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Rutronik Elektronische Bauelemente

Passive Bauelemente applikationsgerecht auswählen

24. Juni 2016, 7:29 Uhr | Von Jürgen Geier, Christian Kasper, Jochen Neller und Bert Weiss

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Super-Caps - den Akkus teilweise überlegen

Supercaps (EDLC)

Supercaps speichern Energie elektrostatisch, im Gegensatz zu Akkumulatoren, die die Energie chemisch gebunden speichern. Damit haben sie einen deutlich niedrigeren Innenwiderstand (ESR), so dass sie sehr hohe Peakströme ohne nennenswerte Erwärmung verkraften. Dadurch eignen sie sich ideal für Pulsanwendungen, bei denen hohe Ströme für eine sehr kurze Zeit benötigt werden, etwa bei der Rekuperation in Fahrzeugen oder als Backup-System. Werden Akkus und Supercaps kombiniert (wenn die vergleichsweise geringe speicherbare Energie des Kondensators nicht ausreicht), kann der Supercap (Bild 5) die Stromspitzen, z.B. bei Autobatterien (Start / Stopp) abdämpfen und so die Lebensdauer des Akkus signifikant verlängern.

Elektrolyt- / Polymer- / Hybridkondensatoren

Elektrolytkondensatoren sind seit jeher die erste Wahl, wenn es um hohe Kapazität bezogen auf die Bauform ankommt. Auch ihre hohe Stromtragfähigkeit wird in den meisten Applikationen voll ausgeschöpft.

Ihr Nachteil ist, dass sie ihr Elektrolyt in flüssiger Form beinhalten. Durch den fließenden Strom und die dadurch entstehende Wärme und Umgebungstemperatur, verflüchtigt sich diese Feuchtigkeit mit der Zeit. Die Folge: Das Elektrolyt trocknet aus und das Bauteil fällt aufgrund einer zu geringen Kapazität, bzw. einem zu hohen ESR aus.

Um diesen Effekt zu verringern, haben einige Hersteller eine neue Technologie entwickelt: Bei den Polymer-Hybrid-Kondensatoren (Bild 6) ist das flüssige Elektrolyt mit einem Feststoffpolymer kombiniert, was sich positiv auf ihre Lebensdauer, den ESR und den Ripplestrom auswirkt.

Die Arrhenius-Formel kann als Faustregel für beide Technologien angewendet werden, um die Lebensdauer grob abzuschätzen.

	Polymer Hybrid Kondensator	Solid Polymer Kondensator	Nasser Elektrolytkondensator
Temperature range	‐55℃～+125℃	‐55℃～+125℃	‐40℃～+125℃
Size (øD x L）	10 x 10,5 mm	10 x 12 mm	10 x 10,5 mm
Rated Voltage	35 V	35 V	35 V
Capacitance	270 uF	56 uF	220 uF
Leakage Current (WV 2 min)	94,5 uA (0,01 CV)	392 uA (0,2 CV)	77 uA (0,01 CV)
Ripple Current（100 kHz)	2000 mA	2000 mA	2000 mA
ESR(100 kHz, 20 ℃)	20 mΩ	31 mΩ	120 mΩ
Lifetime (125 ℃)	4000 h	3000 h	3000 h

Tabelle: Der Vergleich der verwandten Technologien zeigt, dass der Hybrid-Kondensator den vierfachen Strom und 1/6 des ESR des Elektrolytkondensators erreicht.

Starker Pluspunkt der Polymer-Hybrid-Kondensatoren ist zudem ihre Stabilität hinsichtlich Frequenz, Temperatur und Lebensdauer. Damit eröffnen sie neue Möglichkeiten im Design der Schaltung und hebeln Faustregeln aus, z.B. 100 uF = 1 A Strom. Zudem steigt der ESR bei niedriger Temperatur erheblich weniger an, und die Kapazität bei höheren Frequenzen sinkt nicht so stark, wie das bei anderen Technologien der Fall ist.

Deshalb ist es unabdingbar, beim Einsatz von Polymer-Hybrid-Kondensatoren das Strom- und Temperaturprofil des Kondensators in der Applikation zu berücksichtigen und auf dieser Basis das Bauteil zu definieren. Damit ergeben sich nicht nur unter Sicherheits- und Technologieaspekten neue Möglichkeiten, sondern es lassen sich auch Kosteneinsparungen gegenüber konventionellen Designs realisieren.

In manchen Fällen lassen sich die 125-°C-Typen auch bei bis zu 150 °C einsetzen. Dies hängt davon ab, wie die tatsächlichen Belastungen in der Schaltung ausfallen und ist für jeden Einzelfall zu prüfen.