vPolyTan™ Condensatori al Polimero di Tantalio, Hi-Rel COTS, ultra basso ESR
Le applicazioni in ambito avionico, militare e spaziale (AMS) stanno registrando una forte crescita grazie alla necessità di nuovi e avanzati dispositivi in grado di sostituire i vecchi sistemi, ormai superati e non più funzionali. Questi nuovi sistemi vengono progettati per soddisfare i requisiti della prossima generazione di tecnologie aeree, di campo di battaglia e spaziali. Sistemi come Identificazione Amico o Nemico (IFF) e radar a schiera di fase per il tracciamento e il rilevamento di obiettivi, controlli e display avionici, e sistemi di alimentazione sono progettati per caratteristiche ambientali ed elettriche estreme, come quelle definite nel MIL-STD-704. La necessità per i clienti AMS di mantenere il proprio vantaggio competitivo è ciò che sta guidando la crescita del mercato.
Un sottoprodotto di questo sforzo di modernizzazione è la necessità di condensatori con maggiore efficienza volumetrica, affidabilità, tensioni nominali più elevate e capacità di accumulo maggiore. Per soddisfare questa esigenza, gli ingegneri si sono rivolti ai condensatori tantalio polimerici solidi vPolyTan™ di Vishay Intertechnology.
Cosa sono i condensatori al tantalio polimerico?
A differenza della maggior parte delle tecnologie dei condensatori, i dispositivi a tantalio polimerico solido non utilizzano piastre per l'anodo e il catodo. L'anodo è composto da una polvere di tantalio che viene sinterizzata in un pellet di tantalio. Questo pellet viene quindi anodizzato per formare uno strato dielettrico di pentossido di tantalio (Ta2O5) su tutta la superficie dell'anodo. Il pellet ossidato viene successivamente impregnato con un polimero altamente conduttivo che funge da catodo. A questo punto, lo strato di polimero conduttivo viene rivestito con grafite, seguita da uno strato di argento metallico, che fornisce una superficie conduttiva tra l'elemento del condensatore e la terminazione esterna (frame dei terminali o altro).
I condensatori al tantalio polimerici a chip stampati racchiudono l'elemento in resine plastiche, come i materiali epossidici. Il composto di stampaggio è stato selezionato per soddisfare i requisiti di UL 94 V-0 e i requisiti di degassamento di ASTM E-595 (vedi Fig. 1).
Dopo l'assemblaggio, i condensatori vengono testati e ispezionati per garantire una lunga durata e affidabilità.
Figura 1: Esempio di Sezione Trasversale di un Polimero Stampato
Polimeri conduttivi vs. tantalio al biossido di manganese (MnO2)
La costruzione dei condensatori a polimero conduttivo è simile a quella dei tantalati al biossido di manganese (MnO2). La principale differenza risiede nel materiale utilizzato per creare l'elettrolita solido. I condensatori standard a MnO2 possiedono la conduttività tipica dei semiconduttori. Nei condensatori a polimero conduttivo vengono invece utilizzati materiali a base di polimeri intrinsecamente conduttivi (ICP), che presentano una conducibilità elettrica di diversi ordini di grandezza superiore. Di conseguenza, i condensatori a polimero conduttivo hanno una resistenza equivalente in serie (ESR) molto più bassa e richiedono livelli di declassamento di tensione inferiori rispetto ai MnO2.
Nessun effetto pirotecnico/ fallimento di accensione nei polimeri
Un'altra caratteristica dei condensatori a polimeri conduttivi è l'assenza della modalità di guasto per accensione, grazie al minore contenuto di ossigeno nel materiale.
Le impurità nel dielettrico di un condensatore possono causare un punto di elevata dispersione di corrente. Il meccanismo di auto-riparazione che opera nei condensatori al tantalio MnO2 si basa su una trasformazione termicamente indotta delle molecole di MnO2 in Mn2O3 + O più resistivo. Se la corrente di dispersione provoca un aumento di temperatura abbastanza elevato, si forma Mn2O3 che isola il guasto da ulteriore flusso di corrente, o “si auto-ripara”. Se le molecole di ossigeno libero create nel processo interagiscono con il tantalio a una temperatura sufficientemente alta, possono innescarsi e produrre effetti pirotecnici.
Se la stessa impurità si verifica nel dielettrico di un condensatore polimerico, non c'è ossigeno disponibile per la combustione e, di conseguenza, non si verifica alcun guasto per accensione. Si verificherà un'autoriparazione, con la formazione di un materiale altamente resistivo intorno all'imperfezione.
Offerta di prodotti Hi-Rel di Vishay
| Tipo | Descrizione | Gamma di Tensione | Gamma di Capacità | ESR (Resistenza Serie Equivalente) | DLA |
|---|---|---|---|---|---|
| T54 | Polimero impilato stampato senza piombo, Hi-Rel COTS | 16 V a 75 V | 15 µF a 2800 µF | 5 mΩ a 150 mΩ | DLA 20021 |
| T56 | Polimero a custodia stampata, Hi-Rel COTS | 2,5 V a 50 V | 10 µF a 470 µF | 25 mΩ a 200 mΩ | DLA 04051 |
| T27 | Polimero a tenuta ermetica | 16 V a 75 V | 15 µF a 470 µF | 25 mΩ a 100 mΩ | – |
Tabella 1: Polimeri ad alta tensione nominale
Derating della Tensione
Come discusso, la tolleranza di tensione aumentata della tecnologia a polimero consente requisiti di derating della tensione inferiori. Oltre a un ESR significativamente più basso, il catodo a polimero conduttivo presenta una modalità di guasto benigna (discussa sopra), quindi non è necessario un ulteriore derating per le preoccupazioni di sicurezza associate a MnO2.
Nella Fig. 2 qui sotto, vediamo che per una tensione nominale (VR) di 10 V o inferiore, è necessario un declassamento del solo 10%, mentre per VR >10 V è suggerito un declassamento del 20%. Queste linee guida sono valide fino a 105°C. Dopo i 105°C, si osserva una diminuzione lineare del declassamento consigliato, fino al 40% per VR di 10 V a 125°C. Allo stesso modo, i condensatori con un VR >10 V subiranno una diminuzione fino a un declassamento consigliato del 46%.
Figura 2: Derating della Tensione
Alta Tensione
Linee guida migliori per la derating significano tensioni di lavoro più elevate e, di conseguenza, una maggiore efficienza volumetrica. I condensatori polimerici tipici hanno una tensione nominale di 50 V, ma la tecnologia vPolyTan™ di Vishay Sprague attualmente raggiunge valori nominali fino a 75 V. Questo consente l'utilizzo dei polimeri in applicazioni MIL-STD-704, bus da 28 VDC (22 VDC a 29 VDC in stato stazionario) dove è richiesto il derating della tensione fino a 125 °C.
Questi valori di alta tensione, combinati con il basso derating richiesto per i polimeri, conferiscono loro un grande vantaggio in termini di efficienza volumetrica rispetto ad altre tecnologie di condensatori.
Basso ESR
Poiché la costruzione del catodo è un polimero intrinsecamente conduttivo con alta conducibilità, i condensatori polimerici hanno un ESR molto basso, tipicamente inferiore del 10% rispetto ai condensatori al tantalio MnO2. Questo rende i dispositivi particolarmente adatti per applicazioni ad alta frequenza e con correnti di ripple elevate.
Alta affidabilità
Poiché i polimeri utilizzano un elettrolita solido, non sono soggetti al rischio di essiccazione come accade nei condensatori elettrolitici a liquido o gel. Questo processo di essiccazione rappresenta una modalità comune di guasto nei condensatori elettrolitici in alluminio e può causare surriscaldamento. Con l'evaporazione del liquido, si può accumulare pressione, portando a perdite, rigonfiamenti o persino alla rottura/esplosione. I condensatori a polimero solido non presentano questo meccanismo di guasto e, di conseguenza, sono molto più affidabili e hanno una durata maggiore. A differenza dei condensatori elettrolitici in alluminio, i condensatori a polimero possono funzionare per periodi prolungati a temperature più elevate senza problemi.
Tecnologia MAP
La tecnologia di packaging multi-array (MAP) di Vishay offre la massima capacitanza in un dato volume. Questo viene ottenuto minimizzando il lead frame e permettendo a un maggiore volume di essere occupato dal condensatore vero e proprio (vedi Fig. 3).
Figura 3: MAP vs. Stampato
La famiglia Hi-Rel T54 utilizza la tecnologia MAP per migliorare l'efficienza volumetrica. La combinazione di MAP con un design a doppio anodo consente valori di ESR ancora più bassi (vedi Fig. 4 sotto).
Figura 4: Tecnologia T54 MAP con ESR ultra basso, design a doppio anodo
Condensatori Impilati
Sfruttando la tecnologia MAP, Vishay ha aggiunto un'opzione impilata alla famiglia T54 per applicazioni che richiedono alta capacità in uno spazio ridotto. Con le configurazioni impilate, più condensatori vengono agganciati insieme in array paralleli. Poiché i condensatori sono configurati in parallelo, la capacità aumenta con una riduzione nella ESR. Le opzioni impilate disponibili sono 1 x 2 (un condensatore in larghezza, due in altezza), 1 x 3, 2 x 2, 2 x 3 e 3 x 2. I valori disponibili vanno da 130 μF a 75 VDC fino a 2800 μF a 16 VDC. Possono essere inoltre realizzati arrangiamenti personalizzati. Queste configurazioni impilate di capacità in massa possono risparmiare spazio significativo sul PCB del progettista.
Figura 5: Array di Polimeri T54 Stacker
Accumulo di Energia/ Capacitanza di Massa
La tecnologia MAP e a matrice impilata di Vishay consente una maggiore efficienza volumetrica. Questo miglioramento nella capacità di accumulo rende i polimeri una scelta ideale per applicazioni che potrebbero richiedere immagazzinamento di energia e/o cicli di carica e scarica rapidi, come radar a impulsi, lidar, sistemi di mantenimento e altre.
Data l'equazione per l'energia immagazzinata in un condensatore di
E = ½ x CV²
dove,
- E è l'energia in joule,
- C è la capacità in farad, e
- V è la tensione nominale in volt,
La serie T54 può accumulare fino a 5 J/in2 nel pacchetto E6 (array 2 x 3), basandosi su condizioni ideali utilizzando la soluzione in polimero impilato da 900 μF / 35 VDC nominali.
Affidabilità a Lungo Termine
A differenza delle tecnologie concorrenti come i condensatori ceramici multistrato o gli elettrolitici in alluminio, i condensatori polimerici presentano una caratteristica di assenza di usura grazie alle caratteristiche discusse sopra. Questo garantisce l'affidabilità a lungo termine richiesta per applicazioni militari e spaziali Hi-Rel. La Figura 6 mostra il tipo di stabilità a lungo termine osservata nella tecnologia polimerica, con variazioni minime in capacità, corrente di fuga ed ESR nel tempo.
Figura 6: Variazione della Capacità
Figura 7: Corrente di dispersione
Figura 8: ESR
Applicazioni
Schede madri per server di fascia alta, alimentatori MIL-STD-704, radar a matrice di fase, IFF, infrastruttura di rete, accumulo di energia, condizionamento della potenza, disaccoppiamento, livellamento, filtraggio, mantenimento e altri.
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