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Der Hybrid-Kondensator als Alternative zu den herkömmlichen Kondensatortechnologien

Von Paul-Martin Kamprath

pk components GmbH

Einleitung

Die aktuell weit verbreiteten Kondensatoren-Technologien haben technische Vorteile wie Nachteile bzw. sind mit ihrem Verhalten für bestimmte Applikationen nur beschränkt einzusetzen. Zwar werden die Technologien ständig weiterentwickelt, bestimmte nachteilig wirkende Grundeigenschaften bleiben jedoch immer bestehen und sie können im besten Fall nur verbessert werden. Wie bei allen maturierten Technologien ist die Entwicklung in vielen Punkten ausgereizt und die Fertigung optimiert, aber auch mit einer großen Menge an Herstellern der Wettbewerb hoch und der Preis somit relativ niedrig.


Seit einigen Jahren springen immer mehr Hersteller auf den Zug der sogenannten Hybrid-Kondensatoren auf. Alternativ auch Hybrid-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren oder Hybrid-Polymer-Kondensatoren genannt. Die Hybrid-Kondensatoren brillieren mit einer sehr hohen Ripple-Strombelastbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Technologien (vergleiche auch "Empfohlene Produkte zum Thema") und bieten sehr gute Ansätze in Miniaturisierung und Verbesserung der Performance.

Unsere Erfahrung zeigt jedoch, dass der Anwender die neue Technologie erst einmal 1:1 vergleicht. Im Fall des Kondensators wird somit vorrangig erst einmal versucht eine Artikelnummer zu finden mit gleicher Kapazität und Spannungsfestigkeit für z.B. einen oder mehreren Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren. Für die Spannungsfestigkeit ist das sicherlich korrekt, jedoch bei Annahme der gleichen Kapazität ist mit dieser Vorgehensweise die Enttäuschung meist vorprogrammiert: Entweder ist diese im Portfolio des Anbieters nicht vorhanden, oder der Preis des gefundenen Artikel übersteigt die herkömmliche Lösung.

Es ist eine andere Herangehensweise gefragt, da in der Regel gar nicht so viel Hybrid-Kondensator gebraucht wird aufgrund seiner Eigenschaften. Die folgende Diskussion vergleicht die Technologie der Hybrid-Kkondensatoren technisch aber auch kaufmännisch anhand von Beispielen und möchte einige Impulse zu einem möglichen Einsatz der Hybrid-Kondensatoren geben.
 

Eigenschaften und Aufbau des Hybrid-Kondensators

Die Anoden und Kathoden entstehen wie bei den Alu-Elkos über die Wickelung mit einer Folie. Als Basis dienen ein Polymer und eine Elektrolytflüssigkeit (Hybrid). Die derzeit erhältlichen Bechergrößen werden in den Größenordnungen 6mm x 6mm bis 10mm x 12mm angeboten. Die Kapazitäten reichen von 10 bis 1.000µF, die Spannungsfestigkeiten gehen bei einigen Herstellern bis 125V. An einer Ausweitung der Spannungsfestigkeiten wird stark gearbeitet. Die Hybrid-Kondensatoren bestechen mit einem sehr geringen äquivalenten Serienwiderstand (ESR), was Ripple-Ströme bis über 4.000mA in diesen Bechergrößen erlaubt. Aufgrund des Anteils eines flüssigen Elektrolyts ergibt sich eine Lebensdauer, die wie bei Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren gemeinsam mit einer Temperatur angegeben ist. Wie auch von den Aluminium-Elektroyt-Kondensatoren bekannt, bewirkt die Verminderung der Temperatur um 10°C eine Verdoppelung der Lebensdauer bei den Hybrid-Kondensatoren. Die derzeitigen Serien gehen z.B. bis 10.000h bei 105°C und 4.000h bei 125°C. Serien bis 150°C sind ebenfalls schon erhältlich. Die Verwendung des Polymers bewirkt eine sehr gute Stabilität über die Temperatur was die Kapazität und den ESR betrifft. Somit ist die Verwendung der Hybrid-Kondensatoren bei tiefen Temperaturen im Vergleich zu herkömmlichen Technologien besonders vorteilhaft. Aufgrund der unterschiedlichen Anode und Kathode ist der Hybrid-Kondensator wie der Alu-Elko ein gepoltes Bauelement. Zwischen den Herstellern gibt es kleine bis größere technologische Unterschiede, die sich auch auf das Verhalten der Bauelemente auswirken.
 

Beispiel 1: Ersatz eines Alu-Elkos in einem LED-Netzteil

Mit dem höheren zulässigen Ripplestrom kann eine Miniaturisierung beispielsweise als Glättungskondensator umgesetzt werden. Der folgende Vergleich wurde an unserem Stand zur electronica 2018 gezeigt.

Als Basis dient ein handelsübliches LED-Netzteil mit 25W Nennleistung bei 12V. Mit Hilfe einer Buchsenleiste können Kondensatoren mit der Funktion des Glättungskondensators im Ausgang des Netzteils gesteckt werden. Die Spannungs- und Ripplestromverläufe wurden mit einem PC-Oszilloskop (PCSU 200, Hersteller Vellemann) erfasst. Der Ripplestrom wurde über einen Shunt (10mOhm) in eine Spannung umgewandelt.

Bild 1 zeigt den Spannungs- und den Ripple-Strom-Verlauf an einem sehr guten Alu Elko (ESR optimiert, ZLS Serie Hersteller Rubycon) mit 2.200µF Kapazität und 16V Spannungsfestigkeit. Der Alu-Elko hat die Bauform 10x25mm mit einem spezifizierten Ripple-Strom von 2.500mA bei 100kHz.

Im Bild 2 sind die Verläufe der Spannung und des Ripple-Stromes mit einem Hybrid-Kondensator (220µF/25V) in einer Bechergröße von 8mm x 10,5mm dargestellt. Die Dimensionierung der Kapazität wurde dabei empirisch ermittelt. Das Netzteil funktionierte mit einem (noch kleineren) 100µF Hybrid-Kondensator nicht mehr ordnungsgemäß.

Im Ergebnis sind die Überschwinger mit dem Hybridkondensator sogar geringer. Die Baugröße konnte um mehr als 50% in der Bauhöhe und rund 70% im Volumen verringert werden. Die Kosten würden ca. 50-100% höher liegen in dieser Konstellation.

Fazit für dieses Beispiel: Die Vorteile der Miniaturisierung müssten derzeit noch mit einem höheren Preis erkauft werden. Zu berücksichtigen ist bei der Verwendung eines Hybridkondensators die wesentlich bessere Temperaturstabilität und die höhere Lebensdauer. Das sind wichtige Faktoren für Industrieapplikationen.

Bild 1: Messung Alu-Elko: Welligkeit Spannung (rot) und Ripple-Strom (x100 in A)
 

Bild 2: Messung Hybrid-Kondensator: Welligkeit Spannung (rot) und Ripple-Strom (x100 in A)

Beispiel 2: Zusammenfassung von MLCCs in Kondensatorbänken

Die hohe Stabilität über die Kapazität kann interessant sein, um die mit einem Derating behafteten MLCCs einer Kondensatorbank im Ausgang eines Netzteiles zusammenzufassen.

Eine gängige Ausgangsspannung ist z.B. 12V. Die geforderte Kapazität sei 100µF. Um diese unter Berücksichtigung des Deratings (ca. eine Drittelung der Kapazität) zu erreichen sind 15 parallele MLCCs mit einer Spannungsfestigkeit von 25V bei 22µF Nennkapazität notwendig. Das Derating ist stark abhängig vom Dielektrikum und der Bauform. Für unser Beispiel müsste eine X5R Keramik und eine Bauform mit 3,2mm x 2,5mm (EIA 1206) verwendet werden. Der Platzbedarf beträgt mit Abständen somit ca. 100mm². Die in Summe erzielbare Ripplestrombelastbarkeit der Keramikkondensatoren ist wegen des geringen äquivalenten Serienwiderstandes (ESR) ähnlich wie die der Hybrid-Kondensatoren. Aus diesem Grund ist es sinnvoll die Dimensionierung des Hybrid-Kondensators mit 100µF bei 25V Spannungsfestigkeit anzusetzen. Dieser ist in der Bauform 6,3mm x 8mm erhältlich. Der Platzbedarf wäre mit ca. 40mm² entsprechend kleiner.

Die Kosten des Hybrid-Kondensators bewegen sich in diesem Beispiel bei ca. einem Drittel. Hinzu kommen die verringerten Bestückungs-, Lager- und Prozesskosten, die im Zuge der verminderten Stückzahl entstehen.

Fazit für dieses Beispiel: Sowohl beim Flächenbedarf wie auch bei den Kosten wäre der Hybrid-Kondensator eine Option. Das Vorhaben kann nur durch die vergrößerte Höhe des Hybrid-Kondensators eingeschränkt werden sollte das in der Applikation eine Rolle spielen.
 

Schlussbetrachtung

Die vorangegangenen Beispiele können nur Ideen geben, denn jede Applikation ist individuell zu bewerten. Dennoch zeigen sich interessante Miniaturisierungspotentiale, eine Verrringerung der Komponentenanzahl sowie mögliche Leistungsverbesserungen. Es kann sich lohnen über den Einsatz der Hybridkondensatoren nachzudenken. Wichtig ist es bei der Dimensionierung einen separaten Weg zu gehen, um die Potentiale vollständig auszuschöpfen. Das sind im Vergleich zu Aluminium-Elektrolytkondensatoren der wesentlich höhere Ripplestrom und zu den Keramikkondensatoren die Stabilität der Kapazität unter Belastung.

Kommen Sie auf uns zu, gerne unterstützen wir Sie in der optimalen Dimensionierung für Ihre Schaltung. Idealerweise benötigen wir ein Lastprofil ("mission profile") und/oder die Daten der zu optimierenden Applikation.

Produktneuheit

02. April 2019

Erweiterung Portfolio der Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren von Samwha

Mit neuen Serien verbessert Samwha seine Optionen in der Technologie, die für ihre hohen zulässigen Rippleströme bekannt ist.

Produktneuheit

10. August 2018

Erweiterung des Portfolios Polymer-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren (Hybrid-Typ) von Rubycon

Mit der PLV Serie werden die herausragenden Eigenschaften der Polymer-AluElkos (Hybrid-Typ) mit hohen Ripple-Strömen auf den Einsatz bei Temperaturen bis 150°C ausgedehnt.

Rubycon: Gewickelte Polymerkondensatoren mit sensationeller Strombelastbarkeit

Die Kondensatoren der neuen Technologie wurden um zusätzliche Werte sowie mit den Serie PJV und PSV erweitert.

Artikelnummer Beschreibung Hersteller Stückzahl
RUB_Hybrid.jpg 25PHV100M6.3x8-M Kondensator PHV Polymer 100uF 25V SMD 6.3x8 20% Musterlager Datenblatt Rubycon 13 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 25PHV220M8x10.5-M Kondensator PHV Polymer 220uF 25V SMD 8x10,5 20% Musterlager Datenblatt Rubycon 20 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 25PHV330M10x10.5-M Kondensator PHV Polymer 330uF 25V SMD 10x10,5 20% Musterlage Datenblatt Rubycon 10 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 25PHV56M6.3x6.1-M Kondensator PHV Polymer 56uF 25V SMD 6.3x6.1 20% Musterlager Datenblatt Rubycon 15 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 25PJV270M8x10.5-M Kondensator PJV Polymer 270uF 25V SMD 8x10,5 20% Musterlager Datenblatt Rubycon 15 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 25PJV470M10x10.5-M Kondensator PJV Polymer 470uF 25V SMD 10x10,5 20% Musterl. Datenblatt Rubycon 13 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 35PHV150M8x10.5-M Kondensator PHV Polymer 150uF 35V SMD 8x10,5 20% Musterlager Datenblatt Rubycon 15 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 35PHV270M10x10.5-M Kondensator PHV Polymer 270uF 35V SMD 10x10,5 20% Musterlage Datenblatt Rubycon 20 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 35PHV47M6.3x6.1-M Kondensator PHV Polymer 47uF 35V SMD 6.3x6.1 20% Musterlager Datenblatt Rubycon 15 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 35PHV68M6.3x8-M Kondensator PHV Polymer 68uF 35V SMD 6.3x6.1 20% Musterlager Datenblatt Rubycon 15 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 35PJV180M8x10.5-M Kondensator PJV Polymer 180uF 35V SMD 8x10,5 20% Musterlager Datenblatt Rubycon 15 Muster anfordern
RUB_Hybrid.jpg 35PJV330M10x10.5-M Kondensator PJV Polymer 330uF 35V SMD 10x10,5 20% Musterl. Datenblatt Rubycon 15 Muster anfordern
NIC_NSPE.jpg NSPE-TZ151M25V8X10.8NBYF-M Kondensator NSPE Hybrid Polymer 150uF 25V SMD 8x10,8 20%, Muster Datenblatt NIC 5 Muster anfordern
NIC_NSPE.jpg NSPE-TZ271M25V10X10.8NBYF-M Kondensator NSPE Hybrid Polymer 270uF 25V SMD 10x10,8 20%, Muster Datenblatt NIC 4 Muster anfordern
NIC_NSPE.jpg NSPE-TZ470M25V6.3X6.3NBYF-M Kondensator NSPE Hybrid Polymer 47uF 25V SMD 6,3x6,3 20%, Muster Datenblatt NIC 5 Muster anfordern
NIC_NSPE.jpg NSPE-TZ681M25V6,3X8NBYF-M Kondensator NSPE Hybrid Polymer 680uF 25V SMD 6,3x6,3 20%, Muster Datenblatt NIC 5 Muster anfordern
NIC_NSPE.jpg NSPE-Z101M25V6.3X8NLBYF-M Kondensator NSPE Hybrid Polymer 100uF 25V SMD 6,3x8 20%, Muster Datenblatt NIC 5 Muster anfordern
NIC_NSPE.jpg NSPE-Z221M25V8X10.5NLBYF-M Kondensator NSPE Hybrid Polymer 220F 25V SMD 8x10,5 20%, Muster Datenblatt NIC 3 Muster anfordern
NIC_NSPE.jpg NSPE-Z330M25V5X6.1NLBYF-M Kondensator NSPE Hybrid Polymer 33uF 25V SMD 5x6,1 20%, Muster Datenblatt NIC 5 Muster anfordern
NIC_NSPE.jpg NSPE-Z331M25V10X10.5NLBYF-M Kondensator NSPE Hybrid Polymer 330uF 25V SMD 10x10,5 20%, Muster Datenblatt NIC 5 Muster anfordern
NIC_NSPE.jpg NSPE-Z331M25V10X12.8NBYF-M Kondensator NSPE Hybrid Polymer 330uF 25V SMD 10x12,8 20%, Muster Datenblatt NIC 5 Muster anfordern
SWH_Hybrid_Alu_Elko_YT.jpg YB1E397M1012MKVR-M Kondensator YB Hybrid Polymer 390uF 25V SMD 10,0x12,5 20%, Muster Datenblatt Samwha 20 Muster anfordern
SWH_Hybrid_Alu_Elko_YT.jpg YC1C107M6L07KVR-M Kondensator YC Hybrid Polymer 100uF 16V SMD 6,3x7,7 20%, Muster Datenblatt Samwha 20 Muster anfordern
SWH_Hybrid_Alu_Elko_YT.jpg YH1E107M6L07KVR-M Kondensator YH Hybrid Polymer 100uF 25V SMD 6,3x7,7 20%, Muster Datenblatt Samwha 20 Muster anfordern
SWH_Hybrid_Alu_Elko_YT.jpg YH1K396M10010KVR-M Kondensator YH Hybrid Polymer 39uF 80V SMD 10,0x10,0 20%, Muster Datenblatt Samwha 20 Muster anfordern

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