Polymer-Tantal-Kondensatoren Alternative zu klassischen Tantal-Kondensatoren

Bild. Unterschied zwischen konventionellen (links) und Polymer-Tantal-Kondensatoren: Anstelle von MnO2 (blau) haben letztere Polymer in der Kathode (rot).
Bild. Unterschied zwischen konventionellen (links) und Polymer-Tantal-Kondensatoren: Anstelle von MnO2 (blau) haben letztere Polymer in der Kathode (rot).

Um kompakteren Applikationen gerecht zu werden, sind die Polymer-Tantal-Kondensatoren von den Herstellern stetig verbessert und optimiert worden. Haben sie sich damit zu einer echten Alternative zu konventionellen Tantal-Kondensatoren entwickelt?

Polymer-Tantal-Kondensatoren unterscheiden sich von konven­tionellen Tantal-Kondensatoren ausschließlich in der Kathode: Bei ersteren kommt anstelle von MnO2 (Mangandioxid) ein hochleitfähiges Polymer zum Einsatz (Bild). Diese Polymer-Schicht hat im Gegensatz zu MnO2 kein Sauerstoff-Atom und damit einen entscheidenden Vorteil: Da sie im Falle eines Worst-Case-Szenarios keinen Sauerstoff freisetzen kann, ist das Risiko einer Entzündung bei Überlast nahezu ausgeschlossen.

Dadurch bieten Polymer-Tantal-Kondensatoren eine höhere Zuverlässigkeit und das zu berücksichtigende Spannungs-Derating liegt typischerweise bei lediglich 20 %. Neben einem deutlich niedrigeren Innenwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR) ist die Technologie zudem für einen erheblich größeren Nennspannungsbereich bis 125 V ausgelegt und damit für Applikationen mit bis zu 100 V Betriebsspannung interessant.

Aufgrund der hohen Volumeneffizienz lassen sich bezogen auf die Bauform deutlich höhere Kapazitätswerte (bis 1.500 µF) erzielen, als es derzeit mit einem Keramik-Kondensator möglich ist. Piezo-Effekte sowie Bruchempfindlichkeit sind bei den Polymer-Typen ebenfalls ausgeschlossen.

Lange Lebensdauer

Weiterer Trumpf der Polymer-Tantal-Kondensatoren: Ihre Lebensdauer ist durch die Konstruktion nahezu unbegrenzt. Denn anders als Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren bestehen sie ausschließlich aus Feststoffen, die keinerlei Austrocknungseffekt haben. Dieser könnte sich negativ auf die Lebensdauer auswirken.

Da es bei den Polymer-Tantals grundsätzlich keine Lebensdauer-Einschränkung gibt, kann eine Fehlerrate für diese Technologie errechnet werden: Diese wird durch folgende Faktoren beeinflusst.

  • Basis-Fehlerrate
  • Spannungs-Derating
  • Umgebungstemperatur
  • Serien-Schaltungswiderstand

Sind diese Größen bekannt, lässt sich die Fehlerrate eindeutig ermitteln. Zwischenzeitlich sind sogar einige der Polymer-Tantal-Kondensatoren gemäß AEC-Q200 qualifiziert, sodass diese sich auch für Automotive-Applikationen eignen. 

Platzbedarf und Kosten senken

Beim Einsatz konventioneller Kondensatoren werden häufig mehrere parallel geschaltet; und zwar mit dem Ziel, den ESR zu verringern. Durch ihren sehr niedrigen ESR bieten Polymer-Tantal-Konden­satoren die Möglichkeit, den gewünschten Wert auch mit nur einem Bauteil zu realisieren. Da ein niedrigeres Spannungs-Derating (i.d.R. 20 %) zu berücksichtigen ist, genügt meist ein kleinerer Nennspannungswert. Abhängig von den benötigten Parametern können somit häufig die nächst kleinere Bauform gewählt und zusätzlich die Anzahl der Bauteile reduziert werden.

Beispielsweise werden drei Standard-Tantal-Kondensatoren mit einem ESR von jeweils 75 mΩ parallel geschaltet, um den Gesamt-ESR auf 25 mΩ zu verringern. In diesem Fall kann bereits ein einzelner Polymer-Tantal-Kondensator den gewünschten ESR erreichen. Dies gilt jedoch nur, wenn der ESR – siehe Tabelle – klar im Fokus steht. 

Es muss allerdings differenziert werden, ob die Schaltung einen entsprechenden Rippelstrom benötigt – was einen direkten Einfluss auf den ESR hat – oder ob eine Mindestkapazität für die Funktion der Applikation notwendig ist. In obigem Beispiel steht der ESR im Vordergrund. Dieser kann mit der Polymer-Tantal-Kondensatoren-Technologie auch mit einer niedrigeren Kapazität erreicht werden.

Angenommen die Betriebsspannung liegt bei 5 V, dann kann aufgrund des niedrigeren Spannungs-Deratings nach technischer Prüfung ein 6,3-V-Polymer Typ eingesetzt werden. Das bedeutet: Durch den Ersatz konventioneller Kondensatoren durch Polymer-Tantal-Kondensatoren lassen sich nicht nur Bestückungs- sowie Gesamtkosten reduzieren, sondern auch die oft geforderte Miniaturisierung realisieren. So eröffnet die Polymer-Technologie Entwicklern neue Möglichkeiten, ihre Applikationen weiter zu verbessern.

Damit die Vorteile dieser Technologie voll ausgeschöpft werden, könnte bei bestehenden Projekten ein Re-Design notwendig werden. Um das jeweilige Op­timierungspotenzial abzuschätzen, ist jeder Fall einzeln zu betrachten. Grundsätzlich sollten allerdings die Design­regeln der einzelnen Hersteller beachtet werden, um einen zuverlässigen, langfristigen Einsatz zu ermöglichen.