vPolyTan™ Capacitores de Tantalio Polímero, Hi-Rel COTS, ESR ultra bajo
Las aplicaciones de aviación, militar y espacial (AMS) están experimentando un alto crecimiento debido a la necesidad de equipos nuevos y avanzados para reemplazar los sistemas antiguos que han superado su utilidad. Estos nuevos sistemas están siendo diseñados para cumplir con los requisitos de próxima generación en aire, campos de batalla y espacio. Sistemas como Identificación Amigo o Enemigo (IFF) y radares de matriz en fase para seguimiento y detección de objetivos, controles y pantallas de aviónica, y sistemas de energía están diseñados para características ambientales y eléctricas extremas, como las especificadas en MIL-STD-704. La necesidad de los clientes de AMS de mantener su ventaja competitiva es lo que impulsa el crecimiento del mercado.
Un subproducto de este esfuerzo de modernización es la necesidad de condensadores con mayor eficiencia volumétrica, fiabilidad, valores de tensión y capacitancia masiva. Para satisfacer esta necesidad, los ingenieros han recurrido a los condensadores de tántalo de polímero sólido vPolyTan™ de Vishay Intertechnology.
¿Qué son los condensadores de tántalo de polímero?
A diferencia de la mayoría de las tecnologías de capacitores, los dispositivos de tántalo de polímero sólido no utilizan placas para el ánodo y el cátodo. El ánodo está compuesto por un polvo de tántalo que se sinteriza en una pastilla de tántalo. Esta pastilla luego se anodiza para formar una capa dieléctrica de pentóxido de tántalo (Ta2O5) en toda la superficie del ánodo. La pastilla oxidada se impregna con un polímero altamente conductor que actúa como cátodo. En este punto, la capa de polímero conductor se recubre con grafito, seguido de una capa de plata metálica, que proporciona una superficie conductora entre el elemento del capacitor y la terminación externa (marco de plomo u otra).
Los condensadores de tántalo de polímero en chip moldeados encapsulan el elemento en resinas plásticas, como materiales epoxi. El compuesto de moldeo ha sido seleccionado para cumplir con los requisitos de UL 94 V-0 y los requisitos de desgasificación de ASTM E-595 (ver Fig. 1).
Después del ensamblaje, los condensadores se prueban e inspeccionan para garantizar una larga vida útil y fiabilidad.
Figura 1: Ejemplo de una Sección Transversal de Polímero Moldeado
Polímero de conducción vs. Tántalos de dióxido de manganeso (MNO2)
La construcción de los condensadores de polímero conductor es similar a la de los de tantalio de dióxido de manganeso (MnO2). La diferencia principal radica en el material utilizado para crear el electrolito sólido. Los condensadores estándar de MnO2 tienen la conductividad típica de los semiconductores comunes. Para los condensadores de polímero conductor, se utilizan materiales de polímero inherentemente conductor (ICP), que tienen una conductividad eléctrica varios órdenes de magnitud mayor. Como resultado, los condensadores de polímero conductor tienen una resistencia serie equivalente (ESR) mucho más baja y requieren niveles de desclasificación de voltaje más bajos que los de MnO2.
Sin fallos de pirotecnia/ignición en polímeros
Otra característica de los condensadores de polímero conductor es la ausencia de un modo de fallo por ignición debido al menor contenido de oxígeno en el material.
Las impurezas en el dieléctrico de un condensador pueden resultar en un punto de fuga de corriente elevado. El mecanismo de autorreparación que opera en los condensadores de tántalo con MnO2 se basa en una transformación térmicamente inducida de moléculas de MnO2 en un Mn2O3 + O más resistivo. Si la corriente de fuga provoca un aumento de temperatura lo suficientemente alto, se forma Mn2O3 y aísla la falla de un flujo de corriente adicional, o "se autorrepara". Si las moléculas de oxígeno libres creadas en el proceso interactúan con el tántalo a una temperatura suficientemente alta, puede inflamarse y realizar pirotecnia.
Si la misma impureza ocurre en el dieléctrico de un condensador de polímero, no hay oxígeno disponible para la combustión y, por lo tanto, no hay falla de ignición. Se producirá una autorreparación, dando lugar a un material altamente resistivo que se forma alrededor de la imperfección.
Oferta de productos Hi-Rel de Vishay
| Tipo | Descripción | Rango de Voltaje | Rango de Capacitancia | ESR (Resistencia Serie Equivalente) | DLA |
|---|---|---|---|---|---|
| T54 | Apilados moldeados sin marco de plomo, polímero Hi-Rel COTS | 16 V a 75 V | 15 µF a 2800 µF | 5 mΩ a 150 mΩ | DLA 20021 |
| T56 | Polímero de carcasa moldeada, Hi-Rel COTS | 2.5 V a 50 V | 10 µF a 470 µF | 25 mΩ a 200 mΩ | DLA 04051 |
| T27 | Polímero herméticamente sellado | 16 V a 75 V | 15 µF a 470 µF | 25 mΩ a 100 mΩ | – |
Tabla 1: Polímeros de Alta Tensión Nominal
Reducción de Voltaje
Como se comentó, la mayor tolerancia de voltaje de la tecnología de polímero permite menores requisitos de desclasificación de voltaje. Además de un ESR significativamente más bajo, el cátodo de polímero conductor presenta un modo de fallo benigno (comentado anteriormente), por lo que no se requiere desclasificación adicional para las preocupaciones de seguridad asociadas con MnO2.
En la Fig. 2 a continuación, vemos que para un voltaje nominal (VR) de 10 V o menos, solo se requiere una reducción del 10%, mientras que para VR >10 V, se sugiere una reducción del 20%. Estas directrices son consistentes hasta 105°C. Después de 105°C, vemos una disminución lineal de la reducción recomendada hasta un 40% para VR. 10 V a 125°C. Del mismo modo, los condensadores con un VR >10 V verán una disminución hasta una reducción recomendada del 46%.
Figura 2: Reducción de Voltaje
Alta Tensión
Mejores directrices de desclasificación significan voltajes de trabajo más altos y, a su vez, mayor eficiencia volumétrica. Los capacitores de polímero típicos tienen una clasificación de voltaje de 50 V, pero la tecnología vPolyTan™ de Vishay Sprague actualmente alcanza clasificaciones de hasta 75 V. Esto permite que los polímeros se utilicen en aplicaciones MIL-STD-704, bus de 28 VDC (22 VDC a 29 VDC en estado estable) donde se requiere desclasificación de voltaje hasta 125 °C.
Estas clasificaciones de alto voltaje, combinadas con la baja reducción necesaria para los polímeros, les otorgan una gran ventaja en eficiencia volumétrica sobre otras tecnologías de capacitores.
Bajo ESR
Debido a que la construcción del cátodo es un polímero inherentemente conductor que tiene alta conductividad, los condensadores de polímero tienen un ESR muy bajo, típicamente un 10 % más bajo que los condensadores de tántalo MnO2. Esto hace que los dispositivos sean particularmente adecuados para aplicaciones de alta frecuencia y alta corriente de rizado.
Alta Fiabilidad
Debido a que los polímeros utilizan un electrolito sólido, no son susceptibles a secarse como los condensadores electrolíticos de líquido o gel. Este proceso de secado es un modo común de falla en los electrolíticos de aluminio y puede resultar en sobrecalentamiento. A medida que el líquido se evapora, puede acumularse presión, lo que provoca que este se filtre, se abulte o incluso reviente/explote. Los condensadores de polímero sólido no presentan este mecanismo de falla y, como tal, son mucho más confiables y tienen una vida útil más larga. A diferencia de los electrolíticos de aluminio, los condensadores de polímero pueden operar durante períodos prolongados a temperaturas más altas sin inconvenientes.
Tecnología MAP
La tecnología de empaquetado de múltiples arreglos (MAP) de Vishay logra empaquetar la máxima capacitancia en un volumen dado. Esto se consigue minimizando el marco de plomo y permitiendo que más volumen sea ocupado por el capacitor real (ver Fig. 3).
Figura 3: MAP vs. Molded
La familia Hi-Rel T54 utiliza tecnología MAP para mejorar la eficiencia volumétrica. La combinación de MAP con un diseño de doble ánodo permite obtener calificaciones aún más bajas de ESR (ver Fig. 4 a continuación).
Figura 4: Tecnología MAP T54 con ESR Ultra Bajo, Diseño de Doble Ánodo
Capacitores apilados
Aprovechando la tecnología MAP, Vishay ha añadido una opción apilada a la familia T54 para aplicaciones que requieren alta capacitancia en un espacio reducido. Con los apilados, varios condensadores se sujetan juntos en arreglos paralelos. Dado que los condensadores están configurados en paralelo, la capacitancia aumenta con una reducción en el ESR. Las opciones apiladas son 1 x 2 (un condensador de ancho, dos de alto), 1 x 3, 2 x 2, 2 x 3 y 3 x 2. Las clasificaciones disponibles varían desde 130 μF a 75 VDC hasta 2800 μF a 16 VDC. También se pueden personalizar arreglos según las necesidades. Estas configuraciones de capacitancia a granel apilada pueden ahorrar un espacio significativo en la PCB del diseñador.
Figura 5: Matriz de polímero apilador T54
Almacenamiento de Energía/ Capacitancia a Granel
La tecnología MAP y de arreglo apilado de Vishay permite una mayor eficiencia volumétrica. Esta mejora en la capacitancia volumétrica hace que los polímeros sean una buena elección para aplicaciones que puedan requerir almacenamiento de energía y/o ciclos rápidos de carga y descarga, como radar pulsado, lidar, retención de energía y otras.
Dada la ecuación para la energía almacenada en un condensador de
E = ½ x CV2
donde,
- E es la energía en julios,
- C es la capacitancia en faradios, y
- V es el voltaje nominal en voltios,
La serie T54 puede compactar hasta 5 J/in2 en el paquete E6 (matriz de 2 x 3), basado en condiciones ideales utilizando la solución de polímero apilado con una calificación de 900 μF / 35 VDC.
Fiabilidad a Largo Plazo
A diferencia de las tecnologías competidoras como los cerámicos multicapa o los electrolíticos de aluminio, los condensadores de polímero presentan una característica de no desgaste debido a las propiedades discutidas anteriormente. Esto permite la fiabilidad a largo plazo requerida para aplicaciones militares y espaciales de alta fiabilidad. La Fig. 6 muestra el tipo de estabilidad a largo plazo observada en la tecnología de polímeros, con muy pocos cambios en la capacitancia, la corriente de fuga y el ESR a lo largo del tiempo.
Figura 6: Cambio de capacitancia
Figura 7: Corriente de fuga
Figura 8: ESR
Aplicaciones
Placas base de servidor de alta gama, fuentes de alimentación MIL-STD-704, radar de matriz en fase, IFF, infraestructura de red, almacenamiento de energía, acondicionamiento de energía, desacoplamiento, suavizado, filtrado, mantenimiento de energía y otros.
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