mini|Quaderförmige Polymer-Elektrolytkondensatoren. mini|Zylindrische Polymer-Elektrolytkondensatoren sind als Polymer-Kondensatoren daran erkennbar, dass sie keine Sollbruchstelle im Becher haben.
Ein Polymer-Elektrolytkondensator, Abk. „Polymer-Elko“, ist ein gepolter Kondensator, dessen Anode (+) aus einem Metall (Ventilmetall) besteht, auf dem durch anodische Oxidation, auch Formierung genannt, eine gleichmäßige, der Nennspannung angepasste äußerst dünne elektrisch isolierende Oxidschicht als Dielektrikum erzeugt wird. Ein fester Elektrolyt aus einem leitfähigen Polymer, der sich geometrisch der Oberflächenstruktur der Anode anpasst, bildet die Kathode (−) des Kondensators. Basierend auf dem verwendeten Anodenmetall und der Kombination von Polymerelektrolyt mit einem flüssigen Elektrolyten gibt es drei unterschiedliche Bauarten: Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren und Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren
Polymer-Niob-Elektrolytkondensatoren sind bislang nicht in die Serienproduktion gegangen.
Polymerkondensatoren zeichnen sich durch besonders niedrige Ersatzserienwiderstände (ESR-Werte) () und hohe Rippelstrombelastbarkeiten aus. Damit stehen sie im Wettbewerb mit keramischen Vielschicht-Chipkondensatoren (MLCC), bieten jedoch höhere und spannungsunabhängige Kapazitätswerte als MLCC-Kondensatoren, außerdem besitzen sie keinen Mikrofonie-Effekt.
Polymer-Elektrolytkondensatoren werden angeboten als zylindrische oder quaderförmige SMD-Bauformen oder als bedrahtete Versionen in radialer (stehender) Bauform. Sie haben eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit ihrer elektrischen Parameter und eine deutlich längere Lebensdauer als Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten, haben jedoch höhere Reststromwerte als diese.
Polymer-Elektrolytkondensatoren werden auch in einer Hybrid-Bauart angeboten. Die Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren besitzen sowohl einen festen Polymer-Elektrolyten als auch einen flüssigen Elektrolyten. Diese Ausführungsform zeichnet sich neben den niedrigen ESR-Werten auch durch niedrige Restströme und durch Unempfindlichkeit gegenüber Transienten aus, hat aber eine kürzere Lebensdauer gegenüber reinen Polymerkondensatoren.
Durch die große spezifische Kapazität, den niedrigen ESR und die verfügbaren flachen SMD-Bauformen eignen sich Polymer-Elektrolytkondensatoren besonders für Geräte in flacher Bauweise wie Laptops, Mobiltelefonen, Digitalkameras und Flachbildschirme. Hier werden sie zum Entkoppeln von unerwünschten Frequenzen vom zweistelligen Hertz-Bereich bis hin zu einigen Megahertz, zur Glättung gleichgerichteter Spannungen in Schaltnetzteilen sowie zur Pufferung der Stromversorgung digitaler Schaltungen bei plötzlichem Strombedarf eingesetzt.
Bedeutung der Digitaltechnik für Polymer-Elektrolytkondensatoren Grundsätzliche Elko-Anwendungen Der überwiegende Einsatzbereich von Elektrolytkondensatoren liegt im Bereich der Stromversorgungen für elektronische Geräte. Hier bewirken sie hinter der Gleichrichtung ein Glätten bzw. Entstören der gleichgerichteten Wechselspannung und puffern bzw. stabilisieren die Gleichspannung bei plötzlichem Strombedarf der nachgeschalteten Schaltung. Bei DC-DC-Wandlern können Elektrolytkondensatoren auch noch eingangsseitig eine Pufferfunktion erfüllen. Für diese Anwendungen gibt es eine Vielzahl von Bezeichnungen wie Glättungskondensator, Siebkondensator (), Stützkondensator () und Entkopplungskondensator ().Nippon Chemi-Con: Conductive Polymer Aluminum Solid Capacitors. Application Note, 2009.7. Rev. 03 (PDF)
In diesen Anwendungen sind neben der Kapazität die Impedanz Z, der Serienersatzwiderstand ESR () und die Serieninduktivität ESL () wichtige elektrische Kennwerte zur Beurteilung der Eigenschaften dieser Kondensatoren in den Schaltungen.
Digitalisierung – Die ESR-Herausforderung
250px|mini|Bei einem plötzlichen Strombedarf einer nachgeschalteten Schaltung mindert sich die Versorgungsspannung durch Spannungsfälle über den ESL, ESR und durch Kapazitätsverlust.
Aktuelle leistungsfähige Prozessoren haben Stromaufnahmen von 5 A (Mobilgeräte) bis 300 A (High-End-Server) bei Betriebsspannungen von 0,6 bis 1,35 V, die auf 0,01 bis 0,02 V einzuhalten sind. Diese Anforderungen sind eine große Herausforderung für die Stromversorgung. Denn durch den ESR des Kondensators ergibt sich bei plötzlichem Strombedarf ein Spannungseinbruch , der die Funktionsfähigkeit der nachgeschalteten Schaltung beeinträchtigt.
Als Beispiel für die Größenordnungen, die in modernen Schaltungen beachtet werden müssen, mögen folgende Werte dienen: Die Versorgungsspannung eines Prozessors betrage 1,1 V mit einer zulässigen Toleranz von 0,02 V und die Stromaufnahme schwanke zwischen 10 und 90 A. Dies erfordert einen Innenwiderstand der Stromversorgung ESR = U/I = 0,02 V/80 A = 0,25 mΩ. Deshalb befinden sich unzählige Stützkondensatoren schon auf dem Chip-PCB, weitere in Sockelnähe. Weiterhin kommunizieren Prozessoren direkt mit den Spannungswandlern, um ihren Strom- und Spannungsbedarf direkt mitteilen zu können. Hinzu kommen einstellbare negative Ausgangswiderstände der Stromversorgung (Load-Line Calibration genannt).
Nur durch die Entwicklung neuer, fester Elektrolyte, zunächst TCNQ, danach die leitfähigen Polymere, die zur Entwicklung der Polymer-Elektrolytkondensatoren mit ihren sehr niedrigen ESR-Werten bei zugleich hohen Kapazitätswerten führte, sowie durch konstruktive Maßnahmen wie die Multi-Anoden-Technik wurden die Forderungen nach immer kleineren ESR-Werten in den Kondensatoren für Stromversorgungen der immer komplexer werdenden Digitalschaltungen erfüllbar, siehe #Neue Konstruktionen – Verringerung von ESR und ESL.
Allerdings stiegen mit der zunehmenden Integrationsdichte auch die Schaltgeschwindigkeiten der Mikroprozessoren an. Schnellere Schaltflanken aber verlangten geringere parasitäre Induktivitäten, der ESL der Kondensatoren musste verringert werden. Weitere konstruktive Maßnahmen bei Tantal-Polymer-Elkos wie die Face-Down-Technik oder der geschichtete Aufbau bei den Al-Polymer-Elkos konnten auch diese Anforderungen erfüllen.
Grundlagen Plattenkondensator
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Alle Elektrolytkondensatoren sind im Grunde genommen Plattenkondensatoren, deren Kapazität umso größer ist, je größer die Elektrodenfläche und die Dielektrizitätszahl ist und je kleiner der Abstand der Elektroden zueinander ist.
Zur Vergrößerung der Kapazität des späteren Kondensators wird bei allen Elektrolytkondensatoren die Anode aufgeraut, wodurch die Oberfläche deutlich größer als die einer glatten Oberfläche wird, sich am Prinzip des Plattenkondensators jedoch nichts ändert.
Die Dielektrizitätszahl setzt sich zusammen aus der elektrischen Feldkonstante und der materialspezifischen Permittivität des Dielektrikums: . Dieser Wert bestimmt dann die spezifische Kapazität von Aluminium- oder Tantal-Polymer-Elektrolytkondensatoren.
Anodische Oxidation (Formierung) mini|links|Grundprinzip der anodischen Oxidation, bei der durch Anlegen einer Stromquelle eine Oxidschicht auf einer metallischen Anode gebildet wird. mini|Die Schichtdicke des bei der Formierung gebildeten Oxids ist proportional zur Formierspannung. Polymer-Elektrolytkondensatoren basieren auf dem elektrochemischen Effekt der anodischen Oxidation (Formierung). Dabei wird auf der Oberfläche von sog. Ventilmetallen (Aluminium, Tantal, Niob u. a. m.) durch Anlegen des Pluspoles einer Gleichstromquelle in einem mit dem Minuspol verbundenen Bad gefüllt mit einem flüssigen Elektrolyten eine elektrisch isolierende Oxidschicht gebildet, die als Dielektrikum eines Kondensators genutzt werden kann.
Diese Oxidschichten auf der Anode (+) sind sehr dünn und haben eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit, die im Bereich nm/V liegt. Die Kapazität dieses Kondensators ergibt sich wie bei einem Plattenkondensator aus der Geometrie der Anodenoberfläche und der Dicke der Oxidschicht. Diese wird mit der Formierspannung bestimmt und kann damit den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung angepasst werden, wodurch eine Optimierung der spezifischen Kapazität möglich ist.
Materialien Anoden Hauptunterschied zwischen den Polymerkondensatoren ist das verwendete Anodenmaterial und dessen Oxid als Dielektrikum: Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren verwenden hochreines, feinpulveriges und gesintertes Tantalpulver als Anode mit Tantalpentoxid Ta2O5 als Dielektrikum und Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwenden eine hochreine und elektrochemisch geätzte (aufgeraute) Aluminiumfolie als Anode mit Aluminiumoxid Al2O3 als Dielektrikum
Die Materialeigenschaften der durch die anodische Oxidation erzeugten Dielektrika bestimmen die spezifische Kapazität der jeweiligen Kondensator-Bauart. Außerdem spielt die Oxidstruktur noch eine wichtige Rolle. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften der unterschiedlichen Oxid-Materialien.
+Materialdaten der zwei für Polymer-Elektrolytkondensatoren verwendeten AnodenmaterialienAnodenmaterialDielektrikumOxid-strukturRelativePermittivitätDurchschlags-festigkeit (V/µm)Oxidschicht-dicke(nm/V)AluminiumAluminiumoxid Al2O3 amorph 9,6 710 1,4 kristallin11,6…14,2Jeng-Kuei Chang, Chia-Mei Lin, Chi-Min Liao, Chih-Hsiung Chen, Wen-Ta Tsai: Effect of Heat-Treatment on Characteristics of Anodized Aluminum Oxide Formed in Ammonium Adipate Solution. In: Journal of The Electrochemical Society. 2004. jes.ecsdl.org doi:10.1149/1.1646140 800…1000 1,25…1,0Tantal Tantalpentoxid Ta2O5 amorph 27 625 1,6
Werden die Werte der beiden Anodenmaterialien miteinander verglichen, so hat Tantalpentoxid eine ca. 3fach höhere Permittivität als Aluminiumoxid. Tantal-Elektrolytkondensatoren könnten deshalb bei gleichem Kapazitäts- und Nennspannungswert theoretisch kleiner als Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden. In realen Polymer-Elektrolytkondensatoren werden die Oxidschichtdicken speziell bei Tantalkondensatoren jedoch teilweise erheblich stärker formiert, als es die spätere Nennspannung des Kondensators eigentlich erforderlich machen würde. Dies geschieht aus Gründen der Sicherheit, um eine geringere Ausfallrate zu erhalten.J.Gill, T. Zednicek: Voltage Derating Rules For Solid Tantalum And Niobium Capacitors. (PDF; 887 kB) AVX Aus diesem Grunde werden mögliche Abmessungsunterschiede, die sich aus den unterschiedlichen Permittivitäten herleiten, teilweise nicht wirksam.
Anodenstrukturen Ein Grund für die relativ hohe spezifische Kapazität der Elkos gegenüber anderen konventionellen Kondensatoren ist die stark vergrößerte Oberfläche der Anode. Bei Aluminium-Elkos wird die Anodenfolie elektrochemisch geätzt, bei Tantal-Elkos wird durch sintern von feinem Pulvern die Anodenoberfläche gegenüber einer glatten Oberfläche deutlich vergrößert. Sie kann für kleine Spannungen bis zum Faktor 200 größer als eine glatte Oberfläche sein.A. Albertsen: (PDF; 424 kB) Jianghai EuropeSpecifications for Etched Foil for Anode, Low Voltage. (PDF; 107 kB) kdk.comI. Horacek, T. Zednicek, S. Zednicek, T. Karnik, J. Petrzilek, P. Jacisko, P. Gregorova: High CV Tantalum Capacitors – Challenges and Limitations. (PDF; 1,5 MB) AVX
Sowohl durch die Ätzung der Aluminium-Anodenfolie als auch durch das Sintern des Tantal- bzw. Niob-Pulvers entsteht eine aufgeraute Anode, deren Oberfläche deutlich größer als die einer glatten Oberfläche ist.
Formierung des Dielektrikums Zur Beschreibung der chemischen Prozesse bei der Formierung von Al-Elektrolytkondensatoren siehe Aluminium-Elektrolytkondensator, von Ta-Elektrolytkondensatoren siehe Tantal-Elektrolytkondensator.
Elektrolyte