR конденсаторов с нормированным пульсирующим током 1,3 А при пульсирующем токе 3,6 А, т.е. почти в три раза выше допустимого. Как видно из рисунка, в течение 5000 ч параметры конденсаторов не вышли за пределы нормы, указанной в документации. Это еще раз подтверждает, что внутренние стандарты компании могут быть жестче международных.

Рис. 4. Изменение параметров конденсаторов с нормированным пульсирующем током 1,3 А при пульсирующем токе 3,6 А

Подчеркнем стабильность свойств гибридных конденсаторов. Из рисунков 1–2 видно, что при изменении частоты и температуры параметры гибридных конденсаторов более стабильны, чем аналогичные параметры традиционных электролитических конденсаторов с жидким электролитом. Следует обратить внимание и на расширенный диапазон рабочей температуры этих конденсаторов до 150°С. 

Способность полимерной пленки к самовосстановлению заметно повышает безопасность гибридных конденсаторов. При повреждении полимерной пленки из-за электрических перегрузок или механических воздействий в месте повреждения возрастает ток, что приводит к нагреву поврежденного участка и разрушению молекулярной структуры. Таким образом, поврежденный участок изолируется. В сравнительных тестах конденсаторы Panasonic выдерживали ток короткого замыкания до 7 А, в то время как в аналогичных по параметрам танталовых конденсаторах дым появлялся уже при 3 А, а пламя – при 5 А. Компания Panasonic гарантирует безопасность своих конденсаторов при напряжении, достигающем 90% от нормируемого напряжения, в то время как у танталовых конденсаторов этот порог заметно ниже: 30–50% от нормируемого напряжения. 

Перечисленные свойства гибридных конденсаторов важны для промышленных приложений, в которых требуется стабильность параметров, изделия работают в широком диапазоне температуры и нередко – при повышенных механических воздействиях. За все перечисленные достоинства гибридных конденсаторов надо платить – их стоимость выше, чем традиционных электролитических конденсаторов, поэтому может возникнуть соблазн уменьшить стоимость проекта. Однако в таких случаях уместно вспомнить, что скупой платит дважды. 

Рис. 5. Схема распределенной системы питания с 48-В шиной

Конечно, не во всех проектах и не во всех узлах системы требуются гибридные конденсаторы. Качество традиционных электролитических конденсаторов позволяет использовать их в очень многих решениях. На рисунке 5 приведена схема распределенной системы питания с 48-В шиной. В таблице указаны семейства конденсаторов, которые рекомендуется использовать в каждом узле схемы. 

Производственная линейка электролитических конденсаторов Panasonic очень велика. Поскольку рассмотреть ее в рамках одной статьи невозможно, мы перечислим лишь основные параметры в общем виде, не указывая наименования семейств конденсаторов:

• емкость: до 22000 мкФ;
• нормируемое напряжение: до 450 В;
• ток пульсации (макс.): свыше 7,2 А (семейство OS-CON);
• сопротивление ESR (мин.): менее 5 мОм у OS-CON и до 11 мОм у гибридных конденсаторов;
• термическая стойкость: до 10000 ч при 105°С и до 4000 ч при 125°С у гибридных конденсаторов.

Рекомендуемые семейства конденсаторов для использования в каждом узле схемы на рисунке 5

Приобрести гибридные конденсаторы Panasonic можно в каталоге на сайте.