Na rynku pojawiają się nowoczesne materiały o coraz większej stałej dielektrycznej, zdolne do pracy z napięciami 3000 V, magazynowania coraz większej energii w mniejszej objętości, pracy w coraz wyższych temperaturach etc. Co może pójść nie tak?
W firmie EEStor Corporation opracowano nowy dielektryk, który może pozwolić na zdetronizowanie jednego z klasycznych elementów pasywnych używanych w przemyśle - starego, dobrego elektrolitycznego kondensatora aluminiowego. Zanim jednakże omówimy jego przełomowe własności, przyjrzyjmy się dokładniej klasycznemu elementowi.
Elektrolityczne kondensatory aluminiowe weszły do użytku już bardzo dawno temu i od tego czasu stanowią klasyczny element wykorzystywany przez każdego projektanta. Jak wskazuje Dennis M. Zogbi w swoim raporcie, mimo iż elementy te stanowią jedynie 6,5% wszystkich kondensatorów liczonych po ilości, to ich zakup przekłada się na 22% wartości wszystkich sprzedawanych na rynku kondensatorów.
Ich główną zaletą jest to, że mają wyższą gęstość energii i stosunek pojemności do objętości niż kondensatory ceramiczne. Mają także wyższą gęstość mocy niż superkondensatory. To wszystko przy zachowaniu relatywnie niskiej ceny. Jak ocenia Elizabeth Simmons z EEWeb: "ich główną zaletą jest to, że można mieć dosyć wysoką pojemność (rzędu tysięcy mikrofaradów) przy dosyć wysokim napięciu (nawet do 400 V) w sensownej wielkości obudowie. Nie są one tak małe jak superkondensatory, ale mogą pracować ze znacznie wyższymi napięciami".
Podobnie o elementach tych wypowiada się inny specjalista, Rick Curl: "Tanie (poza niektórymi wariantami do montażu powierzchniowego); dobry stosunek pojemności do wielkości i dostępność w szerokiej gamie wielkości, pojemności i napięć", a także Peter Traneus, który wymienia podobne zalety: "Niski koszt, budowa z dostępnych materiałów, duża pojemność w danej obudowie i dobre parametry, pozwalające na stosowanie ich w systemach pracujących zarówno w częstotliwościach audio, jak i sieciowych".
Niestety elektrolityczne kondensatory aluminiowe mają też swoje wady. Po pierwsze są one spolaryzowane, co oznacza, że w systemie jest tylko jeden sposób, w jaki można je ustawić - jeśli zrobimy to niepoprawnie, to mogą one opuścić nasz układ w na prawdę ekspresowy sposób - wybuchając. Polarność tych elementów jest niestety - wbrew temu, co mogą myśleć początkujący elektronicy - nieintencjonalnym efektem ubocznym ich konstrukcji.
Rozmiar tych elementów - jakkolwiek często zachwalany, wszak mają wysoki stosunek pojemności do objętości - także jest często pewnym problemem. "Z powodu tego, jak montowana jest większość elementów tego rodzaju (minęły wieki od czasu, gdy widziałem ostatni raz taki kondensator z osiowymi wyprowadzeniami), elementy te są często bardzo wysokie na płytce drukowanej, szczególnie dla większych pojemności. Przekłada się to na duże naprężenie pól lutowniczych w środowisku z dużymi wibracjami, co przekłada się na zmęczenie metali i - w skrajnych przypadkach - na uszkodzenie nóżek elementu" - mówi Aubrey Kagan, elektronik pracujący dla portalu EEWeb.
Innym problemem tego rodzaju kondensatorów elektrolitycznych jest degradacja w czasie. Klasycznym przykładem awarii tych elementów jest wysychanie bądź wyciekanie elektrolitu z ich wnętrza. Powoduje to, że starsze urządzenia po prostu nie działają poprawnie, mimo że w ich wnętrzu nic nie wydaje się uszkodzone. Wystarczy już około 10 lat, by kondensatory te straciły swoje parametry, a urządzenie przestało działać.
Tempo degradacji tych elementów jest uzależnione od temperatury. Narzuca to na projektantów kolejne wymagania co do miejsca, w którym elementy te mogą być w urządzeniu zamontowane. Jest to to tyle trudne, że kondensatory takie często stosuje się w zasilaczach - blisko stabilizatorów napięcia czy tranzystorów mocy, które wszystkie się grzeją.
Innym problemem jest montowanie tych elementów z wykorzystaniem pieca. Jak mówi Duane Benson, pracujący w Screaming Circuits "Kondensatory aluminiowe mogą przegrzać się w piecu lutowniczym. Nawet te, które certyfikowane są do lutowania w temperaturach dla spoiwa bezołowiowego mają bardzo wąskie tolerancje. Wystarczy umieścić je zbyt blisko siebie lub lutować jakiś element, który w piecu spędzić musi minimalnie dłużej i już aluminiowy kondensator może się przegrzać, co powoduje, że pęcznieje i jest zniszczony".
Nawet jeśli elementy te nie są używane, a jedynie przechowywane w magazynie, ich parametry pogarszają się. Magazynowanie nienaładowanych kondensatorów sprawia, że ich rezystancja zastępcza (ESR) i prąd upływu rosną, a pojemność spada. Jak pisze w swoim raporcie Tomáš Zedníček - produkowane obecnie kondensatory aluminiowe mają czas magazynowania wynoszący około dwóch lat. Jest to krótko, ale i tak dłużej niż starsze generacje tego rodzaju elementów.
Inżynierowie z EEStor Corpotation opracowali nowy dielektryk. Przełomowy materiał - CMBT - to modyfikowana mieszanka tytanianu baru. Twórcy tego dielektryka twierdzą, że ma on potencjał zrewolucjonizować sektor tych elementów pasywnych swoimi parametrami.
Mówiąc skrócie - nowy materiał charakteryzuje się relatywną stałą dielektryczną równą co najmniej 30 tysięcy. Materiał ten może być zmieszany z pyłem szklanym i spieczony w kondensator - wtedy stała dielektryczna spada do około 5000, ale to nadal bardzo imponująca wielkość. Dodatkowo łatwo jest z jego wykorzystaniem osiągnąć napięcia pracy kondensatora do 3000 V (aluminiowe kondensatory elektrolityczne kończą się przy około 600 V). Dodatkowo kondensatory z dielektrykiem CMBT mogą pracować w wyższych temperaturach i przechowywać więcej energii w takiej samej objętości. Dodatkowo, wszystkie materiały wykorzystywane do produkcji nowego dielektryka są szeroko dostępne i niedrogie, a cały proces przyjazny dla środowiska.
Jak mówią inżynierowie z EEStor, kondensatory produkowane w oparciu o nowy dielektryk są także bardzo odporne mechanicznie. "Po spiekaniu to w zasadzie kawałki kamienia" - komentuje jeden z nich. Jest to istotne, jeśli porównamy je z inną klasą kondensatorów - elementami ceramiczny, których kruchość jest powodem wielu awarii.
Zastąpienie aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych to dopiero pierwszy krok EEStor. Chcą oni wykorzystać nowy dielektryk także do wyparcia kondensatorów MLCC (wielowarstwowe kondensatory ceramiczne), a w przyszłości zastosować go nie tylko do produkcji kondensatorów, ale jako istotny element systemów magazynowania energii elektrycznej.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/max-maxfield/articles/is-it-time-to-say-goodbye-to-aluminum-electrolytic-capacitors
W firmie EEStor Corporation opracowano nowy dielektryk, który może pozwolić na zdetronizowanie jednego z klasycznych elementów pasywnych używanych w przemyśle - starego, dobrego elektrolitycznego kondensatora aluminiowego. Zanim jednakże omówimy jego przełomowe własności, przyjrzyjmy się dokładniej klasycznemu elementowi.
Elektrolityczne kondensatory aluminiowe weszły do użytku już bardzo dawno temu i od tego czasu stanowią klasyczny element wykorzystywany przez każdego projektanta. Jak wskazuje Dennis M. Zogbi w swoim raporcie, mimo iż elementy te stanowią jedynie 6,5% wszystkich kondensatorów liczonych po ilości, to ich zakup przekłada się na 22% wartości wszystkich sprzedawanych na rynku kondensatorów.
Ich główną zaletą jest to, że mają wyższą gęstość energii i stosunek pojemności do objętości niż kondensatory ceramiczne. Mają także wyższą gęstość mocy niż superkondensatory. To wszystko przy zachowaniu relatywnie niskiej ceny. Jak ocenia Elizabeth Simmons z EEWeb: "ich główną zaletą jest to, że można mieć dosyć wysoką pojemność (rzędu tysięcy mikrofaradów) przy dosyć wysokim napięciu (nawet do 400 V) w sensownej wielkości obudowie. Nie są one tak małe jak superkondensatory, ale mogą pracować ze znacznie wyższymi napięciami".
Podobnie o elementach tych wypowiada się inny specjalista, Rick Curl: "Tanie (poza niektórymi wariantami do montażu powierzchniowego); dobry stosunek pojemności do wielkości i dostępność w szerokiej gamie wielkości, pojemności i napięć", a także Peter Traneus, który wymienia podobne zalety: "Niski koszt, budowa z dostępnych materiałów, duża pojemność w danej obudowie i dobre parametry, pozwalające na stosowanie ich w systemach pracujących zarówno w częstotliwościach audio, jak i sieciowych".
Niestety elektrolityczne kondensatory aluminiowe mają też swoje wady. Po pierwsze są one spolaryzowane, co oznacza, że w systemie jest tylko jeden sposób, w jaki można je ustawić - jeśli zrobimy to niepoprawnie, to mogą one opuścić nasz układ w na prawdę ekspresowy sposób - wybuchając. Polarność tych elementów jest niestety - wbrew temu, co mogą myśleć początkujący elektronicy - nieintencjonalnym efektem ubocznym ich konstrukcji.
Rozmiar tych elementów - jakkolwiek często zachwalany, wszak mają wysoki stosunek pojemności do objętości - także jest często pewnym problemem. "Z powodu tego, jak montowana jest większość elementów tego rodzaju (minęły wieki od czasu, gdy widziałem ostatni raz taki kondensator z osiowymi wyprowadzeniami), elementy te są często bardzo wysokie na płytce drukowanej, szczególnie dla większych pojemności. Przekłada się to na duże naprężenie pól lutowniczych w środowisku z dużymi wibracjami, co przekłada się na zmęczenie metali i - w skrajnych przypadkach - na uszkodzenie nóżek elementu" - mówi Aubrey Kagan, elektronik pracujący dla portalu EEWeb.
Innym problemem tego rodzaju kondensatorów elektrolitycznych jest degradacja w czasie. Klasycznym przykładem awarii tych elementów jest wysychanie bądź wyciekanie elektrolitu z ich wnętrza. Powoduje to, że starsze urządzenia po prostu nie działają poprawnie, mimo że w ich wnętrzu nic nie wydaje się uszkodzone. Wystarczy już około 10 lat, by kondensatory te straciły swoje parametry, a urządzenie przestało działać.
Tempo degradacji tych elementów jest uzależnione od temperatury. Narzuca to na projektantów kolejne wymagania co do miejsca, w którym elementy te mogą być w urządzeniu zamontowane. Jest to to tyle trudne, że kondensatory takie często stosuje się w zasilaczach - blisko stabilizatorów napięcia czy tranzystorów mocy, które wszystkie się grzeją.
Innym problemem jest montowanie tych elementów z wykorzystaniem pieca. Jak mówi Duane Benson, pracujący w Screaming Circuits "Kondensatory aluminiowe mogą przegrzać się w piecu lutowniczym. Nawet te, które certyfikowane są do lutowania w temperaturach dla spoiwa bezołowiowego mają bardzo wąskie tolerancje. Wystarczy umieścić je zbyt blisko siebie lub lutować jakiś element, który w piecu spędzić musi minimalnie dłużej i już aluminiowy kondensator może się przegrzać, co powoduje, że pęcznieje i jest zniszczony".
Nawet jeśli elementy te nie są używane, a jedynie przechowywane w magazynie, ich parametry pogarszają się. Magazynowanie nienaładowanych kondensatorów sprawia, że ich rezystancja zastępcza (ESR) i prąd upływu rosną, a pojemność spada. Jak pisze w swoim raporcie Tomáš Zedníček - produkowane obecnie kondensatory aluminiowe mają czas magazynowania wynoszący około dwóch lat. Jest to krótko, ale i tak dłużej niż starsze generacje tego rodzaju elementów.
Inżynierowie z EEStor Corpotation opracowali nowy dielektryk. Przełomowy materiał - CMBT - to modyfikowana mieszanka tytanianu baru. Twórcy tego dielektryka twierdzą, że ma on potencjał zrewolucjonizować sektor tych elementów pasywnych swoimi parametrami.
Mówiąc skrócie - nowy materiał charakteryzuje się relatywną stałą dielektryczną równą co najmniej 30 tysięcy. Materiał ten może być zmieszany z pyłem szklanym i spieczony w kondensator - wtedy stała dielektryczna spada do około 5000, ale to nadal bardzo imponująca wielkość. Dodatkowo łatwo jest z jego wykorzystaniem osiągnąć napięcia pracy kondensatora do 3000 V (aluminiowe kondensatory elektrolityczne kończą się przy około 600 V). Dodatkowo kondensatory z dielektrykiem CMBT mogą pracować w wyższych temperaturach i przechowywać więcej energii w takiej samej objętości. Dodatkowo, wszystkie materiały wykorzystywane do produkcji nowego dielektryka są szeroko dostępne i niedrogie, a cały proces przyjazny dla środowiska.
Jak mówią inżynierowie z EEStor, kondensatory produkowane w oparciu o nowy dielektryk są także bardzo odporne mechanicznie. "Po spiekaniu to w zasadzie kawałki kamienia" - komentuje jeden z nich. Jest to istotne, jeśli porównamy je z inną klasą kondensatorów - elementami ceramiczny, których kruchość jest powodem wielu awarii.
Zastąpienie aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych to dopiero pierwszy krok EEStor. Chcą oni wykorzystać nowy dielektryk także do wyparcia kondensatorów MLCC (wielowarstwowe kondensatory ceramiczne), a w przyszłości zastosować go nie tylko do produkcji kondensatorów, ale jako istotny element systemów magazynowania energii elektrycznej.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/max-maxfield/articles/is-it-time-to-say-goodbye-to-aluminum-electrolytic-capacitors
Fajne? Ranking DIY
