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Aluminium-Elektrolyt-Kondensator

Hohe Leistungsdichte durch axiales Design von TDK

22. November 2017, 14:08 Uhr | Andreas Pfeffer

Hybrid-Polymer-Alu-Elko in axialem Design mit einer Kapazität von 1300 μF und einem ESR von 3 mΩ.

TDK hat mit einer axialen Bauweise den Serieneinsatzwiderstand der Elektrolyt-Kondensatoren für den Automobilsektor deutlich reduziert – damit steigt auch die Ripple-Stromtragfähigkeit.

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Kondensatoren stabilisieren die Betriebsspannung und gewährleisten somit den Betrieb unterschiedlicher Systemfunktionen. Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren (Alu-Elko) zeichnen sich durch eine hohe Kapazität pro Volumen aus und sind daher in den meisten Automotive-Systemen unverzichtbar. TDK hat in den vergangenen Jahren Alu-Elkos für den Automobilbereich entwickelt, die sich durch hohe Vibrationsfestigkeit (von bis zu 60 g) und hohe Betriebstemperaturen (bis zu 150 °C) auszeichnen.

Ein entscheidendes Leistungsmerkmal von Alu-Elkos ist der Serienersatzwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR). Proportional zum ESR entsteht bei Beaufschlagung mit Wechselstrom, dem so genannten Ripple, eine Verlustleistung, die das Bauelement nach der Leistungsformel P_V = ESR x I²_AC entsprechend aufheizt. Somit begrenzt der ESR in Kombination mit dem thermischen Widerstand die Stromtragfähigkeit des Alu-Elkos.

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Hybrid-Polymer-Technik reduziert ESR

TDK setzt nun eine Hybrid-Polymer-Technik ein, die ein Polymer mit einer Leitfähigkeit von rund 1000 S/cm mit einem Flüssigelektrolyten kombiniert. Neben der Senkung des ESR ermöglicht die Hybrid-Technik auch die Selbstheilungsfähigkeit, also die Re-Oxidation von Defekten in der isolierenden Oxidschicht. Das steigert die Spannungsfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Lebensdauer eines Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolyt-Kondensators (Hybrid-Polymer-Alu-Elko) im Vergleich zu einem reinen Polymer-Aluminium-Elektrolyt-Kondensators.

Die Hybrid-Polymer-Technik ermöglicht – abhängig von Temperatur und Nennspannung – eine um den Faktor 2 bis 5 gesteigerte Ripple-Stromtragfähigkeit.

Kapazitätswerte und Leistungsdichten

Das Unternehmen hat die Technik von Hybrid-Polymer-Alu-Elkos weiter verbessert, um bei geringeren ESR-Werten höhere Kapazitäts- und Leistungsdichten zu realisieren. Nachfolgende patentierte Neuentwicklungen ermöglichen die Optimierung:

Material: Struktur und Zusammensetzung des Fest-Flüssig-Elektrolytsystems.
Prozess: Möglichkeit des Einbringens des Polymermaterials in große Wickel.
Design: Sehr geringer Metall-ESR durch Multi-Tab-Anbindung, um Vorteile der hohen Polymerleitfähigkeit auch in großen Bauformen in Kombination mit geringem ESL (Equivalent Series Inductance) auszunutzen.

Axiales Design

Auf Basis der erwähnten Optimierungen konnte das Unternehmen ein axiales Design realisieren. Der Kondensator bietet eine Kapazität von 1300 μF bei einer Nennspannung von 25 V und einem ESR von 3 mΩ. Die Abmessungen betragen 14 mm x 25 mm (D x H).

Im Vergleich zu konventionellen Alu-Elkos wird der ESR um den Faktor 8,5 reduziert. Damit kann der neue Kondensator einen hohen Ripplestrom von bis zu 16 A bei 10 kHz und einer Gehäusetemperatur von 125 °C tragen. Konventionelle Kondensatoren erreichen einen Ripplestrom von circa 6 A.