Ridurre le dimensioni della scheda e il time-to-market con condensatori Made in USA, ad alta capacità e ultrasottili

I progettisti di hardware sono sempre alla ricerca di opportunità per ridurre i costi, le dimensioni e il peso dei componenti, pur soddisfacendo o superando gli obiettivi di efficienza e affidabilità dei componenti e dei sistemi. Uno dei componenti più comuni e critici per l'ottimizzazione sono i condensatori montati su scheda, a causa del loro ingombro e dell'ampio utilizzo. L'affidabilità è anche importante quando si seleziona un condensatore a causa della sua propensione alla dispersione e al deterioramento della capacità nel tempo, se sottoposto a temperature estreme. Questo degrado può portare a malfunzionamenti intermittenti del circuito, compromettendo l'efficienza e l'affidabilità del sistema.

Mentre i produttori continuano a migliorare i condensatori per aumentare la densità di energia, l'affidabilità e il peso, il prodotto ottimale per un'applicazione potrebbe non essere disponibile a causa dei lunghi tempi di consegna legati alle criticità della supply chain.

Questo articolo discute il ruolo dei condensatori di filtraggio e di immagazzinaggio sfuso. Mostra come un singolo condensatore può sostituirne vari tipi come un array a montaggio superficiale, con conseguente riduzione dei componenti sulla scheda e delle interconnessioni circuitali, migliorando l'affidabilità complessiva del circuito. Presenta anche i condensatori elettrolitici in alluminio ad alta affidabilità di Cornell Dubilier Electronics che hanno il doppio vantaggio di un profilo stretto e una densità di energia molto alta. Poiché i condensatori sono prodotti negli Stati Uniti e disponibili per la spedizione rapida agli impianti di produzione nordamericani, possono anche contribuire a ridurre i tempi di consegna.

Affidabilità dei condensatori montati su scheda

La vita utile di un condensatore elettrolitico è determinata dal tasso di deterioramento elettrochimico nel tempo della sua struttura interna. Poiché questo deterioramento è prevedibile in condizioni operative tipiche, la durata funzionale di un condensatore può essere facilmente calcolata dal produttore. L'affidabilità di un condensatore è una misura di quanto la durata effettiva di un condensatore corrisponda alla sua durata prevista a fronte delle variazioni di costruzione o di esposizione a condizioni estreme.

Mentre la durata di usura dei condensatori grandi e piccoli è circa la stessa, i condensatori più piccoli sono più affidabili perché presentano un'area minore tra le superfici dell'anodo e del catodo. Più grande è il condensatore, più l'affidabilità diventa un fattore di scelta e di disponibilità. Al momento della stesura di questo articolo, la supply chain sta avendo enormi problemi con i componenti elettronici, compresi i ritardi per molte spedizioni internazionali. Per questo motivo, la disponibilità e i tempi di consegna sono diventati criteri critici per la selezione dei componenti elettronici.

I condensatori non sono soggetti alle tipiche ottimizzazioni di molti semiconduttori, nel senso che la dimensione di un condensatore non può essere ridotta riducendone la geometria. A causa della fisica di progettazione dei condensatori, maggiore è il valore del condensatore in Farad (F), maggiore è la superficie tra l'anodo e il catodo, quindi la sua dimensione fisica risulta maggiore. I condensatori a montaggio verticale, chiamati anche V-chip, sono opzioni popolari per risparmiare spazio sulla scheda, il compromesso è un profilo più alto della scheda e uno spazio minore, che può influenzare le scelte di incapsulamento dei componenti vicini.

Anche la posizione di montaggio di un grande condensatore elettrolitico in alluminio può influire sull'affidabilità. I condensatori grandi possono surriscaldarsi e richiedere la ventilazione o anche la dissipazione di calore in alcune condizioni. La tensione c.c. applicata, la corrente di ripple e gli estremi di temperatura ambiente accorciano la sua vita utile, a causa della deriva parametrica. Di solito, la resistenza equivalente in serie (ESR) di un condensatore è il primo parametro a discostarsi dalle specifiche della scheda tecnica. Più l'ESR aumenta, più il condensatore si surriscalda. Alla fine si guasta quando si surriscalda al punto che la sua struttura interna cede e manda in cortocircuito l'anodo e il catodo. In casi molto rari, il calore asciuga il condensatore che diventa un circuito aperto.

Il deterioramento del condensatore in un sistema può presentarsi dapprima come guasti casuali, che si trasformano rapidamente in un guasto del sistema quando il condensatore va in cortocircuito. Questo problema è amplificato con i banchi di condensatori collegati in serie o in parallelo; se un condensatore cede, l'intero banco cede. I banchi di condensatori riducono l'affidabilità del sistema perché il tasso di guasto del banco è il tasso di guasto di un condensatore moltiplicato per il numero di condensatori nel banco. Per questo motivo, i banchi di condensatori non sono ben visti nei progetti ad alta affidabilità, sono preferibili invece i condensatori grandi.

Condensatori ad alta affidabilità e alta densità

Per le applicazioni con spazio limitato e ad alta affidabilità, Cornell Dubilier propone i condensatori elettrolitici in alluminio THA e THAS Thinpack. Progettati per una densità di energia molto alta con un contenitore a profilo ribassato e sottile, questi condensatori elettrolitici hanno un involucro saldato al laser che lo racchiude per evitare le perdite. La saldatura al laser elimina la necessità di guarnizioni di tenuta che sono ampiamente utilizzate per sigillare le estremità della maggior parte dei condensatori elettrolitici. Una valvola nell'involucro permette lo sfiato del gas, alleggerendo la pressione interna che riduce il rigonfiamento. La linea THA ha uno spessore di 8,2 mm e la linea THAS di 9 mm. Il design dei condensatori THA e THAS assicura 5.000 ore di funzionamento a 85 °C e 105 °C rispettivamente. Tutti hanno una densità di energia di 0,9 J/cm³.

Per molte applicazioni di filtraggio e di controllo motori, i progettisti possono utilizzare il condensatore THAS131M450AD0C THAS a 130 µF (Figura 1). Il condensatore è lungo 66,5 mm e largo solo 25,4 mm. Come menzionato, i condensatori serie THAS sono spessi solo 9 mm, quindi una volta in sede offrono un profilo molto ribassato della scheda. Classificata a 450 V, la serie è adatta alle applicazioni di controllo motori e agli alimentatori compatti. Poiché la serie è così sottile, è anche ideale per i computer portatili o simili componenti elettronici a profilo ribassato dove lo spazio per i componenti è molto limitato. Il condensatore può anche essere montato verticalmente su una scheda CS per risparmiare spazio, rispetto a condensatori simili.

Figura 1: Il condensatore a 130 µF THAS131M450AD0C è classificato a 450 V e ha uno spessore di soli 9 mm, il che lo rende adatto al controllo dei motori e alle applicazioni su schede CS a profilo ribassato. (Immagine per gentile concessione di Cornell Dubilier)

A 130 µF, il condensatore THAS131M450AD0C può essere utilizzato per sostituire banchi di condensatori più piccoli per migliorare l'affidabilità. L'ESR di questo modello a 25 °C è di 1,12 Ω a 120 Hz, che scende a 0,54 Ω a 20 kHz. La sua bassa ESR lo rende appropriato per gli alimentatori a commutazione, dove la generazione di calore deve essere ridotta al minimo. La corrente di ripple a 85 °C è di 1,36 A, importante anche per gli alimentatori.

Parte della famiglia di prodotti THAS di Cornell Dubilier, il condensatore THAS131M450AD0C ha una fodera isolante in acciaio inossidabile per una maggiore durata. I suoi terminali di sezione 20 AWG sono appropriati per la maggior parte delle applicazioni di montaggio su schede CS a foro passante.

Per le applicazioni in cui la tensione deve essere immagazzinata per un breve periodo, i progettisti possono optare per il condensatore THAS322M050AD0C THAS a 3200 µF, 50 V. Anche questo è lungo 66,5 mm con uno spessore di 9 mm e ha una fodera isolante di acciaio inossidabile. L'ESR a 120 Hz è di 0,05 Ω, che scende leggermente a 0,04 Ω a 20 kHz. Può gestire una corrente di ripple di 3,48 A a 20 kHz e di 2,90 A a 20 Hz. Con questa bassa ESR e l'alta capacità di corrente, è appropriato per l'uso come supercondensatore da 50 V per alimentare temporaneamente un piccolo circuito, se l'alimentatore principale non è disponibile.

Come tutti i condensatori THAS di Cornell Dubilier, il modello THAS322M050AD0C ha uno sfiato nella parte superiore, mostrato chiaramente nella Figura 2. Questo sfiato permette la fuoriuscita di gas dal condensatore durante il normale funzionamento, anche se può aumentare a temperature elevate. Il gas espulso è una miscela di idrogeno e gas di scarico.

Figura 2: Lo sfiato sulla parte superiore del condensatore THAS322M050AD0C permette di espellere in sicurezza i gas interni che si accumulano durante il normale funzionamento. (Immagine per gentile concessione di Cornell Dubilier)

Lo sfiato dei gas interni è importante, soprattutto nei condensatori di alto valore. L'idrogeno e altri gas possono accumularsi all'interno dell'involucro in acciaio, creando una pressione che può portare alla rottura. Se un condensatore ha uno sfiato insufficiente, i gas interni possono accumularsi fino al punto in cui l'elettrolita può fuoriuscire e mandare in cortocircuito altri dispositivi elettronici sulla scheda o, in alcuni casi, il condensatore può addirittura esplodere. Da notare, comunque, che quando si stende la scheda CS è importante assicurarsi che lo sfiato del condensatore non abbia ostruzioni.

Per una maggiore capacità di carica, Cornell Dubilier ha sviluppato la serie THA. I condensatori THA Thinpack hanno fodere isolanti in alluminio e con 8,2 mm di spessore sono leggermente più sottili della serie THAS. Un esempio della serie THA è il modello THA442M035AC0C a 4400 µF, 50 V. Ha una lunghezza di 53,8 mm e offre una densità di energia molto superiore rispetto ai condensatori simili. Ha un'ESR di 0,07 Ω a 120 Hz e 0,06 Ω a 20 kHz, che lo rende adatto per l'uso come fonte di alimentazione temporanea per piccoli circuiti elettronici durante brevi interruzioni dell'alimentazione. Un condensatore da 4400 µF può anche diventare molto caldo, quindi è importante fornire un'adeguata ventilazione per mantenerlo ben all'interno del suo intervallo di funzionamento consigliato, da -55 a +85 °C. Per i condensatori di grande valore, è ancora più importante assicurarsi che lo sfiato non abbia ostruzioni. Si raccomanda anche che lo sfiato non sia rivolto verso un elemento infiammabile, poiché il gas idrogeno è esplosivo.

Conclusione

I condensatori sono componenti critici nei sistemi elettronici. Combinando l'alta affidabilità con l'alta densità di energia e un profilo ribassato, i progettisti possono ridurre le dimensioni e migliorare la vita operativa dei sistemi elettronici. Un singolo condensatore elettrolitico denso di energia, prodotto negli Stati Uniti, può evitare lunghi tempi di consegna e sostituire i banchi di condensatori per risparmiare spazio sulla scheda.

Risorse

1. Modulo didattico per i condensatori elettrolitici in alluminio THA e THAS Thinpack