Condensateurs Tantalum Polymère vPolyTan™, Hi-Rel COTS, ESR ultra faible
Les applications avioniques, militaires et spatiales (AMS) connaissent une forte croissance en raison de la nécessité de nouveaux équipements avancés pour remplacer les anciens systèmes devenus obsolètes. Ces nouveaux systèmes sont conçus pour répondre aux exigences aériennes, terrestres et spatiales de la prochaine génération. Des systèmes tels que Identify Friend or Foe (IFF) et les radars à réseau phasé pour le suivi et la détection de cibles, les commandes et affichages avioniques, ainsi que les systèmes d'alimentation, sont conçus pour des caractéristiques environnementales et électriques extrêmes, comme celles de MIL-STD-704. Le besoin pour les clients AMS de maintenir leur avantage compétitif est ce qui stimule la croissance du marché.
Un sous-produit de cet effort de modernisation est le besoin de condensateurs avec une efficacité volumétrique plus élevée, une fiabilité accrue, des indices de tension plus élevés et une capacité en vrac. Pour répondre à ce besoin, les ingénieurs se tournent vers les condensateurs en tantale polymère solide vPolyTan™ de Vishay Intertechnology.
Que sont les condensateurs au tantale polymère ?
Contrairement à la plupart des technologies de condensateurs, les dispositifs en tantale polymère solide n'utilisent pas de plaques pour l'anode et la cathode. L'anode est composée d'une poudre de tantale qui est frittée en un granulé de tantale. Ce granulé est ensuite anodisé pour former une couche diélectrique de pentoxyde de tantale (Ta2O5) sur toute la surface de l'anode. Le granulé oxydé est ensuite imprégné de polymère hautement conducteur pour agir comme cathode. À ce stade, la couche de polymère conducteur est ensuite revêtue de graphite, suivie d'une couche d'argent métallique, qui fournit une surface conductrice entre l'élément condensateur et la terminaison extérieure (frame de plomb ou autre).
Les condensateurs au tantale polymère à puce moulée encapsulent l'élément dans des résines plastiques, telles que des matériaux époxy. Le composé de moulage a été sélectionné pour répondre aux exigences de UL 94 V-0 et aux exigences de dégazage de ASTM E-595 (voir Fig. 1).
Après assemblage, les condensateurs sont testés et inspectés pour garantir une longue durée de vie et une fiabilité.
Figure 1 : Exemple de section transversale en polymère moulé
Polymère conducteur vs. Tantalums à dioxyde de manganèse (MNO2)
La construction des condensateurs en polymère conducteur est similaire à celle des tantalums à dioxyde de manganèse (MnO2). La principale différence réside dans le matériau utilisé pour créer l'électrolyte solide. Les condensateurs MnO2 standard ont la conductivité des semi-conducteurs typiques. Pour les condensateurs en polymère conducteur, des matériaux de polymère intrinsèquement conducteur (ICP) sont utilisés, qui ont une conductivité électrique plusieurs ordres de grandeur supérieure. En conséquence, les condensateurs en polymère conducteur ont une résistance équivalente série (ESR) beaucoup plus faible et nécessitent des niveaux de dégradation de tension inférieurs à ceux des MnO2.
Aucun échec d'allumage/de pyrotechnie dans les polymères
Une autre caractéristique des condensateurs en polymère conducteur est l'absence de mode de défaillance par ignition en raison de la teneur réduite en oxygène dans le matériau.
Les impuretés dans le diélectrique d'un condensateur peuvent entraîner un point de fuite de courant élevé. Le mécanisme d'autoréparation en action dans les condensateurs au tantale MnO2 repose sur une transformation thermiquement induite des molécules de MnO2 en Mn2O3 + O plus résistif. Si le courant de fuite entraîne une augmentation de température suffisamment élevée, le Mn2O3 se forme et isole le défaut de tout courant supplémentaire, ou "s'auto-répare". Si les molécules d'oxygène libres créées lors du processus interagissent avec le tantale à une température suffisamment élevée, elles peuvent s'enflammer et produire un effet pyrotechnique.
Si la même impureté se produit dans le diélectrique d'un condensateur polymère, il n'y a pas d'oxygène disponible pour la combustion et donc aucune défaillance d'allumage. L'auto-régénération se produira, entraînant la formation d'un matériau hautement résistant autour de l'imperfection.
Offre de produits Hi-Rel de Vishay
| Type | Description | Plage de Tension | Plage de Capacitance | ESR (Résistance Équivalente en Série) | DLA |
|---|---|---|---|---|---|
| T54 | Empilement polymère moulé sans cadre, Hi-Rel COTS | 16 V à 75 V | 15 µF à 2800 µF | 5 mΩ à 150 mΩ | DLA 20021 |
| T56 | Boîtier moulé en polymère, Hi-Rel COTS | 2,5 V à 50 V | 10 µF à 470 µF | 25 mΩ à 200 mΩ | DLA 04051 |
| T27 | Polymère hermétiquement scellé | 16 V à 75 V | 15 µF à 470 µF | 25 mΩ à 100 mΩ | – |
Tableau 1 : Polymères à haute tension nominale
Dérating de la tension
Comme discuté, la tolérance de tension accrue de la technologie polymère permet de réduire les exigences de sous-tension. En plus d'une ESR significativement plus faible, la cathode en polymère conducteur présente un mode de défaillance bénin (discuté ci-dessus), donc un sous-tension supplémentaire n'est pas nécessaire pour les préoccupations de sécurité associées au MnO2.
Dans la Fig. 2 ci-dessous, nous voyons que pour une tension nominale (VR) de 10 V ou moins, un derating de 10 % seulement est requis, tandis que pour VR >10 V, un derating de 20 % est suggéré. Ces directives sont cohérentes jusqu'à 105°C. Après 105°C, nous observons une diminution linéaire du derating recommandé à 40 % pour VR. 10 V à 125°C. De même, les condensateurs avec VR >10 V verront une diminution à un derating recommandé de 46 %.
Figure 2 : Dérating de la tension
Haute tension
Des directives de déclassage améliorées signifient des tensions de fonctionnement plus élevées et, par conséquent, une efficacité volumétrique accrue. Les condensateurs polymères typiques ont une tension nominale de 50 V, mais la technologie vPolyTan™ de Vishay Sprague atteint actuellement des valeurs allant jusqu'à 75 V. Cela permet l'utilisation des polymères dans les applications MIL-STD-704, bus 28 VDC (22 VDC à 29 VDC en régime permanent) où un déclassage de tension est requis jusqu'à 125 °C.
Ces valeurs nominales de haute tension, combinées avec la faible réduction requise pour les polymères, leur confèrent un avantage considérable en termes d'efficacité volumétrique par rapport aux autres technologies de condensateurs.
Faible ESR
Étant donné que la construction de la cathode est un polymère intrinsèquement conducteur ayant une haute conductivité, les condensateurs polymères ont un ESR très faible, généralement 10 % inférieur à celui des condensateurs tantale MnO2. Cela rend les appareils particulièrement adaptés aux applications à haute fréquence et à courant de ondulation élevé.
Haute fiabilité
Parce que les polymères utilisent un électrolyte solide, ils ne sont pas sensibles au dessèchement comme les condensateurs électrolytiques à liquide ou gel. Ce processus de dessèchement est un mode de défaillance courant dans les électrolytiques en aluminium et peut entraîner une surchauffe. Au fur et à mesure que le liquide s'évapore, la pression peut augmenter, provoquant des fuites, des gonflements, voire des éclatements/explosions. Les condensateurs à polymère solide ne présentent pas ce mécanisme de défaillance et sont donc beaucoup plus fiables et ont une durée de vie plus longue. Contrairement aux électrolytiques en aluminium, les condensateurs polymères peuvent fonctionner pendant de longues périodes à des températures plus élevées sans problème.
Technologie MAP
La technologie de multi-emballage (MAP) de Vishay offre une capacitance maximale dans un volume donné. Elle y parvient en minimisant le cadre de connexion et en permettant à une plus grande partie du volume d'être occupée par le véritable condensateur (voir Fig. 3).
Figure 3 : MAP vs. Molded
La famille Hi-Rel T54 utilise la technologie MAP pour améliorer l'efficacité volumétrique. La combinaison de MAP avec un design à double anode permet des indices ESR encore plus bas (voir Fig. 4 ci-dessous).
Figure 4 : Technologie T54 MAP avec très faible ESR, conception à double anode
Condensateurs empilés
En tirant parti de la technologie MAP, Vishay a ajouté une option empilée à la famille T54 pour les applications nécessitant une haute capacité dans un format réduit. Avec les piles, plusieurs condensateurs sont assemblés ensemble en réseaux parallèles. Comme les condensateurs sont configurés en parallèle, la capacité augmente avec une réduction de l'ESR. Les options empilées sont 1 x 2 (un condensateur de large, deux de haut), 1 x 3, 2 x 2, 2 x 3 et 3 x 2. Les valeurs disponibles vont de 130 μF à 75 VDC à 2800 μF à 16 VDC. Des arrangements personnalisés peuvent également être envisagés. Ces configurations de capacité en vrac empilées peuvent économiser un espace significatif sur le PCB du concepteur.
Figure 5 : Array de polymères T54 Stacker
Stockage d'énergie / Capacitance en vrac
La technologie MAP et à réseau empilé de Vishay permet une plus grande efficacité volumétrique. Cette amélioration de la capacité en vrac rend les polymères un bon choix pour les applications qui peuvent nécessiter le stockage d'énergie et/ou des cycles de charge et décharge rapides, comme le radar pulsé, le lidar, la maintenue, et d'autres.
Étant donné l'équation pour l'énergie stockée dans un condensateur de
E = ½ x CV2
où,
- E est l'énergie en joules,
- C est la capacité en farads, et
- V est la tension nominale en volts,
la série T54 peut contenir jusqu'à 5 J/in2 dans le boîtier E6 (array 2 x 3), basé sur des conditions idéales utilisant la solution empilée polymère de 900 μF / 35 VDC.
Fiabilité à long terme
Contrairement aux technologies concurrentes comme les céramiques multicouches ou les électrolytiques en aluminium, les condensateurs polymères présentent une caractéristique d'absence d'usure en raison des caractéristiques discutées ci-dessus. Cela permet la fiabilité à long terme requise pour les applications militaires et spatiales Hi-Rel. La Fig. 6 montre le type de stabilité à long terme observé dans la technologie polymère, avec très peu de changement dans la capacité, le courant de fuite et la ESR au fil du temps.
Figure 6 : Variation de la capacité
Figure 7 : Courant de fuite
Figure 8 : ESR
Applications
Cartes mères de serveurs haut de gamme, alimentations électriques MIL-STD-704, radar à réseau phasé, IFF, infrastructure réseau, stockage d'énergie, conditionnement de puissance, découplage, lissage, filtrage, maintien, et autres.
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