Low-ESR-SMD-Tantalkondensatoren für Luft und Raumfahrt

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Die Nachteile von Tantalkondensatoren

MnO₂-Tantalkondensatoren haben zwei große Nachteile: Bei einem Ausfall kann es zu einem thermischen Durchbruch mit Selbstentzündungsgefahr kommen und sie weisen einen recht hohen Serienwiderstand auf. Beide Probleme kann man mit Kathoden aus leitfähigen Polymeren (PEDOT, PPY) lösen. Mit neuer Technologie, die mit Kathoden aus feinverteiltem PEDOT arbeitet, kann man die maximale Spannungsfestigkeit von Tantalkondensatoren mit festem Elektrolyt auf 125 V erhöhen.

Leider reagieren Kondensatoren mit Polymerkathoden recht empfindlich auf Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, mechanische Belastungen und hohe Temperaturen. Diese organischen Stoffe werden bei hohen Temperaturen geschädigt, speziell in Anwesenheit von Sauerstoff und Feuchtigkeit [1, 2]. Die Stoffe können oxidieren, ihr Gefüge kann geschädigt werden, auch andere Schäden sind möglich. Alle Schäden verringern die Leitfähigkeit der Kathoden, das bedeutet Erhöhung des ESR oder geringere Kapazität. Aus diesem Grund hielt man bisher die Polymertechnologie für noch nicht ausgereift und berücksichtigte sie daher nicht für die höchsten Qualitätsstufen der Raumfahrtechnik.

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Neue Baureihe von Low-ESR-HiCV-SMD-Elkos

Eine Möglichkeit, mit der man den Serienwiderstand von Tantalkondensatoren erheblich reduzieren kann, ist die Verwendung von mehreren Anoden in einem Gehäuse [4 - 9] (Bild 1).

Die MnO₂-Technologie zeigt exzellente Leistungen im Einsatz, ist wenig anfällig für Änderungen der Umgebungsbedingungen, hält große elektrische und mechanische Belastungen über einen großen Betriebsspanungsbereich von 2,5 bis 50 V aus. Solche Kondensatoren sind ausgelegt für Betriebstemperaturen bis 125 °C.

Wesentliche Parameter für den Serienwiderstand

Die Gesamtoberfläche der Anode eines Tantalkondensators, speziell das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, ist einer der wesentlichen Parameter für den Serienwiderstand – dieser ist umso geringer, je größer diese Oberfläche ist.

Eine oder mehrere Anoden

Normalerweise baut man Kondensatoren mit einer einfachen Anode (Bild 2 links), das ist kostengünstiger. Eine Anordnung mit mehreren Anoden (Bild 2 rechts) hingegen liefert einen geringeren Serienwiderstand. Kondensatoren mit mehreren Anoden sind allerdings teurer in der Herstellung als Kondensatoren mit nur einer Anode.

Mehr-Anoden-Kondensatoren haben aber noch weitere Vorteile:

Infolge einer besseren Wärmeverteilung kann ein Kondensator mit mehreren Anoden mit einem höheren Strom belastet werden. Aus dem gleichen Grund hält er auch Stoßströme besser aus als ein Kondensator mit nur einer Anode. Die Verlustleistung eines üblichen Mehr-Anoden-Kondensators ist höher als die eines Ein-Anoden-Kondensators gleicher Baugröße.

Verglichen mit einem Ein-Anoden-Kondensator ist die aktive Zone von Mehr-Anoden-Kondensatoren kleiner. Man könnte annehmen, dass Mehr-Anoden-Kondensatoren deswegen nicht das gleiche CV-Produkt (Kapazität mal Spannung) erreichen könnten. In der Praxis aber können dünnere Anoden leichter verarbeitet werden, das zweite Mangandioxid-Elektrodensystem kann besser in sie eindringen, wodurch man Tantalpulver mit höherem CV einsetzen kann. Deshalb erreichen Mehr-Anoden-Kondensatoren die gleichen CV-Werte oder sogar bessere.

Die Konstruktion von Mehr-Anoden-Systemen

Üblicherweise ordnet man bei Mehr-Anoden-Kondensatoren drei bis fünf Anoden in einem Gehäuse vertikal an (Bild 3 links). Von der Herstellung her ist das günstiger, aus Sicht des ESR wäre aber eine horizontale Anordnung besser (Bild 3 rechts), weil dünne, flache Anoden den ESR noch weiter reduzieren können. Die Herstellungskosten eines Mehr-Anoden-Kondensators steigen exponentiell mit der Zahl der Anoden. In den meisten Designs werden heute drei Anoden verwendet, das ist der beste Kompromiss zwischen Herstellungskosten und geringem ESR.

Vertikal oder horizonal angeordnete Anoden

Bei der vertikalen Anordnung werden die einzelnen Anoden mit einem Silber-Epoxid-Kleber mit der Anschlusselektrode verbunden. Man verwendet das gleiche System für Ein-Anoden-Kondensatoren, daher kann man den bewährten Herstellungsprozess mit nur kleinen Änderungen übernehmen. Bei horizontaler Anordnung bräuchte man eine neue Lösung zur Verbindung der Einzelanoden, müsste somit den bekannten Herstellungsprozess erheblich (und mit erheblichem finanziellen Aufwand) modifizieren. Aus diesem Grund ist dieses Konzept bisher noch nicht in die Massenproduktion von Mehr-Anoden-Kondensatoren eingegangen. Man verwendet die Idee in speziellen Anwendungen, indem man zwei oder mehr fertige Kondensatoren übereinander einlötet oder gar zu größeren Arrays oder Modulen zusammenbaut.

Vorteil horizontaler Anordnung

Bild 4 zeigt den Unterschied des Serienwiderstands bei horizontaler und bei vertikaler Anordnung. Das Beispiel basiert auf einer theoretischen Berechnung für das Gehäuse D und zeigt die berechneten Werte des ESR für 2, 3 und 4 Anoden in horizontaler und in vertikaler Anordnung. Man erkennt, dass zwei horizontale Anoden etwa den gleichen ESR haben wie drei vertikale. Das Verhältnis ESR zu Kosten ist für die horizontale Anordnung besser.

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