EKOLOŠKO VARNEJŠI ELEKTROLITSKI
Josipina Černetič Iskra Elektroliti, Mokronog, Slovenija
Ključne besede; kondenzatorji elel<trolitski aluminijevi, kondenzatorji visokotemperaturni, kondenzatorji nizkonapetostni, kondenzatorji visokonapetostni, kondenzatorji ekološko varnejši, elektroliti tekoči, varnost ekološka, območje temperaturno: -40°C do +125°C, napetosti naznačene: 10 V do 63 V, 200 V do 350 V, preskušanje vzdržljivosti, lEC 384-4 LL standardi = preskušanje vzdržljivosti, ESR upornost serijska ekvivalentna nizka, tok izmenični superponirani visoki
Povzetek: V članku je opisan razvoj ekološko varnejših, zahtevnih, visokotemperaturnih elektrolitskih kondenzatorjev (ELKO), katerih temperaturno območje uporabe je od -40°C do +125°C. Njihove glavne karakteristike so naslednje:
nazivne napetosti od 10 V do 63 V in od 200 V do 350 V izvedbe: radialna, aksialna
-	življenjska doba lEC 384-4, LL: min. 1000ur/125°C
—	nizek ESR, visok superponiran izmenični tok
Ecological Safer High-temperature Electrolytic
Capacitor
Keywords: aluminium electrolytic capacitors, high temperature capacitors, low voltage capacitors, high voltage capacitors, ecologically safer capacitors, liquid electrolytes,ecological safety, temperature range: -40°C to -H25°C, rated voltages: 10 V to 63 V, 200 V to 350 V, endurance testing, lEC 384-4 LL standards = endurance testing, low ESR, low equivalent series resistance, high ac ripple current
Abstract: The development of the ecological safer radial and axial electrolytic capacitors (ELKO) for the temperature range from -40''C to -f 125°C is described. Their main properties are:
-	rated voltages from 10 V up to 63 V and from 200 V up to 350 V
—	series: axial and radial
-	endurance test (lEC 384-4, LL): min. 1000 hours /125°C
—	low ESR, high ripple current
1.UVOD
Prve informacije o visokotemperaturnih elektrolitskih kondenzatorjih so se pojavile že pred več kot 20 leti in kmalu zatem so nekateri proizvajalci že dali na tržišče prve tovrstne elektrolitske kondenzatorje. Tudi naša tovarna se je že takrat intenzivno ukvarjala z razvojem tovrstnih ELKO in tudi uspela dobiti prve pozitivne rezultate z manjšimi, nizkovoltnimi ELKO. Takratna konstrukcija visokotemperaturnega kondenzatorja pa je bila dokaj draga, pogojevala je uporabo teflona kot materiala za zapiranje kondenzatorja. Poleg tega smo takrat uporabili elektrolit, katerega glavno topilo je bilo N,N dimetilformamid. Kot je znano, so formamidi topila, ki so med sedaj uporabljanimi topili v delovnih elektrolitih za ELKO najbolj ekološko nezaželjeni zaradi svoje toksičnosti. Visoka cena kondenzatorja in ekološka neprijaznost sta bila vzroka, zaradi katerih se proizvodnja ELKO za temperaturno območje uporabe od -40 do -f 125°G takrat v naši tovarni ni resno začela.
V zadnjih dveh letih smo dobili od naših kupcev kar precej povpraševanj po kvalitetnih visokotemperaturnih ELKO, zato smo začeli z razvojem teh ELKO na novih osnovah. Predvsem smo uporabili nove, cenejše materiale za zapiranje ELKO, nove anodne folije, ELKO papirje in pa elektrolite na osnovi manj nevarnih topil. Razvili smo radialno (tip RTH) in aksialno (ATH) izvedbo ELKO za napetostno območje od 10 V do 63 V in pa od
200 V do 350 V. Kupci, ki se pri nas zanimajo za te ELKO, jih nameravajo uporabiti pretežno v avtomobilski elektroniki.
V tem članku opisujemo rezultate razvoja elektrolitskih kondenzatorjev, ki lahko delujejo v temperaturnem območju od -40°C do -)-125°C. Njihova življenjska doba, preizkušena po lEC 384-4 je minimalno 1000 ur, njihovi parametri po 1000 urah življenjske dobe na -H25°C in nazivni napetosti pa ustrezajo standardu lEC 384-4 LL.
2. SESTAVNI DELI ELEKTROLITSKEGA KONDENZATORJA
Radialni ali aksialni ELKO je sestavljen iz zvitka, ohišja, čepka, priključnih žic in izolacijske plastične prevleke. Zvitek je navit iz anodne in "katodne" folije (obe sta iz aluminija) in papirja. Anodna folija je že predhodno jedkana in elektrokemično obdelana (formirana) do določene napetosti, s čimer se ustvari na njej ustrezna plast oksida, ki predstavlja dielektrik kondenzatorja. Zvitek impregniramo v delovni elektrolit, ki opravljafunk-cijo katode v kondenzatorju. Skici radialnega in aksial-nega ELKO v prerezu sta prikazani na slikah 1 in 2.
Stopnja jedkanosti anodne folije se stalno povečuje, kajti predvsem od nje je odvisna velikost kondenzatorja. Ker pa tudi z večjo jedkanostjo narašča omska upornost
kondenzatorja, ki jo izrazimo z ekvivalentno serijsko upornostjo (ESR), je potrebno poiskati kompromis med željo po majhnosti in s tem cenenosti ELKO in med zahtevanimi karakteristikami.
Napetost, do katere formiramo anodno folijo, je odvisna predvsem od nazivne napetosti kondenzatorja, maksimalne temperature obratovanja in zahtevane življenjske dobe ELKO.
Drugi velik vpliv na ESR ima uporabljen ELKO papir, s katerim navijemo zvitek.
Tretji delež vpliva na ESR ima uporabljen delovni elektrolit. Zato je naš cilj, da uporabimo delovni elektrolit s čim manjšo upornostjo ob istočasno zagotovljeni dovolj visoki iskrni napetosti, visokem vrelišču in nizkem iedišču.
Anoda
2.	Katoda
3.	Papir
4.	Lep. trak
Slika 1. Radialni ELKO
';>.....
Plastična previela Al ohišje
1.	Anoda
2.	Katoda ,3.	Papir
4.	Lep. trak
-^Qdiiejl Fe zica
Slika 2. Aksialni ELKO
3. EKSPERIMENTALNI DEL
Opravljeno eksperimentalno delo lahko razdelimo v naslednje sklope:
-	razvoj in izbor delovnih elektrolitov
-	izbor elektrolitu ustrezne anodne folije
-	izbor elektrolitu ustreznega ELKO papirja
-	izbor elektrolitu ustrezne inkapsulacije
-	izbor skrčijive plastične prevleke
-	meritve parametrov ELKO in dovoljenega superponi-ranega izmeničnega toka
-	preizkusi življenjske dobe ELKO 3.1. Delovni elektroliti
Iz pregleda literature smo se seznanili s stanjem na področju visokotemperaturnih delovnih elektrolitov /1,2,3/. Na kratko bi ta pregled lahko strnili v naslednje vrste aktualnih elektrolitov:
1.	nizkovoltni elektroliti, katerih glavno topilo so for-mamidi
2.	nizkovoltni elektroliti, ki vsebujejo kot ionogen kvar-terne amonijeve soli in gamabutirolakton kot topilo
3.	nizkovoltni elektroliti, ki vsebujejo kot ionogen sol organske kisline in terciarnega amina, topilo je gama-butirolakton
4.	visokovoltni elektroliti, katerih ionogeni so amonijeve soli višjih organskih kislin, topila so glikoli
S prvo vrsto elektrolitov se zaradi ekoloških problemov nismo ukvarjali, mnogo pozornosti smo posvetili ostalim vrstam elektrolitov.
Za impregnacijo nizkovoltnih ELKO smo preizkušali elektrolite na bazi kvarternih amonijevih soli in pa elektrolite na bazi soli terciarnih aminov.
Elektroliti na bazi kvarternih amonijevih soli predstavljajo znaten napredek na področju elektrolitskih raztopin. Njihovo topilo je gama-butirolakton, ki je v primerjavi s formamidi ekološko mnogo sprejemljivejši. Ti elektroliti imajo to veliko prednost pred doslej znanimi, da so časovno in temperaturno zelo stabilni. Njihova pomanjkljivost je agresivnost do butiine gume. Uspelo nam je najti gumo, ki je tovrstni elektroliti ne korodirajo. Njihova druga pomanjkljivostjo sorazmerno nizka iskrna napetost, zanesljivo delovanje omogočajo pri 4-125°C le kondenzatorjem do vključno 40V nazivne napetosti. Zato je bilo potrebno preizkušati tudi elektrolite na bazi soli terciarnih aminov, ki omogočajo zanesljivo delovanje ELKO nazivnih napetosti do vključno 63V pri -f 125°C. Za impregnacijo visokovoltnih ELKO smo preizkušali elektrolite na bazi glikolov in v njih raztopljenih amonijevih soli višjih organskih kislin.
Oznake preizkušanih elektrolitov, glavni ionogeni in topila:
A - tetrametilamonijev ftalat, gama-butirolakton
B - tetraetilamonijev maleinat, gama-butirolakton
C - tetraetilamonijev maleinat, gama-butirolakton
D - sol terciarnega amina in ftalne kisline, gama-buti-rolakton
E - sol terciarnega amina in ftalne kisline, gama-buti-rolakton
F - amonijeva sol višje organske kisline, etilen- in die-tilen-glikol
Parametri elektrolitov:
oznaka	specifična upornost (ßcm, 30°C)	iskrna napetost (V)	pH
A	110-125	80-90	6,8-7,3
B	80-90	80-100	6,0-6,7
C	105-115	110-120	6,2-6,5
D	125-145	100-110	6,8-7,0
E	160-180	120-130	6,5-7,5
F	550-650	460	6,8-7,8
Razlike, ki izhajajo le iz vrste uporabljenega elektrolita (oznaka DEL), so razvidne iz izmerjenih začetnih parametrov ELKO ATH 3300|aF/10V:
ELKO	DEL	C(^F)	tan delta (%)	Ipr (jiA, 1 min)
ATH3300/10	A	3281	11,8	33
	B	3301	11,3	30
	C	3316	13,5	23
	D	3330	15,9	26
	E	3333	20,3	28
Rezultati življenjske dobe (10V, 125''C) istih kondenzatorjev so naslednji:
ELKO	DEL	-dC(%) 500 ur	tan(%) 500 ur	-dG(%) 1000 ur	tan(%) 1000 ur
ATH3300/10	A	4,2	13,1	5,2	13,4
------------------------------....................-	B	2,3	12,8	3,3	13,5
	C	2,1	15,1	3,0	16,0
	D	5,4	21,4	6,6	23,6
	E	4,2	22,8	5,3	25,0
kriterij		-		15,0	33,8
-dC - sprennemba kapacitivnosti po določeni življenjski dobi
Kot je razvidno iz rezultatov življenjske dobe ELKO ATH 3300)aF/10V so vsi ELKO uspešno prestali 1000 urno življenjsko dobo, so pa precejšnje razlike v naraščanju tangens delta med življenjsko dobo: medtem ko se je tan delta ELKO, impregniranih v elektrolite A, B, C le malo povišal, se je precej bolj poslabšal pri ELKO, impregniranih v elektrolita D in E. Njihovo naraščanje
Tan (300Hz) (%)
35
SUka 3 ATH 3300uF lOV
30
25
20
15
10
						- d
						
	/					
	/					a
						
1000 2000 3000 4000 Življenska doba ELKO (h)
5000
SUka 3. ATH 3300 |.iF 10V
tangens delta se v nadaljevanju življenjske dobe upočasni, kar je razvidno iz slike št. 3.
Že začetni tangens delta je bil precej višji pri ELKO z elektrolitoma D in E.
3.2, Anodne folije
Drugi najvažnejši sestavni del elektrolitskega kondenzatorja je anodna folija. Specializirani proizvajalci anod-nih folij imajo že zelo širok izbor folij, naša naloga je izbrati za naš delovni elektrolit najustreznejšo.
Poleg izbire primernega tipa folije je zelo pomembno določiti ustrezno formirno napetost anodne folije za posamezen tip ELKO. Formirna napetost folije je tista napetost, do katere je bila le ta elektro-kemično obdelana pri proizvajalcu folij. Znano je, da se za ELKO, ki so primerni za uporabo v temperaturnem območju od -40°C do -f85°C uporabljajo anodne folije z 1,3 krat večjo formirno napetostjo kot je nazivna napetost. Višja ko je temperatura uporabe ELKO, višja formirna napetost anodne folije je potrebna za isto nazivno napetost. Naši preizkusi so pokazali, da je za ELKO, ki se lahko uporabljajo pri -t-125°C, optimalno vzeti manj jedkano folijo in za eno kategorijo višjo formirno napetost kot za ELKO z možnostjo uporabe do -l-85°C. Druga možnost je uporabiti zelo jedkano folijo in za dve kategoriji višio formirno napetost. Če ponazorimo s primerom: za ELKO RTH 330|iF/1 OV lahko uporabimo folijo 2303/22V, katere specifična kapacitivnost je 40|iF/cm2 ali folijo 983/33V, katere specifična kapacitivnost je ravno tako 40(iF/cm2. Pri končni izbiri med eno in drugo folijo odloča cena, dimenzija ELKO in pa tudi možnost optimalne organizacije dela v tovarni.
V naslednji tabeli so zbrani rezultati življenjske dobe ELKO RTH 220)iF/25V (25V, -f-125°C) v odvisnosti od vrste uporabljene anodne folije:
anoda	tanO(%)	-dCI (%)	tan1(%)	-dG1(%)
983/65V	6,5	12	13	16
1393/50V	6,9	11	8	16
983/50V	8,2	14	22	20
kriteriji	14	15	18,2	25
Specifične kapacitivnosti: 983/65V - 15 laF/cm^ 1393/50V- 14,8 |iF/cm^
983/50V - 22 jaF/cm^
tanO - začetni tangens delta
tan1, -dCI - tangens delta in sprememba kapacitivnosti po 1000 urah življenjske dobe
-dGI - izguba teže elektrolita po 1000 urah življenjske dobe
Iz tabele je razvidno, da je posledica višje formirne napetosti anodne folije manjša sprememba kapacitivnosti in tangens delta ELKO tekom življenjske dobe. Jasno je razviden tudi enak vpliv manjše jedkanosti (manjše specifične kapacitivnosti) anodne folije.
V naslednji tabeli je prikazan vpliv anodne folije na življenjsko dobo visokovoltnih ELKO:
ELKO	anoda	tanO(%)	-dC1(%)	tani (%)
RTH 10/350	991/520	4,7	5,9	5,2
RTH 10/250	991/520	4,7	5,0	4,9
RTH 10/250	991/385	5,6	15	i! 10 1
i kriteriji		10	10	13 1
ske elektrolite. V naslednji tabeli prikazujemo vpliv vrste uporabljenega papirja na začetne parametre ELKO. Ta vpliv je prikazan na primeru dveh elektrolitov, D in B, oba vsebujeta topilo gama-butirolakton.
ELKO	DEL	papir	tan(%) 100Hz	ESR (ohm) 100Hz	Z(ohm) 1 lOKHz
RTH 3300/1OV	D	NKK	7,0	0,038	0,033
		cel	11,5	0,063	0,052 j 'i
!					
RTH 3300/1 OV	B	NKK	5,2	0,028	0,024
		cel	7,5	0,042	0,035
NKK - poseben papir firme NKK, iz manile in sličnih vlaken
cel - običajno uporabljan celulozni papir
3.4. Inkapsulacija
Za zapiranje ELKO smo uporabili gumijasti čep. Preizkušali smo različne vrste gum od različnih proizvajalcev. Za preizkus smo izbrali naslednje gume: EPDM, butilna, mešanica EPDM in butila. Difuzijo sestavin elektrolita skozi čep smo zasledovali s tehtanjem ELKO in merjenjem njihovih parametrov med življenjsko dobo. S tehtanjem ELKO smo ugotavljali izgubo elektrolita. Tudi mi smo lahko potrdili že znano izkustveno pravilo, da se pri izgubi elektrolita za približno 25% ELKO že toliko izsuši, da njegovi parametri ne zadoščajo več postavljenim zahtevam.
V naslednji tabeli je prikazana razlika v difuziji sestavin elektrolita skozi čepe iz različnih materialov med breznapetostno življenjsko dobo.
Iz tabele je razvidno, da je potrebna določena minimalna formirna napetost za določeno nazjvno napetost in zahtevano življenjsko dobo ELKO. Če je izbrana formirna napetost prenizka, se to najbolj izrazito odraža na prehitrem padcu kapacitivnosti. Če pa je formirna napetost nad optimalno, to bistveno ne podaljša življenjske dobe ELKO.
3.3. ELKO papir
Vsi visokotemperaturni nizkovoltni elektroliti, ki so se na naših preizkusih pokazali kot zadovoljivi in so ekološko sprejemljivi, vsebujejo kot topilo gama-butirolakton. Primerjalne začetne meritve ESR, tangens delta in impedance ELKO, impregniranih v glikolne elektrolite in tiste, ki vsebujejo kot topilo gama-butirolakton pa kažejo, da dobimo ob enaki upornosti obeh elektrolitov slabše rezultate pri gama-butlrolaktonskih elektrolitih. Rešitev teh problemov so našli v japonski firmi NKK, kjer so razvili posebno vrsto papirja za gama-butirolakton-
ELKO	guma	dimenzija	izgube 500 ur	1 teže elel (%) 1000 ur	<trolita 1500 i ur 50
RTH 220/25V	E	10x21	16	39	
	M		8-	20	ä 27 j
	B		4	11 14	
E - EPDM guma
M - mešanica EPDM in butilne gume
Kot je razvidno iz gornje tabele, je difuzija elektrolita skozi butilno gumo najmanjša. Naši nadaljnji preizkusi so nam potrdili dejstvo, daje izparevanje elektrolita tudi
funkcija dimenzij čepka in kondenzatorja, kvalitete montaže ELKO in sestavin elektrolita.
3.5. Superponiran izmenični tok
Dovoljeno obremenljivost ELKO s superponlranim izmeničnim tokom smo deloma izmerili, deloma pa izračunali. V Iskrinem katalogu so podani za RTH in ATH ELKO tisti superponirani izmenični tokovi, ki segrejejo površino ELKO za TO pri temperaturi okolice -l-125°C.
Pri izračunu dovoljenega superponiranega izmeničnega toka (Ire) in njegove frekvenčne odvisnosti smo uporabili naslednjo formulo:
lrc =
dT ■ 27IV ■ C ■ K ■ F tan delta
dT - temperaturna razlika med jedrom ELKO in okolice (°C)
v - frekvenca (Hz)
C - kapacitivnost ELKO (F)
F - površina ELKO (cm^)
K - faktor
tan delta - izgubni kot (-)
3.6. Preizkusi življenjske dobe
Preizkus življenjske dobe ELKO je končni preizkus vseh sestavnih delov. Življenjsko dobo ELKO preizkušamo na maksimalni temperaturi, za katero je določen kondenzator narejen. Ločimo dva preizkusa in sicer preizkus pod obremenitvijo z nazivno enosmerno napetostjo in brez napetosti. Prvi preizkus je pomemben za delovanje ELKO, drugi pa za skladiščenje in mirovanje ELKO.
4. REZULTATI
1.	Določili smo 6 elektrolitov (5 za nizkovoltno in 1 za visokovoltno območje), ki so primerni za impregnacijo 125°C-ELKO. Glavna razlika med ELKO, ki so impreg-nirani v navedene nizkovoltne elektrolite, je vidna v začetnem tan delta, impedanci in ESR ter spremembi teh parametrov med življenjsko dobo. Slika 4 prikazuje razliko v tangens delta in poteku življenjske dobe med ELKO z elektrolitoma B in D.
2.	Določili smo optimalno vrsto anodne Iz folije in njeno optimalno formirno napetost za vsako posamezno nazivno napetost ELKO. Razlika v tangens delta in poteku življenjske dobe je prikazana v sliki 5.
3.	Določili smo optimalno vrsto in množino papirja za vsako nazivno napetost posebej. Največji vpliv papirja je viden pri najnižji nazivni napetosti. V sliki 6 je prikazana odvisnost vpliva vrste papirja na začetni tan delta in na potek življenjske dobe.
4.	Primerjali smo dolžino življenjske dobe v odvisnosti od izvedbe ELKO. Ugotovili smo, da je ob veliki tehno-
Tan (lOOHz) (%)
16
Slika 4 RTH 470uF lOV
14
12
10
	\		
	\		
	\ /	Tan -	D
	\/		
		dC-B	
	/ ^		
	/ ^		
	/ dC-D		
			
		Tan-B	
O	500	1000
Življenska doba ELKO (h)
Slika 4. RTH 470 |.iF 10V
dC (lOOHz)
(%) O
Slika 5 RTH lOuF 2S0V

-4
-10
-12
-14
Slika 5. RTH 10ixF250V
dC (lOOHz)
(%)
Slika 6 RT 3300uF lOV
DEL D
-2
-6
dC (lOOHz)
(%)
O
-2
-4
-6
-10
		A0Q1 "^RSV	
		i «Ui-Avyy 1 Sio.i v	
		......	
	\		
			
		....^zzl.	
			
			
	/ \		
	/ N	v	
	.........................................		
	dC^.Wl 385V "V _		
	-'lan-A991 ')?0V -		
	.1 Čili J 1 J »		
			
			
Tan (lOOHz) (%)
10
500	1Ü0Ü
Življenska doba ELKO (h)
	\	
		X................ Taii-paj>tr cel .
		
	crl	
	_	
		
	/..........	
	'' dC-papir NKK V\ --—	K. Tan-papii' NK.K
	_	
	=5= ^	
Tail (lOOHz) (%)
20
18 16 14 12 •10
1000
življenska doba ELKO (h)
Slika 6. RT 3300 iiF 10 V DEL D
loški in proizvodni disciplini možno napraviti radialni kondenzator z enako dolgo življenjsko dobo kot aksial-nega. Problem izgube elektrolita med življenjsko dobo je lažje obvladljiv pri aksialni izvedbi kondenzatorja.
Dolžina življenjske dobe je zelo odvisna od konstrukcije ELKO, od uporabljene gume za čepek kondenzatorja in od kvalitete montaže.
5. Razvili smo kvalitetne visokotemperaturne ELKO: RTH in ATH, katerih temperaturno območje uporabe je od -40°C do -f 125°C, napetostno območje je od 10V do 350V, minimalna življenjska doba je 1000 ur, parametri po tej življenjski dobi ustrezajo standardu lEC 384-4 LL. Kvaliteta razvitih kondenzatorjev ustreza zahtevam v avtomobilski in vojaški elektroniki ter povsod tam, kjer so pri sicer nižji temperaturi okolice prisotni veliki super-ponirani izmenični tokovi (SMPS naprave).
Zahvala
Zahvaljujemo se Ministrstvu za znanost in tehnologijo Republike Slovenije za sofinanciranje razvojne naloge, katere rezultati se odražajo v razširitvi ponudbe kvalitetnih kondenzatorjev tovarne Iskra Elektroliti in so že prenešeni v proizvodnjo.
LITERATURA:
/1/Ad Otten, Just Slakhorst, Electronic Components and Applications, vol.8 No.1
/2/ Makoto Ue, Masayuki Takeda, Yoko Suzuki, Shoichiro Mori, J. of Power Sources, 60 (1996), 185-190
/3/ Masayuki Morita, Yoshiharu Matsuda, J. of Power Sources, 60 (1996), 179-183
mag. Josipina Černetič RRI lEZE RE ISKRA ELEKTROLITI Proizvodnja elektrolitskih kondenzatorjev d.o. o.
Stari trg 36 8230 Mokronog tel.: +386 68 49 230
Prispelo (Arrived): 09.09.1997 Sprejeto (Accepted): 16.09.1997