RAZVOJ SMPS ELKO S POUDARKOM NA IZBIRI NJEGOVIH SESTAVNIH DELOV
Josipina Černelič ISKRA Elektroliti, Mokronog, Slovenija
Ključne besede: kondenzatorji elektronski, priključki radialni, SMPS napajalniki komutacijski, ESR upornost serijska ekvivalentna, elektroliti kemijski, vrelišče visoko, napetost enosmerna, tok Izmenični, temperature visoke, frekvence visoke, obremenitve visoke, doba trajanja
Povzetek: Nove napajalnike izdelujejo v stikalni tehniki (SMPS), temu morajo biti prilagojeni tudi elektronski sestavni deli. Cilj našega dela je razviti elektrolitske kondenzatorje (ELKO), ki ustrezajo uporabi v stikalnih napajalnikih (SMPS ELKO) in jih v Iskri, tovarni Elektroliti tudi proizvajati. Dodatne zahteve za SMPS ELKO so predvsem dovoljena visoka obremenitev z enosmerni napetosti superponiranim izmeničnim tokom (lef) in možnost delovanja pri frekvencah do prek SOOKHz. V članku so opisani vplivi delovnega elektrolita in anodne folije na višino ESR in na segrevanje ELKO zaradi priključitve določenega lef. Za ugotovitev intenzivnosti segrevanja ELKO smo merili temperaturo na ohišju ELKO. Prikazana je odvisnost med ESR in višino lef, ki segreje ohišje ELKO za 1°C. Omenili smo problem ESR elektrolitov, ki vsebujejo gama-butirolakton.
SMPS Elektrolytic Capacitors Developments Aim to Select Their
Constituent Parts
Key words: electrolytic capacitors, radial connections, SMPS, switch mode power supply, ESR, equivalent series resistance, chemical electrolyts, high boiling point, do voltage, AC current, high temperatures, high frequencies, high loading, lifetime
Abstract: New series of power supplies are produced as switch mode power supplies (SMPS), therefore all contained electronic parts must suit to new requirements.
The aim of our work is to develop and to produce SMPS electrolytic capacitors in ISKRA ELEKTROLITI factory. Extra requirement for SMPS capacitors is mainly allowed high load with ripple current and ability to operate by frequencies above SOOKHz. In present article are described influences of working electrolytes and anode foil on ESR height and heating of capacitors caused by load with lef. We had been measuring temperature on surface (case) of capacitors to find out temperature changes. Chart is showing dependence between ESR and lef which heats the surface of capacitors for 1°C to 3°C. We have mentioned the problem of resistance of electrolytes which contain gamma-butyrolacton.
1. UVOD
V letu 1990 je bila na Japonskem celotna produkcija kondenzatorjev 119 bilijonov kosov, od tega 26 bilijonov kosov aluminijevih elektrolitskih kondenzatorjev (v nadaljevanju ELKO). Poleg tega je opazen trend povečevanja porabe teh elektronskih sestavnih delov, kajti njihova uporaba se širi na nova področja: v procesno kontrolo, avtomatizacijo obratov, avtomatizacijo uradov, informacijsko tehniko, zabavno elektroniko itd. /1/
Kritična enota, ki dobavlja moč celi napravi, je napajalnik. Čedalje več proizvajajo napajalnike, ki uporabljajo stikalni sistem. TI napajalniki se imenujejo (switch-mode power supply, v nadaljevanju SMPS). Ti napajalniki so mnogo učinkovitejši od prejšnjih. Ugotovili pa so, da je napajalnik lahko precej manjši in s tem cenejši, če deluje na visoki frekvenci. V bližnji prihodnosti zanimive frekvence so v območju od 200 KHz do prek 500 KHz. Ker je eden od sestavnih delov SMPS tudi ELKO, velja zanj enaka zahteva in sicer da mora biti sposoben dobro delovati v območju visokih frekvenc s precejšnjimi enosmerni napetosti superponiranimi izmeničnimi tokovi./2/
Običajnim ELKO začneta pri visokih frekvencah ekvivalentna serijska upornost (v nadaljevanju ESR) in impe-
danca naraščati, kar onemogoča dobro delovanje SMPS. Zato razvijamo tudi v tovarni Elektroliti nove ELKO, ki bodo izpolnjevali velike zahteve za delovanje v stikalnih napajalnikih. To nalogo sofinancira tudi MZT, prvi rezultati tega dela so opisani v tem prispevku.
2. IMPEDANCA, ESR IN SUPERPONIRAN IZMENIČNI TOK
Dodatne zahteve za ELKO, ki je primeren za vgradnjo v SMPS, so naslednje:
1.	nizka ESR in impedanca
2.	visoko vrelišče elektrolita
3.	dolga življenska doba pri visoki temperaturi
4.	dopustma visoka obremenitev s superponiranim izmeničnim tokom pri visokih frekvencah
Impendanco sestavljajo kapacitivni, ohmski in induktivni upor:

ESR^
(O- L-
z (li)
Ti.-i i
i i '-I'
1 I ; ;
1 I ; !
Rl' 47(hil-'M0V A KI .'Jniil-VIIKIV
I !
i-iim-
iiHjlil I
i • I 0.01 ^ i j II. 1
ntl-i-^ I
• ! ! ■ I i * -T-t
i .j
'Mi»
10.11 f (ki Iz)
Slika 1: Frekvenčna odvisnost impedance
kar je predstavljeno na sliki 1.
Pri nizkih frekvencah (cca 100Hz) je močno prevladujoča kapacitivna upornost:
Z«Zi =
1
CO- C
Pri srednjih frekvencah (cca lO^Hz) je prevladujoča ohmska upornost:
Z » Z2 = ESR
Pri visokih frekvencah (> M O® Hz) je prevladujoča induktivna upornost:
Z = Z3 = (O L
iz povedanega sledi, da je v za nas zanimivem frekvenčnem območju prevladujoča ohmska upornost. Vplivi na ohmsko upornost so razvidni iz naslednje enačbe (3):
ESR = r • Re • d/2F
r - upornostni faktor
Re - upornost delovnega elektrolita
d - debelina papirja
F - površina anodne folije
Ohmsko upornost torej lahko zmanjšamo z zmanjšanjem upornosti elektrolita, s tanjšim in manj gostim papirjem in z uporabo manj jedkane folije.
Nizek ESR ELKO in visoko vrelišče delovnega elektrolita sta potrebna zato, da ELKO lahko obremenimo z visokim enosmerni napetosti superponiranim izmeničnim tokom (v nadaljevanju ief). Za prikaz parametrov, ki vplivajo na višino dovoljenega Ief, navajamo enačbo iz standarda DIN 41240:
Ief - maksimalno dovoljen izmenični tok pri 100Hz, 40°C (A)
K - faktor, odvisen od površine ELKO
S - površina ELKO (cm^)
ESR - ekvivalentna serijska upornost (ü.)
Ta izračun velja za temperaturo ELKO 40°C. Če želimo priključiti ELKO na višjo temperaturo, ustrezno zmanjšamo Uf, glede na to, za koliko °C dopustimo segrevanje ELKO zaradi priključitve let pri določeni temperaturi okolice. Torej, na višino maksimalno dovoljenega Ief vplivajo ESR, velikost ELKO in dovoljeno segrevanje ELKO zaradi priključitve Ief.
3. EKPERIMENTALNI DEL
Glede na velik vpliv delovnega elektrolita na parametre ELKO smo največ časa posvetili prav razvoju in izbiri le-tega. Kot impregnante smo uporabili 5 eletrolitov, ki imajo naslednje osnovne komponente in parametre:
Oznaka	Setava	R30 (flcm)	Tvrel(°C)
1	TMAP, Y-butirolal<ton	100	>150
2	maleinat, m. formamid	130	>150
3	adipat, et.giikoi (1)	135	122
4	zmes soli, et.giikoi	240	135
5	adipat, et.glikol(2)	95	115
R30 - specifična upornost delovnega elektrolita
Tvrei - vrelišče delovnega elektrolita
Kot je razvidno iz sestave, imajo elektroliti različna topila in prevodne soli. iz literature nam je znano dejastvo, da topilo bistveno vpilva na permeabilnost papirja in s tem na prevodnostne karakteristike ELKO. V te elektrolite smo impregnirali radialne ELKO različnih vrednosti in dimenzij. Za ELKO enakih vrednosti smo uporabili različno predformirane ali različno jedkane folije. Glede papirja nismo eksperimentirali ampak smo uporabili naše izkušnje in vse vzorce navili z nam dostopnim najboljšim papirjem.
Vzorci ELKO:
ELKO	Up,(v)	dxl ELKO
150|iF/10V	16	8x11
150nF/10V	22	8x11
lOO^FMOV	70	10x15
100|iF/40V	49	10x15
ief = VK ■ S/ESR
Upf - predformirana napetost uporabljene anodne folije dxl - dimenzije ELKO v mm
Začetne meritve ESR so razvidne iz slik 2 in 3.
Za ugotavljanje obremenljivosti naših ELKO z lef smo merili segrevanje ELKO zaradi priključitve Uf. Preizkus smo izvršili v komori, termostatirani na + 105°C ± 0,1 °C.
Segrevanje kondenzatorja smo merili s pomočjo posebnega merilnega sistema, na ohišje ELKO smo pritrdili merilno sondo. Registrirali smo tokove, ki so segreli površino ELKO za 1°Cin3°C.
ief (mA) 300 - -
-- RT 150uF/l()V - —
-Upt=22V
" •......
-	Upr.l6V
r
............... • DI:L1 » DE1.2 —■ DEU ■
A T CC)
4. REZULTATI
Slika 4: Segretje površine ELKO v odvisnosti od priključenega lef
Odvisnost ESR od vrste elektrolita in predformirne napetosti anodne folije je prikazana na slikah 3 in 4.
'IrT 10Ü11F/40V
. Upi»7tlV
RT ;5(IUF;OV

« Lpf=16V A L;pf = Z2V
oznaicc cicktroIltov
Slika 2: ESR v odvisnosti od vrste elektrolita in višine
f
UliLl » Di-;!,: - • DEU
A T (°C)
Slika 5: Segretje površine ELKO v odvisnosti od priključenega lef
Temperatura komore = +150°C ± 0,1°C Ivlerilna frekvenca = 50Hz
tSR (lil
t:
'.....
i.: ---i.i -
i:
o,-
0.6 0.5
• i:pl=.4ilV A t. («^ 'llS
Slika 3: ESR v odvisnosti od vrste elektrolita in višine predformirne napetosti anodne folije
Če primerjamo upornosti elektrolitov z ESR ustreznih ELKO vidimo, da dobimo glede na Rso nesorazmerno visok ESR pri elektrolitu 1, ki vsebuje kot topilo gama-butiroiakton. Japonci ta problem rešujejo s posebno vrsto papirja.
V naslednjih diagramih prikazujemo segrevanje ELKO v odvisnosti od višine priključenega lef.,
S slik 4 in 5 je razviden velik vpiiv elektrolita in uporabljene folije na intenzivnost segrevanja kondenzatorja ob priključitvi na lef. Višina dovoljenega lef, ki segreje površino ELKO za 1 °C ali 3°C, je v obratnem sorazmerju z ESR ELKO. Zanimivo pa je, da ELKO z elektrolitom 3 dovoljuje višjo obremenitev z let za enako segretje površine kot ELKO z elektrolitom 2. Elektrolit 3 je klasični glikol-adipatni elektrolit, elektrolit 2 pa brezvodni elektrolit, topilo je metilformamid.
5. POVZETEK IN ZAKLJUČEK
Naši rezultati kažejo na to, da so sestavni deli ELKO, kot sta folija in papir, prikrojena klasičnim glikol-adipat-nim ali glikol-boratnim elektrolitom. Pri brezvodnih elektrolitih nastopi problem specifični upornosti elektrolita nesorazmerno visok ESR ELKO. Rešitev tega problema je v novih materialih, predvsem v tem elektrolitom prilagojenem papirju. Klasični glikolni elektroliti imajo tudi to veliko pomanjkljivost, da imajo prenizko vrelišče za doseganje velikih lef pri temperaturi -h105°C ali več. Brezvodni elektroliti imajo visoka vrelišča, zato lahko dopustimo višje segrevanje ELKO. Poleg tega so pri teh
temperaturah časovno zelo stabilni in mnogo manj ko- /3/K.H.ThiesbOrger, Der Elektrolyt-Kondensator, 1982 rozivni kot glikolni elektroliti. Naši preliminarni preizkusi
živijenske dobe ELKO z elektrolitom 1 so te dobre	mag. Josipina Černetič, dipl.ing.
lastnosti potrdili.	ISKRA ELEKTROLITI
Mokronog Razvojni oddelek Tržaška 2
Literatura:	61000 LJUBLJANA
tel. + 386 61 213 716
/1/ Shodo Nöda, List of Techniques Expands for Small, Sturdy
capacitors, Jee, sept 1991, str, 94-97	Prispelo (Arrived): 25.04.94	Sprejeto (Accepted): 24.05.94
/2/Takumi Nakata, Long-Life, Low-Impedance Aluminum Electrolytic Capacitors Overcome Many Problems, JEE, April 1989, swtr. 46-49