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Konventionelle Aluminium Elektrolytkondensatoren mit extreme langer Lebensdauer

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Einleitung

Weltweit kann das Streben nach CO2 Reduktion und die Bestrebungen die globale Erwärmung zu stoppen beobachtet werden. Auch speziell hier in Japan werden zahlreiche Atomkraftwerke nach dem Erdbeben 3.11 nicht wieder in Betrieb genommen. Das dadurch entstandene Risiko von zu geringer Energieverfügbarkeit resultiert nun wiederum in einem Umdenkprozess, sodass sich viele Bürger Gedanken über mögliche Wege der Energiereduktion machen. Gleichzeitig steigt der globale Energiehunger durch ein stetiges Wachsen der Bevölkerung, besonders in Mega-Cities in China und Indien. Als Gegenmaßnahme starten weltweit Projekte bezüglich intelligenten Energiemanagements. Intelligente Stromzähler, Netzwerke, vernetzte Häuser markieren unsere Zukunft. Es ist also ein dringendes und weltweites Bestreben sich um die Energieversorgung und Umwelt zu kümmern.
Ein erstes augenscheinliches Aufgabengebiet wird dabei der Beleuchtung geschenkt und hier wiederum intensive der LED Technologie (Leuchtdioden). LEDs werden für unterschiedlichste Bereiche von Beleuchtungen bereits eingesetzt und ersetzen mehr und mehr Leuchtstofflampen, herkömmliche Glühbirnen und Energiesparlampen mit dem Ziel globale Erwärmung aufzuhalten, CO2 Reduktion zu verbessern und Energie zu sparen. LEDs eröffnen enormes Energiesparpotential und auch eine viel längere Lebensdauer als herkömmliche Beleuchtungsprodukte. Letztendlich benötigt genau deshalb jede LED Beleuchtung auch eine passende Ansteuerelektronik welche es erst ermöglicht die volle Performance der LED auszuschöpfen.

LLE
Bild 1: LLE Serie,Miniaturisiert, Lange Lebensdauer.

In der LED Beleuchtung werden Aluminium Elektrolyt Kondensatoren (Alu-Elkos) mit einem erweiterten Temperaturbereich, in miniaturisierter Bauform und mit größeren Kapazitätswerten benötigt. Alu-Elkos sind aber lebensdauerbegrenzte Bauteile und sind daher entscheidend für die Gesamtlebensdauer der LED Beleuchtung.
Die Entwicklung von Alu-Elkos mit langer Lebensdauer war jeher ein Bestreben der gesamten Industrie. Rubycon prägt als Marktführer diesen Industriebereich und bietet jetzt mit der LLE Serie eine komplette Produktserie mit extremer Langlebigkeit, basierend auf einem speziellen, langlebigen Elektrolyt an. (Bild 1). Dieser Artikel befasst sich mit der LLE Serie.

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Notwendigkeit von Alu-Elkos mit langer Lebensdauer

Die Lebensdauer von Alu-Elkos ist temperaturabhängig und es ist möglich die Lebensdauer zu erhöhen indem man die Umgebungstemperatur weitestgehend reduziert. Viele Anwendungen erlauben es durch geschicktes Design die Alu-Elkos neu anzuordnen bzw. mögliche Heizquellen möglichst weit entfernt zu bestücken um somit die Temperatur in der Umgebung des Alu-Elkos zu reduzieren. Bei LED Anwendungen, insbesondere dem Glühbirnenersatz benötigt man aber eine kompakte Bauform und es ist sehr schwierig hier notwendige Maßnahmen zu setzen um die Temperatur zu verringern. Alu-Elkos die also für derartige LED Anwendungen verwendet werden finden mit einer Spezifikation von 10.000h, 105°C kein Auskommen mehr und würden somit die Lebensdauer der LEDs einschränken.

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Merkmale der LLE Serie

Die LLE Serie wurde speziell für den LED Glühbirnen-Ersatz entwickelt und bietet eine extrem lange Lebensdauer, die längste in dieser Industrie mit 12,000 bis 20,000 Stunden bei verfügbaren Spannungen von 160 bis 400V in Abmessungen von 6.3×11 bis 10×16.
Tabelle-1 vergleicht die Lebensdauer zwischen der LLE Serie und BXC-Serie, dem bisher führenden Produkt mit Hinblick auf Lebensdauer. Wie Sie sehen ermöglicht die BXC Serie die bis zu 2-fache Lebensdauer und zusätzliche miniaturisierte Abmessungen die bisher gar nicht verfügbar waren.
Graph-1 zeigt die historische Entwicklung der Lebensdauer am Beispiel von Alu-Elkos mit der Abmessung 10×16. Der größte Entwicklungssprung wurde dabei im letzten Jahrzehnt erreicht mit signifikantem Anteil der LLE Serie.

GrößeLLE seriesBXC series
6.3×11
8×9
10×9
12,000Stundennicht verfügbar
8×11.5
10×12.5
15,000Stunden8,000Stunden
10×1620,000Stunden10,000Stunden

Tabelle-1: Vergleich Lenbensdauer(Stunden/105ºC)

Die Verwendung der LLE Serie ermöglicht…
(1) Längere Lebensdauer unter extremen Temperaturbedingungen.
(2) Alu-Elkos können anstelle von MLCC’s und Filmkondensatoren bei gleichzeitiger Kostenreduktion eingesetzt werden.
(3) Eine Miniaturisierung der Alu-Elkos und dadurch eine kompaktere Bauform Ihres Gerätes.
(4) Eine Erleichterung beim Design da man weniger Rücksicht auf die Umgebungstemperatur des Alu-Elkos nehmen muss und trotzdem die Lebensdauer verlängern kann.

Life time transition history
Graph-1:Life time transition history

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Technische Faktoren zur Erreichung der LLE Performance

Die Lebensdauer von Alu-Elkos ist überwiegend durch das Austrocknen des Elektrolyten durch das Verschluss Material und dadurch entstehende Veränderung der Charakteristik bestimmt.
Das Hauptaugenmerk in der Entwicklung wird dabei auf die Vermeidung der Elektrolytaustrocknung gelegt und um das zersetzen des Elektrolyten innerhalb des Alu-Bechers zu verlangsamen. Für die Herstellung von Alu-Elkos werden unterschiedliche Elektrolyte verwendet, der Bekannteste ist wohl Ethylen-Glycol basierend, und es konnte ausreichendes Wissen über derartige Elektrolyte in unserer Industrie gesammelt werden. Rubycon hat allerdings eine spezielle Komposition aufgrund unserer 50 jährigen Erfahrung entwickelt und dabei einen sehr stabilen, bei hohen Temperaturen langlebigen Elektrolyten entwickelt.
Die durch diesen Elektrolyten erzielte Veränderung der Alu-Elko Charakteristik über die Lebensdauer reduziert sich damit drastisch auf 1/3 (ein Drittel) dessen von konventionellen Alu-Elkos, ein Ergebnis der reduzierten thermischen Verluste.
Zusätzlich ist die Selektion des Verschluss Gummis am Alu-Elko Boden ausschlaggebend um eine exzellente Abdichtung einerseits und eine Harmonie mit dem Austrocknungsverhalten des Elektrolyten andererseits zu schaffen. Nicht zu vernachlässigen ist auch die exakte Einhaltung der Elektrolytmenge durch ausgeklügeltes Design und strenge Produktionsüberwachung. Die LLE Serie entstammt also 100% den Rubycon hausinternen Laboratorien und ist das Ergebnis jahrelanger Entwicklung und Forschung-
Graph-2 zeigt das Ergebnis des Lebensdauertests (Kapazitätsänderung & Tan Delta) eines 400WV 6.8µF 10×16 Alu-Elkos der LLE Serie. Das Beispiel zeigt wie stabil die elektrischen Werte über die Dauer von 20.000 Stunden bleiben.

Life test data of LLE series
Graph-2:Life test data of LLE series

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Zukünftige Entwicklungen

Die LLE Serie wurde mit dem Ziel der Anwendung für LED’s als Glühbirnenersatz entwickelt und bringt damit ein auf dieses Marktsegment zugeschnittenes Produktportfolio mit sich. Aktuell arbeiten wir an einer Erweiterung der Produktpalette für den Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungen.

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Zusammenfassung

Aufgrund des allgemeinen Bestrebens Geräte zu verkleinern vernehmen wir zwangsläufig einen Anstieg der Umgebungstemperaturanforderungen in elektronischen Geräten. Die Anforderungen an Bauelemente mit eingeschränkter Lebensdauer steigen daher kontinuierlich an. Alu-Elkos bieten gegenüber anderen Technologien einen klaren Kostenvorteil und durch die ständige Entwicklung von langzeitstabilen, hochtemperaturfähigen Alu-Elkos sind Rubycon Produkte auch zukünftig ideal für unterschiedlichste Anwendungen geeignet. Signifikante Lebensdauererhöhung konnte in den letzten Jahren erreicht werden und der Fortschritt ist noch lange nicht abgeschlossen da die Entwicklung neuer Technologien nach wie vor mit Hochdruck läuft.

* Dieser Artikel wurde mit Modifizierungen am 26.1.2012 in der „Dempa Shimbun" unter der Rubrik "High Technology" veröffentlicht.

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