Der Hybrid-Kondensator als Alternative zu den herkömmlichen Kondensatortechnologien

Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH

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 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-Kondensatoren technisch aber auch (qualitativ) 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 (eher fest) und eine Elektrolytflüssigkeit (deswegen "hybrid"). Die derzeit erhältlichen Bechergrößen werden in den Größenordnungen 5mm x 6mm bis 10mm x 20mm (DxL) 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. 

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. Der spezifizierte Ripple-Strom des Kondensators wird mit 2.300mA angegeben. 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.

Beispiel 2: Zusammenfassung von Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren über die Berechnung des spezifizierten Ripplestromes

(Quelle: Katalog Rubycon Polymerkondensatoren Kondensatoren Hybridtyp, Seite 31)

Ein wichtiger Parameter ist, je nach Applikation, die maximale Belastung eines Kondensators oder Kondensatorenbänke mit dem Ripplestrom. Hybridkondensatoren haben bei vergleichbarer Gehäusegröße eine um ca. Faktor 5-10 höhere Belastbarkeit. Somit kann der Ripplestrom für die Dimensionierung des Hybridkondensators herangezogen werden. Die Spannungsfestigkeit bleibt dabei natürlich gleich.

I. Ein Aluminium-Elektrolyt-Kondensator mit 25V und 2.700µF hat die Bechergröße 18 x 21,5 (DxL in mm) und einen spezifizierten Ripplestrom von 1.800mA. Ein Hybridkondensator in einer Bechergröße 8 x 10,5 bietet bei beipielsweise 25V/270µF mit rund 1.900mA die Möglichkeit, die Ausgangssituation auf rund 10% des Volumens zu miniaturisieren. Das ist im Kern nichts anderes als im obigen Beispiel 1, nur berechnet. 

II. 5 Stück Aluminium-Elektrolyt-Kondensator mit 25V/220µF sind parallel verschaltet und bieten einen Ripplestrom von 1.750mA in Summe. Auch diese Konstellation kann durch einen in Größe vergleichbaren Hybridkondensator mit 25V/270µF ersetzt werden. Die benötigte Fläche wird um ca. 80% reduziert.

In beiden Fällen werden die gesamten Kosten in der Größenordnung um 30-40% reduziert.

Fazit für dieses Beispiel: Die Vorteile eines Einsatzes der Hybridkondensatoren ist hier sehr offensichtlich. Sowohl in Performance wie auch in den Kosten. Und: Bei der Reduzierung der Anzahl von Komponenten wirken zusätzlich geringere Prozesskosten in der Lagerhaltung und Bestückung.
 

Beispiel 3: 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 2,0mm x 1,25mm (EIA 0805) verwendet werden. Der Platzbedarf beträgt mit Abständen somit ca. 50mm². 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 etwas kleiner.

Die Kosten des Hybrid-Kondensators bewegen sich in diesem Beispiel bei ca. 1/3 bis 2/3. Auch hier zahlen die verringerten Bestückungs-, Lager- und Prozesskosten ein, die im Zuge der verminderten Stückzahl eingespart werden können.

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.

*Hinweis: Die mit der Buchsenleiste aufgebaute Steckvorrichtung und auch die Einlötung des Shunts hat zur Folge, dass Leitungslängen im Bereich einiger mm entstehen, die ansonsten nicht vorhanden wären. Eine Beeinflussung von z.B. zusätzlichen parasitären Induktivitäten in den Verläufen ist nicht auszuschließen.