Elkos im Re-Design Hybriden sparen Platz und Geld

Die EPCaps sind eine Brückentechnologie, die die Vorteile von Polymerkondensatoren und von Standard-Aluminium-Elkos vereinen.

Dass sich beim Re-Design nicht nur bei den Halbleitern Geld sparen lässt, sondern auch die Kondensatoren Optimierungspotenzial bieten, zeigt ein Projekt, das Endrich Bauelemente mit dem Kunden Dunker Motoren realisiert hat.

Viele Entwickler stehen täglich vor der Aufgabe, neue kostenoptimierte Schaltungskonzepte bzw. Re-Designs umsetzen zu müssen. Die Elektronik-Baugruppen werden immer kompakter, dadurch nimmt auch die Temperatur auf dem Board zu, was zu höheren Herausforderungen für alle Bauteile führt. Wie wird die Applikation den wachsenden technischen Anforderungen bei gleichzeitig kleiner werdendem Bauraum und höheren Temperaturen gerecht? Welche Bauteile bieten die nötige Zuverlässigkeit und sind dabei im Idealfall auch noch kostengünstiger? Diese Fragen stellten sich auch für die Entwickler von Dunker Motoren: Optimiert werden sollten die in einem Industriemotor aus dem Hause Dunker eingesetzten Kondensatoren. Der Motor war bislang mit 40 Stück MLCC-Keramikkondensatoren »X7R 50 Volt« ausgestattet. Was vor einigen Jahren State-of-the-Art war, stellte Dunker inzwischen nicht mehr zufrieden, zumal die Kondensatoren unerwünschte Nebenwirkungen verursachten: Sie brauchten viel Platz und hatten doch eine relativ geringe Gesamtkapazität von 40 x 10 µF, die im Betrieb durch das »DC-Bias-characteristics« noch wesentlich geringer ausfiel. MLCC-Kondensatoren verlieren üblicherweise einiges an Kapazität über der angelegten DC-Spannung. Der mechanische Stress auf die Baugruppen beispielsweise durch Biegen oder die Löttemperatur führten gelegentlich zu Kurzschlüssen bei den Kondensatoren. Und schließlich verursachte der Piezoeffekt, der bei Keramikkondensatoren auftreten kann, störende Geräusche. »Diese Einschränkungen wollte unser Kunde mit dem Re-Design lösen, ohne dass die Langlebigkeit und Robustheit eingeschränkt wird, für die Dunker Motoren am Markt bekannt ist«, erklärt Wolfgang Conzelmann, Passive Components Team von Endrich Bauelemente.

Empfohlen hat Endrich schließlich für das Re-Design die EPCaps der HVH-Serie von SunCon mit einer Gesamtkapazität von 10 x 150 µF. »Die Einzelkomponenten sind zwar teuerer, aber die Anzahl hat sich von 40 auf 10 reduziert, was insgesamt zu einer deutlichen Kostenersparnis führte«, so Conzelmann.

Generell tendieren die Entwickler dazu, SMD-Bauteile und kleinere Bauformen einzusetzen, die sich durch eine hohe Rippelfestigkeit auszeichnen und auch sehr hohe Temperaturen über längere Zeit gut wegstecken können.
Bei dem Re-Design geht es üblicherweise darum, Kosten zu optimieren oder zusätzliche Funktionalitäten zum gleichen Preis zu integrieren. Grundsätzlich gibt es keine Faustformel, ob die Optimierung im Passiv, oder Aktiv-Bereich vorgenommen wird. Vielmehr ist das laut Conzelmann eine Philosophie-Frage: »Es gibt zwei gängige Wege: Entweder nehmen die Entwickler standardmäßig verfügbare preisgünstige Halbleiterbausteine und investieren in die Peripherie oder alternativ werden exzellente Halbleiterbausteine eingesetzt und preiswerte Standardteile in der Peripherie verwendet.« Natürlich setzt die Physik hier gewisse Grenzen, die nicht überbrückbar sind und ein Upgrade der Halbleiterbausteine unumgänglich machen, sobald die Grenzen der jeweiligen Bauteile erreicht werden.

Die EPCaps überzeugen aber selbstverständlich nicht nur durch den Preisvorteil, stellt Conzelmann klar, sondern haben auch technisch einiges zu bieten: Der Hersteller Suncon konnte durch Untersuchungen und Dauertests eine Lebensdauer von 20.000 Stunden bei nahezu 100 °C bestätigen. »Es handelt sich bei diesem Wert um eine garantierte Lebensdauer, die unter üblichen Bedingungen um ein Vielfaches bei niedrigeren Temperaturen verlängert werden kann«, betont der Passiv-Experte.

Grundsätzlich folgt der Algorithmus zur Berechnung der Lebensdauer dem der »Nass-Elektrotyt-Kondensatoren«: Danach verdoppelt eine um 10 °C geringere Temperatur die Lebensdauer. Die erhöhte Gesamtkapazität von 10 x 150 µF wirkt sich laut Conzelmann sehr positiv auf das EMV-Verhalten aus. »Außerdem haben wir festgestellt, dass sich die leitungsgebundenen Störungen erheblich reduziert haben«, so Conzelmann. Durch den geringen Spannungseinbruch bei Stromentnahme aus dem Zwischenkreis konnte außerdem die Ausgangsleistung der Elektronik erhöht werden, und die störenden Geräusche waren komplett verschwunden.