Condensatoarele electrolitice și hibride cu polimeri au o serie de avantaje, dar și un dezavantaj: durata lor de viață limitată. Prin urmare, este esențial să putem calcula durata lor de viață.
Condensatoarele electrolitice și hibride cu polimeri au un design aproape identic: acestea sunt formate dintr-o parte catodică și una anodică, ambele fiind fabricate din folie de aluminiu. Pentru anod, filmul este supus unui proces de oxidare, în urma căruia se creează un strat de oxid de aluminiu reprezentând dielectricul. Se rulează ambele folii împreună cu hârtia separatoare pentru a forma bobina circulară (Figurile 1 și 2).
Figura 1: Un condensator electrolitic constă în esență dintr-o folie anodică și una catodică, hârtie separatoare și electroliți. (© Rutronik)
Diferența dintre cele două tipuri de condensatoare este dată de materialul utilizat pentru procesul de umplere, care le dă și numele: condensatoarele electrolitice sunt umplute cu electroliți, în timp ce condensatoarele hibride cu polimeri utilizează fie un electrolit polimerizat, fie o combinație de polimer solid și lichid.
Ambele tipuri beneficiază de o serie de avantaje, cum ar fi valorile ridicate ale capacității în ciuda dimensiunilor mici, costurile reduse și disponibilitatea în diverse modele, de exemplu SMD, THT sau “snap-in”.
În comparație cu condensatoarele electrolitice, cele hibride cu polimeri oferă în plus o capacitate mai mare a curentului de riplu, precum și o rezistență internă mai mică la temperaturi scăzute și o capacitate mai stabilă la frecvențe ridicate.
Neajunsul ambelor tehnologii constă în durata de viață limitată a acestora. În timpul funcționării, electrolitul sau polimerul lichid se contractă (Figura 3).
Ce limitează durata de viață
Figura 2: Structura de bază a condensatoarelor electrolitice și a celor cu polimeri (© Panasonic Industry)
Cel mai important factor care afectează durata de viață a condensatoarelor electrolitice și a celor hibride cu polimeri este temperatura de bază a condensatorului. Aceasta crește odată cu creșterea temperaturii ambientale și a nivelului curentului de riplu aplicat. Mai mult, stresul mecanic datorat curentului de riplu excesiv poate, de asemenea, să deterioreze stratul de oxid și să provoace un consum suplimentar de electrolit datorită autoregenerării. Autoregenerarea este capacitatea condensatoarelor electrolitice și a condensatoarelor hibride polimerice de a reface stratul de oxid prin intermediul unei reacții chimice între electrolit și aluminiu. Contracția electrolitului determină, de asemenea, deteriorarea parametrilor electrici, de exemplu capacitatea, precum și rezistența echivalentă serie (ESR) și factorul de pierdere.
Figura 3: Electrolitul sau polimerul lichid difuzează în timpul operării, ceea ce duce la o durată de viață limitată a condensatorului. Ecuația Arrhenius oferă o estimare aproximativă a duratei de viață a condensatorului. (© Rutronik)
Sfârșitul duratei de viață se referă, de obicei, la faza în care parametrii din fișa tehnică – în general, pierderea capacității și creșterea procentului factorului de pierdere – sunt sub așteptări.
Atunci când selecționați un condensator cu parametri electrici sub limita prevăzută pentru perioada de funcționare a produsului final, ecuația Arrhenius poate fi utilizată pentru a face o evaluare inițială. După cum se arată în figura 4, durata de viață în funcție de coeficientul de difuzie seamănă în mare măsură cu ecuația Arrhenius. Prin urmare, ca regulă generală, se poate face și următoarea afirmație: o reducere cu 10°C (50° F) a temperaturii de operare dublează durata de viață.
Figura 4: Ecuația Arrhenius și regula de bază, care afirmă că durata de viață a condensatorului se dublează la fiecare reducere cu 10°C (50°F) a temperaturii de operare oferă aproape aceleași rezultate. (© Website Rubycon)
Ecuația Arrhenius oferă doar o valoare orientativă aproximativă, deoarece nu ia în considerare impactul semnificativ al curentului de riplu asupra autoîncălzirii.
Sprijin din partea producătorilor de condensatoare
Pentru a obține un calcul precis al duratei de viață, se recomandă colaborarea cu producătorul condensatorului respectiv. Acest calcul necesită un profil de sarcină din partea clientului. Raportul detaliază numărul de ore efective de operare într-un interval de temperatură relevant.
Fiecare furnizor utilizează calcule individuale pentru propriile produse care încorporează profilul de temperatură și sarcina de curent de riplu. Ca atare, producătorul poate efectua un calcul detaliat al duratei de viață folosind profilul de sarcină furnizat de client.
Utilizând profilul de sarcină, furnizorul poate evalua și recomanda condensatorul corespunzător aplicației respective. Acest lucru previne, de asemenea, utilizarea unui condensator supraspecificat – și, prin urmare, mai scump.
Răcirea asigură o durată de viață mai lungă
Figura 5: Exemplul unui profil de sarcină arată care sunt parametrii necesari furnizorului pentru a calcula cu precizie durata de viață. (© Rutronik)
Disipatoarele de căldură cu o suprafață mai mare reprezintă o bună modalitate de a îmbunătăți disiparea căldurii și, astfel, de a crește durata de viață a condensatorului. Răcirea activă prin utilizarea ventilatoarelor sau a apei, de exemplu, poate asigura o disipare și mai bună a căldurii. Astfel de concepte de răcire pot fi, de asemenea, luate în considerare la validarea componentei și incluse în calculul duratei de viață.
Conectarea elementelor de răcire la condensator joacă, de asemenea, un rol esențial.
Atașarea elementului de răcire direct la componentă este adesea mai eficientă decât plasarea acestuia direct pe partea opusă a plăcii. În plus, este important să se ia în considerare și celelalte componente aflate în preajma condensatorului, deoarece acesta radiază și absoarbe căldura prin terminalele sale. Este valabil mai ales dacă în apropiere se află semiconductori de putere sau alte componente generatoare de căldură. Acest aport de căldură poate fi, de asemenea, inclus în calculul duratei de viață dacă sunt disponibile date empirice, privind, de exemplu, temperatura, curentul, tensiunea și frecvența.
Figura 6: Diagrama unui circuit termic echivalent al condensatorului. (© Rutronik)
Dacă folosiți o pastă termică sau pad-uri termice, rezistența lor termică este decisivă. Cu cât aceasta este mai mică, cu atât mai eficientă este disiparea căldurii. Dacă elementul de răcire trebuie să fie izolat electric, trebuie selectată o pastă termică izolatoare sau pad-uri adecvate.
Valoarea rezistenței termice, de la miez (elementul bobinat) până la terminalele și capsula condensatorului, poate fi obținută de clienți de la furnizor, dacă aceștia doresc să efectueze ei înșiși un calcul sau o simulare.
În cazul în care atât situația termică, cât și rezistențele termice de la condensator sau PCB la elementul de răcire sunt pe deplin cunoscute, se pot deduce disiparea sau aportul suplimentar de căldură. Odată ce a fost verificată posibila disipare a căldurii, furnizorul poate permite un curent de riplu mai mare pentru circuit – dar numai dacă nu este depășit curentul de riplu maxim specificat de furnizor, deoarece acest lucru ar duce la o sarcină mecanică asupra condensatorului.
Concluzie
Ecuația Arrhenius este recomandată pentru a determina o valoare de referință inițială atunci când se selectează un condensator. Utilizând un profil de sarcină, durata de viață a condensatorului selectat în aplicație poate fi calculată cu exactitate. Acest lucru ia în considerare și nivelul de autoîncălzire cauzat de curentul de riplu. Pentru a maximiza durata de viață a condensatorului, merită să analizați posibilele concepte de răcire și să implicați producătorul sau distribuitorul în procesul de dezvoltare.
Autori:
Sven Jimenez Rodriguez, Product Sales Manager Capacitors și
Christian Kasper, Technical Support la Rutronik
Rutronik | https://www.rutronik.com
