Kondensatoren »Tantal« schafft über 100 V

Seit über 15 Jahren kommen Tantalpolymer-Kondensatoren in vielen Bereichen zum Einsatz. Bis vor kurzem war diese Kondensatortechnologie jedoch auf relativ kleine Nennspannungen begrenzt. Neue Polymermaterialien und Prozesstechnologien ermöglichen jetzt wesentlich höhere Nennspannungen - nun sogar 125 V. Damit lassen sich völlig neue Anwendungsbereiche für »Tantals« erschließen.

Bis letztes Jahr war die maximale Arbeitsspannung von Tantalpolymer-Kondensatoren durch die relativ niedrige Durchbruchspannung (BDV, Breakdown Voltage) dieser Bauteile auf etwa 20 V begrenzt. Bei herkömmlichen in-situ-polymerisierten Kondensatoren verringert sich die Potenzialschwelle an der Nahtstelle zwischen Dielektrikum und PEDOT (Polyethylendioxythiophen) durch eine Ladung, die sich während der Polymerisation auf dem Dielektrikum niederschlägt. Dies führt zu einem höheren Leckstrom (DCL) und einer niedrigeren BDV.

Die Durchbruchspannung lässt sich auch nicht signifikant erhöhen, indem man eine höhere Formierspannung appliziert und dadurch die Dicke des Dielektrikums vergrößert. Die neuesten technischen Fortschritte ermöglichten es in Zusammenarbeit mit Polymerherstellern, das herkömmliche In-situ-Polymerisationsverfahren jetzt durch ein dispergiertes, vorpolymerisiertes, eigenleitfähiges Polymer zu ersetzen. Dadurch hat sich die maximal erzielbare Durchbruchspannung signifikant erhöht und die Kondensatorperformance verbessert.

Bei dispergiertem, vorpolymerisiertem, eigenleitfähigem Polymer finden während der Polymeranwendung keine Polymerisationsreaktionen statt. Außerdem ist der Temperaturstress wesentlich geringer als bei MnO2-Prozessen, bei denen die Elektrode aus Mangandioxid unter hoher Temperatur formiert wird. Mikrorisse infolge mechanischer Spannungen, zurückzuführen auf unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, lassen sich dadurch vermeiden.

Eine Folge davon sind höhere Durchbruchspannungen, wie durch Tests nachgewiesen wurde. Im Vergleich zu herkömmlichen MnO2-Technologien bietet diese neue Polymertechnologie gleich mehrere Vorteile: Sie ermöglicht kleinere ESR-Werte, verringert das Selbstentzündungsrisiko beim Ausfall und erlaubt höhere Arbeitsspannungen.

Die gleichmäßigere Durchbruchspannungsverteilung ist ein wichtiger Parameter, der die höhere Qualität und Spannungsfestigkeit dieser Kondensatoren belegt.

Bild 1 zeigt als Beispiel die Durchbruchspannungsverteilung eines 3,3-µF-Tantalpolymer-Kondensators »TCJ« von AVX, dessen Nennspannung mit 125 V spezifiziert ist. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, liegt die Durchbruchspannung bei über 220 V.

Aufgrund der hohen Stoßspannungsfestigkeit und geringen Selbstentzündungsneigung von Tantalpolymer-Kondensatoren wird ganz allgemein für diese Bauteile ein Derating von nur 20 Prozent empfohlen. Dadurch vergrößert sich der Arbeitsspannungsbereich noch weiter.

So kann ein für 125 V spezifizierter Kondensator ohne weiteres bei Arbeitsspannungen bis 100 V betrieben werden.

Neue Anwendungsgebiete

Ab August 2011 sind Entwicklungsmuster der neuen Hochspannungs-Tantalpolymer-Kondensatoren TCJ mit 6,8 µF/100 V im V-Gehäuse (7,3 mm x 6,1 mm x 3,45 mm) und mit 3,3 µF/125 V im D-Gehäuse (7,3 mm x 4,3 mm x 2,9 mm) in begrenzten Stückzahlen verfügbar. Die Serienproduktion beginnt im Jahr 2012 (Bild 2).

Die auch erst kürzlich vorgestellten 63-V-Tantalpolymer-Kondensatoren, die derzeit mit Kapazitäten von 0,47 µF bis 15 µF und ESR-Werten bis hinab zu 100 mΩ erhältlich sind, eignen sich besonders für Anwendungen in Telekom-Systemen, die oft mit 48 V Betriebsspannung arbeiten. Weitere Anwendungsbereiche für derartige Bauteile mit höheren Nennspannungen sind LED-Treiber, LCD-Fernsehgeräte und Stromversorgungen mit mittleren Ausgangsspannungen.

Die neuen Kondensatoren bieten folgende Vorteile gegenüber Kondensatoren vergleichbarer Kapazität in anderen Technologien: kein Piezoeffekt und höhere mechanische Robustheit als Keramikkondensatoren; höhere Kapazität/Spannung pro Volumeneinheit als Filmkondensatoren; höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer als Aluminium-Polymer-Kondensatoren.

Parameter
TCJD335M125R0250
TCJV685M125R0250
Kapazität
3,3 µF
6,8 µF
Nennspannung125 V100 V
ESR250 mΩ250 mΩ
Leckstrom DCL41,2 µA68 µA
Verlustfaktor (Dissipation Factor, DF)
6 %
6 %
Tabelle 1: Spezifikationen der Tantalpolymer-Kondensatoren aus der »TCJ«-Serie

Über den Autor:

Martin Barta ist Field Application Engineer bei AVX.