Kun polymeerihybridikondensaattoreita tutkii datalehtien perusteella, ne muistuttavat usein toisiaan kuin kaksi marjaa. Jos haluaa löytää parhaiten sovellukseensa sopivan komponentin, kannattaakin kiinnittää huomiota datalehtien lisäksi valmistajien ja jälleenmyyjien tarjoamaan asiantuntijuuteen. Eroja kyllä löytyy.

Polymeerihybridikondensaattorit ovat tunnettuja hyvästä stabiilisuudestaan äärimmäisissä olosuhteissa, pitkästä kestävyydestään, pienestä kokonaissisäresinanssista (ESR), enimmillään 165 °C:n lämmönkestosta ja AEC-Q200-sertifikaatiosta. Ominaisuuksiensa ansiosta niitä käytetään monenlaisissa sovelluksissa, esimerkiksi ajoneuvojen öljy- ja vesipumppujen sähköisissä ohjausyksiköissä (ECU), tuulettimissa ja ohjaustehostinjärjestelmissä (EPS). Sopivan kondensaattorin valinta vaatii kuitenkin asiaan paneutumista, sillä eri valmistajien datalehdet näyttävät hyvin samanlaisilta ja niistä on vaikea löytää tarkempia eroavuuksia. Komponenteissa on kuitenkin eroja ja ne tulevat esiin testejä tekemällä.

Polymeerihybridikondensaattorien valmistusmenetelmät ovat yleensä patentoituja. Tuotannon eroavuuksien lisäksi eri valmistajat käyttävät erilaisia raaka-aineita, kuten määrältään ja materiaaliltaan erilaisia polymeeriseoksia. Esimerkiksi autoelektroniikan sovelluksissa kondensaattorien ERS-ominaisuudet voivat tällöin vaihdella 10-20 kHz:n rajoissa, vaikka datalehdissä tällaisesta käyttäytymisestä ei olekaan mitään mainintaa. Eri valmistajien komponenteissa on eroja myös pakkasenkestävyydessä. Näin ollen valmistajan tai puolueettoman jakelijan osaamista on syytä hyödyntää.

Arrheniuksen kaava

Yksi tärkeä näkökulma on esimerkiksi hybridikondensaattorin odotettavissa oleva kestoikä. Sen määrittämisessä tuotekehittäjät käyttävät mielellään tunnettua Arrheniuksen kaavaa. Muuttujina kaavassa ovat valmistajan ilmoittama käyttöikä L_b, suurin käyttölämpötila T_max ja lämmönnousu ΔT0 (6 K, suurin sallittu arvo voi vaihdella sarjojen ja valmistajien mukaan), kun aaltoisuusvirta (rippeli) ja kondensaattorin pintalämpötila T määräytyvät sovelluskohtaisesti. Odotettavissa oleva kestoikä lasketaan siis seuraavasti:

Kaava ei tee kuitenkaan oikeutta polymeerihybridikondensaattorien teknologialle. Syinä tähän on se, että kaava kuvaa huonosti kvantitatiivista lämpötilariippuvuutta ja että aaltoisuusvirran vaikutusta kondensaattorissa ei oteta riittävästi huomioon, koska kaavassa käytetään ainoastaan suurimpia oletusarvoja. Kuitenkin aaltoisuusvirrasta aiheutuvalla itselämpenemisellä on merkittävä vaikutus kondensaattorin käyttöikään. Lisäksi aaltoisuusvirrat todellisissa sovelluksissa harvoin pysyvät vakioina kaikilla koko käyttöiän aikaisilla lämpötiloilla. Kun toimitaan mahdollisimman tarkkaavaisesti ja hyödynnetään valmistajan tai asiantuntijan osaamista käyttöiän laskemisessa, saadaan toteutettua suunnittelu tehokkaasti.

Tarkin data ja tietyt spesifiset arvot eivät ole saatavissa netistä tai datalehdistä, vaan ne ovat saatavissa yksinomaan asianomaiselta valmistajalta. Perustuen tähän osaamiseen, käytettävissä oleviin kaavoihin ja valmistajan omaan tutkimustietoon valmistaja laskee käyttöiän. Lisäksi valmistaja analysoi kondensaattorin suurimman mahdollisen kuormituksen ja välittää tämän tiedon asiakkaalle ymmärrettävässä muodossa. Asiakas saa listauksen niistä malleista, jotka parhaiten soveltuvat kyseiseen sovellukseen. Asiakas saa myös tiedon kuinka paljon niitä ihannetapauksessa tarvitaan, esimerkiksi rinnakkaispiirissä, ja kuinka kauan kondensaattori kestää annetuissa olosuhteissa. Tämä on samalla myös valmistajan antama takuu.

Käyttöikätaulukko ja -profiili

Valmistajat listaavat ns. käyttöikätaulukoihin testituloksista saadut vaihteluarvot. Niiden avulla voidaan määrittää, miten tarkasteltavana olevan piirin käyttöikä saadaan mahdollisimman pitkäksi käyttäen hyväksi parametreja kotelolämpötila ja aaltoisuusvirta 100 kHz:llä. Kun esimerkiksi lämpötilan oletetaan olevan 125 °C ja aaltoisuusvirran 2 A kuvan 1 kuvitteellisen käyttöikätaulukon mukaisesti, käyttöiäksi saadaan 5000 tuntia. Arvoilla 145 °C ja 6 A kondensaattorin käyttöiäksi tulisi 850 tuntia. Kuvassa 1 toiminnallinen alue (rated area) viittaa mittaustulosten perusteella määritettyyn toiminta-alueeseen, kun taas laajennettu toiminta-alue (extended area) viittaa mittaustuloksista ekstrapoloimalla saatuihin arvoihin.

Valmistajien käyttöikätaulukoista nähdään, että käytännössä voidaan hyödyntää datalehdissä määritettyjä arvoja merkittävästi korkeampia arvoja, mikä lisää myös luotettavuutta polymeerihybridikondensaattorien teknologiaa kohtaan.

Kuvassa 2 esitetään käyttöikäprofiili, joka kuvaa kondensaattorin käyttöikänsä aikana kohtaamia kuormitus- ja muita rasitetekijöitä. Tällaisia ovat esimerkiksi muuttuvat ympäristö- ja toimintalämpötilat, kuormituksen kestoajat ja mitatut aaltoisuusvirrat eri taajuuksilla. Käyttöikäprofiilin tekemisessä tarvittavat mittaukset syövät jonkin verran arvokasta suunnitteluaikaa, mutta profiilista saatava hyöty on suuri, koska piiristä voidaan suunnitella tehokkaampi ja myös valmistaja seisoo suunnittelun takana. Tällöin esimerkiksi rinnakkaispiirin voidaan suunnitella toimivan kolme kondensaattorilla neljän asemesta. Tällä tavoin asiakas saa täsmällistä tietoa kondensaattorin luotettavuudesta suunnittelun kohteena olevassa sovelluksessa.

Komponenttien ylikuormitustestaus

Valmistajat myös suorittavat ylikuormitustestauksia ja yhdistävät saadut löydökset laskelmiinsa. Ottaen huomioon, että teknologia on alle kymmenen vuoden ikäistä ja siten vielä suhteellisen uutta, nämä testit antavat tärkeää tietoa valmistajille kondensaattorien laadusta ja tuotekehityksen haasteista.

Testattaessa esimerkiksi kooltaan 10 mm x 10 mm olevaa 25 V:n kondensaattoria, joka oli spesifioitu toimimaan 2 A:n aaltoisuusvirralla 100 kHz:llä, 20 mΩ:n ESR:llä ja 4000 tuntia 125 °C ympäristölämpötilassa, havaittiin, että se altistui huomattavasti suuremmille aaltoisuusvirroille. Testaus suoritettiin kahdessa eri paikassa, joissa oli vakio 125 °C:n ympäristölämpötila ja joissa kummassakin testattiin 200 komponenttia. Kun testattiin 6 A:lla eli kolminkertaisella kuormituksella, kondensaattorit kestivät 19000 tunnin testausajan ja toimivat vielä sen jälkeenkin. Kapasitanssin ryömintä stabiloitui noin -18 %, kun datalehdessä annettu arvo käyttöiän lopussa oli -30 %. ESR pysyi vakiona (alussa 18 mΩ, datalehdessä 20 mΩ, suurimmillaan noin 22 mΩ). Rutronikin asiantuntijat tulivat samanlaiseen johtopäätökseen: ESR-arvo ei muuttunut, vaikka kondensaattorit jäädytettiin -55 °C:een. Tätä varten Rutronikin tuotemarkkinointi- ja laboratorioinsinöörit suunnittelivat yhdessä kannettavan esittelyvälineen, jolla jäädytetään matalan ESR:n pintaliitoskondensaattori ja polymeerihybridikondensaattori muutamassa sekunnissa ja mitataan samalla jatkuvasti ESR-arvoa. Tällöin voidaan reaaliaikaisesti seurata, kuinka polymeerihybridikondensaattorin ESR-arvo pysyy absoluuttisesti vakaana samaan aikaan, kun elektrolyyttikondensaattorin ESR-arvo yli viisinkertaistuu.

Kuhunkin kondensaattoriin kohdistetulla 14 A:n suurimmalla kuormituksella, mikä vastaa suunnilleen 150 °C lämpötilaa kondensaattorin sisällä, ainoastaan yksi neljästä komponentista vikaantui 4300 tunnin testin jälkeen. Kuitenkaan syy tähän ei ollut itse teknologiassa, vaan johdettu lämpö haurastutti kumitiivistettä. Eliminoidakseen tämän ongelman valmistajat paraikaa etsivät ja kehittävät uusia tiivistysmekanismeja.

Testit osoittavat, että hybriditeknologialla on edessään paljon mahdollisuuksia. Valmistajat pyrkivät jatkuvasti optimoimaan polymeerihybridikondensaattoriensa ominaisuuksia suorituskyvyn parantamiseksi. Tavoitteena on kasvattaa kapasitansseja, jännitteitä ja lämmönkestävyyttä sekä pidentää käyttöikää. Tavoitteena on myös pintaliitosasennusten dimensioita kutistamalla aikaansaada kooltaan pienempiä piirejä, jotka kestävät yhä suurempia kuormituksia.

Kondensaattorien korvaaminen piirissä

Jo nyt voidaan erityyppisten kondensaattoreiden sijaan käyttää polymeerihybridikondensaattoreita. Esimerkiksi jos kaksi tai jopa kolme alumiinielektrolyyttikondensaattoria piirissä voidaan korvata hybridimallilla, saadaan merkittäviä säästöjä tilantarpeessa, asennuskorkeudessa ja piirilevyn koossa. Lisäksi erityisominaisuuksiensa ansiosta hybridi lisää stabiiliutta alumiinielektrolyyttikondensaattoriin nähden suhteessa lisääntyvään ESR:ään, aaltoisuuteen käyttöiän aikana, taajuuteen ja lämpötilaan sekä kapasitanssin vaihteluihin.

Esimerkiksi kuvan 3 mukaisessa erityissovelluksessa aksiaalikondensaattori voidaan korvata hybridillä. Valittavina tässä tapauksessa olivat perinteinen aksiaalinen alumiinielektrolyyttikondensaattori ja hybridikondensaattori, jotka molemmat olivat johdollista mallia. Kummankin aaltoisuusvirrat ovat samat ja ainoastaan hybridin kokonaiskapasitanssi on pienempi. Tämä on tyypillistä useimmille polymeerihybridikondensaattoriratkaisuille, vaikka sillä ei ole yleensä vaikutusta piirin toimintaan. Koska näiden kondensaattorien käyttöä määrittää ESR ja aaltoisuusvirta, ollaan toiminta-alueella, jossa myös suurilla aksiaalikondensaattoreilla tai SolderStar-kondensaattoreilla on vahvuutensa, mutta jossa alumiinielektrolyyttikondensaattoreilla osoittautuu olevan heikkoutensa. Sen sijaan hybridikondensaattorit vaativat pienemmän asennustilan, niiden ESR on merkittävästi pienempi ja tarjoavat vakaan stabiiliuden koko käyttöiän ajaksi. Sen lisäksi että hybridikondensaattorien käyttö vähentää suunniteltavan piirin tilantarvetta ja painoa, niiden käyttö vähentää myös kustannuksia.

Saadakseen kaikki hyödyt käyttöönsä asiakkaan kannattaa hyödyntää valmistajan osaamista ja Rutronikin asiantuntijat pystyvät arvioimaan teknologiaa laaja-alaisesti. FAE-tiimi tukee tuotekehittelijöitä valintaongelmissa tarjoamalla valmistajasta riippumattomia näkemyksiä tuotteista ja teknologioista. Taatakseen parhaimman mahdollisen suunnittelutuloksen asiakkaille Rutronik toimii yhdyskanavana, jolla on suorat yhteydet eri valmistajien palveluksessa oleviin asiantuntijoihin.

Kuva 1. Käyttöikätaulukosta löytyy polymeerihybridikondensaattorin käyttöikä eri lämpötila- ja virta-arvoilla.

Kuva 2. Käyttöikäprofiilin avulla lasketaan kondensaattorin käyttöikä (Lähde: Rubycon PZ-Cap Division)

Kuva 3. Esimerkki aksiaalikondensaattorin korvaamisesta polymeerihybridikondensaattorilla: Tilan, painon ja kustannusten säästö on selvästi aistittavissa. (Lähde: Rubycon PZ-Cap Division)