Современные алюминиевые, полимерные, гибридные конденсаторы и ионисторы компании LELON Electronics

Электролитические конденсаторы (E-Cap) широко применяются в самой различной электронной аппаратуре, в том числе специальной, промышленной электронике и автоматике, силовой электронике, автомобилях и других транспортных средствах, компьютерной и офисной технике, медицинском оборудовании и многих других отраслях. Существенный вклад в мировое производство электролитических конденсаторов вносит группа LELON Group.

LELON (штаб-квартира в г. Тайчжун, Тайвань) ведёт свою деятельность с 1976 года, когда г-н У Дэцзюн (Wu Dejun, или T. C. Wu) основал компанию Lilong Electronics, впоследствии переименованную в LELON Electronics Corporation. Все последующие годы компания уверенно развивалась, наращивая производственные мощности и создавая новые предприятия и компании.

В последние годы LELON начала внедрять в производства новые виды продукции. В 2021 году введены в строй предприятия по производству полимерных конденсаторов в Хойчжоу (HZ, рис. 1).

В 2022 году введено в строй новое предприятие по производству Al E-Cap в Хучжоу (SZ, рис. 2).

В настоящее время LELON является одним из крупнейших мировых производителей алюминиевых электролитических конденсаторов и находится в одном ряду с такими известными производителями, как ELNA, Rubycon, Nichicon, TDK и другими. LELON Group по-прежнему возглавляет основатель компании T. C. Wu, а главным исполнительным директором (CEO – Chief Executive Officer) является господин Jimmy Wu. Большая часть персонала LELON из 2500 человек работает на предприятиях в КНР. На Тайване занято 122 сотрудника. В последние годы годовой доход компании уверенно растёт (кроме периода коронавирусных ограничений), на рис. 3 показана диаграмма доходов LELON в млн USD. Компания и её производства сертифицированы по стандартам ISO-9001, 14001.

LELON производит широкую номенклатуру алюминиевых электролитических конденсаторов общего назначения (рис. 4):

Компания также производит продукты для автомобильной электроники, её предприятия в КНР сертифицированы по стандартам IATE и AEC-Q200. Производство располагает оборудованием для различных испытаний продукции, в том числе на ударопрочность (Shock Test), вибростойкость (3D-Vibration Test) и испытания на воздействие высоких и низких температур (Temperature Circle Test).

Силовые аксиальные конденсаторы компании для автомобильных приложений (AE Application) могут применяться в системах управления двигателями, вентиляторами охлаждения радиаторов двигателей внутреннего сгорания, рулевых приводах, автомобильных насосах, вентиляторах охлаждения батарей, контроллерах коробок передач. Приведём краткие характеристики некоторых серий аксиальных конденсаторов:

Конденсаторы LELON находят применение и в различных системах гибридных автомобилей с напряжением питания 48 В, например, в стартер-генераторах с ременным приводом (Belt Starter Generator/BSG), интегрированных стартер-генераторах (Integrated Starter Generator/ISG), DC-DC преобразователя напряжения 12 В / 48 В, блоках литий-ионных аккумуляторов (рис. 5).

LELON выпускает большую номенклатуру полимерных и гибридных конденсаторов двух типов – конденсаторы на основе проводящего органического полимера (Organic Conductive Polymer Capacitors) и гибридные полимерные конденсаторы (Conductive Polymer Hybrid Capacitors). Коротко рассмотрим в общем виде устройство и особенности полимерных и гибридных конденсаторов.

Первые конденсаторы на основе проводящих полимеров начали выпускаться в начале 90-годов, с тех пор технологии их производства претерпели значительные изменения. Компания LELON начала массовое производство полимерных конденсаторов в 2021 году на своём новом заводе в Хойчжоу (рис. 1). Существует несколько основных разновидностей полимерных конденсаторов, включая гибридные. Каждый тип отличается материалами электролита и электродов, корпусом и областью применения.

Многослойные полимерные алюминиевые конденсаторы, в которых в качестве электролита используют проводящий полимер и алюминиевый катод (рис. 6).

Такие конденсаторы охватывают диапазон напряжений от 2 до 25 В и диапазон ёмкостей составляет от 2,2 до 560 мкФ. Отличительными электрическими характеристиками этих конденсаторов являются очень малое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), порядка нескольких мОм, и большая удельная ёмкость на кубический сантиметр. Конденсаторы выпускаются в низкопрофильных компактных пластиковых корпусах для поверхностного монтажа очень малых размеров, что допускает их применение в различных портативных электронных устройствах, а также других приложениях, где требуется малая высота компонентов (LELON многослойные полимерные конденсаторы не выпускает).

Плёночные полимерные алюминиевые конденсаторы также основаны на проводящих полимерах и алюминии, но их фольговые обкладки свёрнуты в рулон. По сравнению с другими типами полимерных конденсаторов плёночные конденсаторы покрывают более широкий диапазон напряжений (2,5…100 В) и ёмкостей (3,3…2700 мкФ). Как и многослойные полимерные конденсаторы, конденсаторы плёночного типа имеют исключительно низкие значения ESR. Плёночные конденсаторы также могут изготавливаться в корпусах для поверхностного монтажа, хотя и не столь компактных, как у многослойных конденсаторов. Компания LELON выпускает плёночные конденсаторы на основе проводящего органического полимера (Organic Conductive Polymer Capacitor, рис. 7).

Основные особенности и характеристики конденсаторов: отсутствие электролита, ультрамалое ESR, высокая устойчивость к пульсациям тока, длительный срок службы, соответствие директиве RoHS (допустима температура пайки 260°С), отсутствие галогенов; диапазон рабочих напряжений 2,5…63 В; диапазон рабочих температур –55…+125°С; диапазон ёмкостей 6,8…2700 мкФ; размеры от 5×4,4 мм до 10×20 мм, долговечность от 2000 до 20 000 ч. 

В танталовых полимерных конденсаторах в качестве электролита используется проводящий полимер, а материалом катода служит тантал. Конденсаторы ёмкостью от 2,7 до 680 мкФ выпускаются на рабочие напряжения от 1,8 до 35 В. Значения их ESR также низки, и у некоторых из них составляют всего 5 мОм. Выпускаемые в корпусах из формованного пластика, танталовые полимерные конденсаторы являются одними из самых компактных (LELON не выпускает танталовые полимерные конденсаторы).

Полимерные гибридные алюминиевые конденсаторы. Как следует из их названия, в этих конденсаторах в качестве электролита используется комбинация жидкости и проводящего полимера (рис. 8), а в качестве катода – алюминий.

Идея, лежавшая в основе этого технического решения, заключалась в объединении лучших свойств обоих материалов: использование полимеров обеспечивает высокую проводимость и, соответственно, низкое ESR, при этом жидкая составляющая электролита может выдерживать более высокие напряжения и позволяет получать более высокие значения ёмкости благодаря большой эффективной площади поверхности. Гибридные конденсаторы могут иметь диапазон рабочих напряжений от 25 до 80 В, а ёмкостей – от 10 до 330 мкФ. Значения ESR у гибридов выше, чем у других типов полимерных конденсаторов, но, принимая во внимание более мощные приложения, для которых они предназначены, всё же достаточно низкие – от 20 мОм до 120 мОм.

LELON также выпускает гибридные полимерные конденсаторы (рис. 9), отличающиеся высокой надёжностью, большим сроком службы (4000–10 000 ч) и вибростойкостью
(до 10g), что позволяет их использование в автомобильных приложениях.

Конденсаторы выпускаются на напряжения от 16 до 80 В, диапазон ёмкостей от 10 до 470 мкФ, диапазон рабочих температур –55…+ 135°С, размеры от 6,3×5,8 мм до 10×12,5 мм. Обеспечивается поддержка директивы RoHS и температуры пайки до 260°С.

Все типы полимерных конденсаторов отличаются великолепными частотными характеристиками. ​Благодаря сверхнизким значениям ESR они имеют низкий импеданс вблизи точки своего резонанса. А более низкий импеданс уменьшает пульсации переменного тока в силовых цепях. Различные испытания показывают многократное снижение амплитуды пульсаций в цепях с полимерными конденсаторами по сравнению с обычными танталовыми конденсаторами с низким значением ESR.

Характеристики полимерных конденсаторов остаются стабильными в течение долгого времени, эта стабильность важна для промышленных и автомобильных приложений, где, как правило, происходят значительные колебания рабочих температур. Повышенные температуры могут вызывать потерю до 90% и более эффективной ёмкости обычных электролитических конденсаторов, а это означает, что обычные конденсаторы не обеспечивают должных характеристик в реальных условиях эксплуатации. Гибридные конденсаторы добавляют к стабильности ёмкости ещё одно измерение. В типичных условиях эксплуатации их ёмкость остаётся неизменной – и на высоких частотах, и при низких температурах – факторах, уменьшающих ёмкость конденсаторов с обычным жидким электролитом.

Для обычных электролитических конденсаторов характерны проблемы безопасности, способные привести к их короткому замыканию и выходу из строя. Угроза безопасности возникает, когда электрические или механические напряжения создают дефекты или разрывы в оксидной плёнке, образующей диэлектрик конденсатора. Полимерные же конденсаторы способны к самовосстановлению, которое устраняет этот аварийный режим. В случае гибридных конденсаторов начинает действовать дополнительный механизм самовосстановления, так как жидкий электролит вызывает поток тока вблизи дефекта, восстанавливая оксидный слой алюминия. Повышенная безопасность полимерных и гибридных конденсаторов имеет большое значение как с технической точки зрения, так и с финансовой. Для безопасной эксплуатации разработчики, как правило, используют обычные танталовые конденсаторы при напряжениях на 30–50% ниже их номинального напряжения. Это общепринятое в инженерной практике занижение номинальных параметров ведёт к необходимости использования конденсаторов больших размеров и стоимости. Напротив, для полимерных конденсаторов можно рассчитывать на работу при 90% от номинального напряжения.

В 2017 году LELON начала выпуск двухслойных электролитических конденсаторов EDLC (Electrolytic Double Layer Capacitor), другие названия – суперконденсаторы или ионисторы. Приборы выпускаются в корпусах в виде «монеты» (Coin Type, рис. 10) и обычных корпусах Radial, Snap-in с ёмкостями до 120 Ф (рис. 11).

EDLC находят применение в самых различных отраслях промышленности, автомобилях и других транспортных средствах, энергетике, в бытовых приборах и так далее, области применения EDLC, рекомендуемые компанией LELON, приведены на рис. 12.

Коротко рассмотрим устройство и особенности применения суперконденсаторов. В настоящее время получили широкое распространение устройства, потребляющие высокую мощность в течение короткого времени, например, реле, электродвигатели, импульсные излучатели и другие устройства и системы. Для них не всегда можно использовать аккумуляторы, так как в них могут возникнуть сложности с формированием мощных кратковременных токов. Для таких ситуаций стали использовать суперконденсаторы, которые можно устанавливать вместо аккумулятора или в комбинации с ним. Для изготовления этих элементов и применяется технология EDLC. Суперконденсаторы представляют собой электролитические конденсаторы с большими показателями удельной мощности. Они отличаются лучшими техническими характеристиками, чем аккумуляторы. Эти элементы быстрее заряжаются и разряжаются, схематично устройство ионистора показано на рис. 13.

Основные характеристики ионисторов: внутреннее сопротивление (измеряется в мОм), максимальный ток (А), номинальное напряжение (В), ёмкость (Ф), параметры саморазряда. В качестве электродов в приборах применяется активированный уголь или углерод на вспененной основе. Эти компоненты помещаются в электролит. Сепаратор предназначен для защиты устройства от короткого замыкания электродов. Существуют и другие варианты конструкций ионисторов, выпускаемых различными производителями.

Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи и миллионы раз больше, чем обычные электролитические конденсаторы, и работают быстрее эмуляторов. Это обусловлено тем, что суперконденсаторы создают статистические заряды на твёрдых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций. Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы – более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при довольно низких напряжениях, а для получения большего напряжения их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.

Двухслойные суперконденсаторы состоят из пористых электродов, разделённых сепаратором. Электрический заряд в таких устройствах определяется ёмкостью двойного электрического слоя. Электролит является соединяющим проводником с ионной проводимостью.

Компания LELON выпускает более десятка серий EDLC, каждая из которых насчитывает не один десяток типов приборов. Приведём основные характеристики некоторых серий ионисторов компании:

LELON поставляет свою продукцию множеству известных компаний мира, работающих в различных сферах деятельности. Это как нельзя лучше иллюстрирует надёжность и высокую репутацию компании.