Расчет срока службы электролитических конденсаторов
Добавлено 2 октября 2017 в 21:35
Возможно, вы слышали, что электролитические конденсаторы – это не самый лучший выбор? Но насколько это утверждение верно? Давайте дадим электролитическим конденсаторам еще один шанс.
Алюминиевые электролитические конденсаторы прославились коротким сроком службы и ненадежностью. Частично эта репутация связана с кражей формулы электролита пятнадцатилетней давности, но с другой стороны, они действительно служат не так долго, как другие типы конденсаторов. Но неужели они настолько плохи?
Скандальная репутация
В начале 2000-х годов алюминиевые электролитические конденсаторы терпели неудачи с гораздо более высокой скоростью, чем ожидалось, явление широко и драматично известное как конденсаторная чума. Причина была отслежена до интересной истории промышленного шпионажа, где формула электролита для конденсаторов была украдена, но затем использовалась неправильно. В результате миллионы плохих конденсаторов попали во всевозможные электронные устройства.
Эта история, несомненно, придала алюминиевым электролитам плохую репутацию ненадежных компонентов, и эта дурная слава еще больше усиливалась из-за того, что даже правильно изготовленные алюминиевые электролитические конденсаторы имеют относительно короткий срок службы по сравнению с пленочными конденсаторами (которые также могут иметь высокую ёмкость и высоковольтные характеристики, такие как у алюминиевых электролитов).
Например, семейство KXG алюминиевых электролитических конденсаторов от United Chemi-Con (которое включает в себя конденсаторы емкостью от 6,8 мкФ до 330 мкФ и напряжением от 160 В до 450 В) имеют заявленный срок службы от 8 000 до 10 000 часов, в то время как семейство EPCOS B32798 пленочных конденсаторов (которое включает в себя конденсаторы емкостью от 18 мкФ до 75 мкФ и напряжением от 250 В до 400 В) рассчитано на срок службы 60 000 часов.
Похоже, что репутация алюминиевых электролитов как ненадежных устройств на самом деле оправдана. Но действительно ли это так?
Оценка срока службы компонентов
Для правильной оценки продолжительности жизни компонента требуется больше, чем просто посмотреть на заявленный срок службы. Влияние воздействий (тепло, ток, напряжения), которые будет испытывать устройство во время работы, также должно быть включено в анализ. Оказывается, что номинальный срок службы обычно указывается для случаев при довольно сильном воздействии.
Если устройство будет использоваться при более низких температурах, напряжении или токе, срок службы может быть пересчитан. Этот перерасчет учитывает реальные рабочие температуру, напряжение и ток, и часто, если эти параметры ниже номинальных, пересчитанный срок службы будет во много раз длиннее номинального срока службы.
Производители конденсаторов, как правило, предоставляют расчеты и графики на основе своих исследований и полевых испытаний. Часто эти вычисления не включаются в техническое описание компонента, а вместо этого находятся в отдельном документе характеристик конденсатора (причина этого, вероятно, в том, что тогда в техническое описание пришлось бы включить слишком много дополнительной информации).
Определение понятия «выход из строя» для конденсатора
Первое, что нужно определить, как производитель определяет, что конденсатор вышел из строя. Выход из строя обычно не определяется как «больше не работает» – он обычно определяется как определенное процентное изменение характеристик конденсатора. Это определение важно знать, чтобы можно было провести между конденсаторами надлежащее сравнение.
Например, Vishay для своих алюминиевых электролитов использует стандарт CECC 30301, который определяет конец срока службы, как момент, когда емкость снизилась на 30%, коэффициент рассеяния превышает более, чем в 3 раза, верхний предел, или импеданс более, чем в 3 раза, выше установленного предела. Между тем, TDK определяет конец срока службы своих пленочных конденсаторов серии B32798, как момент, когда емкость уменьшилась на 10%, коэффициент рассеяния превысил более, чем в 4 раза, верхний предел, или сопротивление изоляции упало ниже 1500 МОм.
Определение метода «пересчета» для конденсатора
Во-вторых, необходимо определить, как производитель пересчитывает срок службы компонента. В общем случае конденсаторы (и многие другие устройства) могут быть пересчитаны следующим образом:
[срок_{реальный}=срок_{заявленный} times K_{температуры} times K_{напряжения} times K_{тока}]
где
- срокреальный – это ожидаемый срок службы при рабочих температуре, напряжении и токе;
- срокзаявленный – это ожидаемый срок службы при номинальных температуре, напряжении и токе;
- Kтемпературы: для обоих типов конденсаторов (и для алюминиевых электролитических, и для пленочных) снижение температуры на 10°C приводит к удвоению ожидаемого срока службы. Таким образом, температурный коэффициент составляет (2^{0.1(T_m-T_c)}). Где Tm – это номинальная температура, а Tc – это рабочая температура;
- Kнапряжения увеличивает срок службы, поскольку рабочее напряжение ниже максимального номинального напряжения. По данным United Chemi-Con напряжение гораздо меньше влияет на срок службы алюминиевых электролитов (если оно не превышает номинальный максимум);
- Kтока увеличивает срок службы, поскольку рабочий ток ниже максимального номинального тока. На алюминиевые электролиты ток оказывает более существенное влияние, чем на пленочные конденсаторы, из-за их высокого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Потери мощности, вызванные ESR, будут равны (I{_{cap}^{2}}R_{ESR}), и все эти потери мощности приводят к самонагреванию, что повлияет на срок службы.
Выполнение расчета срока службы: пример выбора конденсатора
Вооружившись этими формулой и коэффициентами, можно провести надлежащее сравнение сроков службы у разных конденсаторов. Чтобы проиллюстрировать это сравнение, давайте посмотрим конкретный пример.
Предположим, что мы проектируем выпрямитель для системы зарядки аккумулятора. Эта аккумуляторная система работает при постоянном напряжении 400 В, и мы определили, что нам для фильтрации нужен конденсатор емкостью 300 мкФ. После некоторых исследований по подбору компонентов, которые отвечают этим требованиям к напряжению и емкости, а также имеют наилучшую комбинацию размера и стоимости, мы находим два возможных решения.
Мы можем использовать три алюминиевых электролитических конденсатора по 100 мкФ от United Chemi-Con (номер детали EKXG451ELL101MM40S) или четыре пленочных конденсатора по 75 мкФ (номер детали B32798G2756K). Компромисс между двумя этими вариантами заключается в том, что алюминиевые электролиты будут стоить около $10, но будут иметь номинальный срок службы 10 000 часов, в то время как пленочные конденсаторы будут стоить около $120, но будут иметь номинальный срок службы 60 000 часов.
Если нам понадобится, чтобы это зарядное устройство проработало не менее четырех лет, похоже, что придется выбрать более дорогой вариант.
Надеемся на перерасчет срока службы
Но постойте! Мы не должны опираться на этот номинальный срок службы, потому что система будет работать при температуре и напряжении ниже номиналов, указанных для конденсаторов. Это означает, что мы можем пересчитать ожидаемый срок службы, и он на самом деле будет больше.
Еще раз, формула пересчета срока службы конденсатора:
[срок_{реальный}=срок_{заявленный} times K_{температуры} times K_{напряжения} times K_{тока}]
Для простоты предположим, что коэффициент напряжения и коэффициент тока равны 1 (вероятно, они больше 1), и перерасчет зависит только от температуры. Если пересчитанный срок службы еще не достаточно большой, мы можем подставить коэффициенты напряжения и тока, чтобы выполнить еще более точный расчет.
Номинальная температура обоих конденсаторов составляет 105°C, поэтому, если рабочая температура оценивается в 75°C (что очень много для подобной системы), разница между номинальной и рабочей температурами составит 30°C.
Эта разница в 30°C приводит к тому, что срок службы трижды увеличится в два раза. Другими словами, реальный срок службы будет в 23 = 8 раз больше номинального срока службы. Для алюминиевых электролитических конденсаторов это означает, что ожидаемый срок службы составит 80 000 часов, что составляет 9 лет непрерывной работы.
Заключение
Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют репутацию ненадежных компонентов с небольшим сроком службы. Эта репутация оправдана, если вы смотрите только на номинальный срок службы, но реальные условия работы часто намного более благоприятны по сравнению с номинальными.
Эти лучшие условия означают, что оценка срока службы может быть увеличена (пересчитана). При правильном выборе (с учетом номинальной температуры, напряжения и тока) можно подобрать компоненты, у которых фактические сроки службы намного превышают сроки, указанные в технических описаниях. Этот перерасчет срока службы может позволить нам найти алюминиевые электролитические конденсаторы, которые могут действительно соответствовать требованиям к ожидаемому сроку службы для большинства систем.
Теги
Алюминиевый электролитический конденсаторКонденсаторНадежность компонентовСрок службы компонентовЭлектролитический конденсатор
13 мая 2014
Нужны конденсаторы? Небольшого размера, электролиты, в алюминиевом корпусе, с усиленными выводами, со сроком службы 5000 часов и более? Известных производителей? КОМПЭЛ предлагает подобную продукцию от Yageo, Samwha и Hitachi AIC.
Алюминиевые электролитические конденсаторы (с жидким электролитом) нашли широкое применение в разнообразной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре. Они удачно сочетают высокие значения удельной электрической емкости, заряда, мощности и энергии при достаточно широком рабочем диапазоне температур, возможных значений номинальных напряжений и приемлемых паразитных параметрах при небольшой стоимости. Алюминиевые электролитические конденсаторы являются оптимальным накопителем энергии (емкостным фильтром) с низким полным сопротивлением для работы в диапазоне частот от нескольких десятков Гц до нескольких кГц или, соответственно, при длительности процессов от десятков микросекунд до единиц миллисекунд. Необходимость применения алюминиевых электролитических конденсаторов только при определенной полярности напряжения на них в большинстве случаев не создает особых проблем. По техническим характеристикам их могли бы потеснить танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы, а также полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы, но все эти варианты настолько дороже, что их применение остается нишевым.
При всех привлекательных качествах стандартных алюминиевых электролитических конденсаторов, ситуацию омрачают сравнительно частые отказы, к тому же, нередко имеющие весьма неприятные последствия: порча соседних компонентов, дорожек и маски печатной платы химически агрессивными компонентами электролита, КЗ силовых цепей и т.п. По некоторым данным, на долю алюминиевых электролитических конденсаторов приходится до 70% всех повреждений компьютеров и систем с компьютерными компонентами. Как следствие, нередко встречается подход, подразумевающий «презумпцию виновности» алюминиевых электролитических конденсаторов. Т.е. при любых неисправностях оборудования первоначально пытаются искать дефектные конденсаторы или даже прибегают к сплошной замене всех установленных алюминиевых электролитических конденсаторов на новые, и только если указанные меры не дали результата, проверяют другие возможные причины отказа. Поэтому весьма востребованы алюминиевые электролитические конденсаторы с увеличенным сроком службы и расширенным диапазоном рабочих температур.
Рис. 1. Последовательная схема замещения алюминиевого электролитического конденсатора
Сначала следует определиться, что же понимается под сроком службы таких конденсаторов и чем он определяется, что считается отказом и как это проявляется в работе оборудования. Для этого надо рассмотреть основные параметры алюминиевых электролитических конденсаторов, а также их конструкцию и технологию изготовления. Упрощенная последовательная схема замещения алюминиевого электролитического конденсатора на переменном токе показана на рисунке 1. Здесь электрическая емкость С является целевым параметром, а эквивалентные последовательные сопротивление R и индуктивность L характеризуют неидеальность алюминиевого электролитического конденсатора как элемента электрической цепи. Сопротивление R отражает всю сумму активных потерь, имеющихся в конденсаторе. В основном это потери в электролите от протекания переменного тока и потери в диэлектрике при приложении переменного напряжения. Отношение полной активной мощности (потерь) на переменном токе частотой f к реактивной мощности характеризуется тангенсом угла потерь tgδ или, в англоязычной документации, фактором потерь DF:
tgδ=DF=2•π•f•R•C
Типичная зависимость tgδ от частоты в актуальном для алюминиевых электролитических конденсаторов диапазоне частот показана на рисунке 2. Вблизи нижней границы рабочего диапазона частот потери в электролите и в диэлектрике имеют примерно одинаковые величины. При заданной величине переменного тока по мере роста частоты потери в диэлектрике уменьшаются. Соответственно, возрастает вклад потерь в электролите в суммарную величину tgδ, и он растет почти пропорционально частоте. Нормирование tgδ обычно производят на удвоенной частоте питающей сети: 100 Гц или, чаще, 120 Гц. Если же нормируют эквивалентное последовательное сопротивление R, то это могут делать как на низкой частоте (120 Гц), так и на высокой – вплоть до 100 кГц. Номинальную емкость контролируют на частоте 120 Гц при температуре 20°С или 25°С, допустимый начальный разброс обычно составляет ±20%. При определении величины R через tgδ следует учитывать допуск на номинальную емкость конденсатора.
Рис. 2. Типичная зависимость tgδ от частоты в актуальном для алюминиевых электролитических конденсаторов диапазоне частот
Данные о надежности и возможном сроке службы алюминиевых электролитических конденсаторов при определенных условиях работы могут быть получены при проведении соответствующих испытаний партии однотипных конденсаторов. Тестируемые конденсаторы помещаются в термостат, поддерживающий заданную температуру окружающей среды (воздуха). На них подается стабильное постоянное (обычно номинальное) напряжение правильной полярности и, в некоторых случаях, дополнительно пропускается переменный ток синусоидальной формы с заданными амплитудой и частотой. При этом переменная составляющая напряжения на конденсаторе должна быть меньше постоянной (чтобы не происходило переполюсовки), а в сумме они не должны превышать величину номинального напряжения тестируемых конденсаторов. С заданной периодичностью производится контроль текущих значений основных параметров конденсаторов: емкости, тангенса угла потерь и тока утечки. В случае ухода этих характеристик за установленные допустимые пределы, а также при обнаружении КЗ или обрыва, фиксируется отказ, и конденсатор снимается с испытаний. Если одновременно испытывать весьма большое количество алюминиевых электролитических конденсаторов, можно получить зависимость интенсивности потока отказов от времени проведения испытаний, которая будет иметь вид, подобный показанному на рисунке 4. Под интенсивностью отказов понимается относительное количество компонентов из общей величины тестируемой партии, отказывающих в единицу времени (обычно за 1 час).
Рис. 4. Зависимость интенсивности отказов алюминиевых электролитических конденсаторов от времени
Зависимость, изображенная на рисунке 4, имеет три характерных участка. В начале испытаний интенсивность отказов сравнительно велика, но достаточно быстро снижается со временем. Это происходит выход из строя экземпляров, которые имели какие-то серьезные дефекты в своей конструкции. После того, как потенциально ненадежные компоненты по большей части выявлены и изолированы от основной массы приборов, наступает сравнительно продолжительный период работы (испытаний), характеризующийся весьма малой величиной интенсивности отказов. Для хороших производителей в нормальных условиях могут быть достигнуты значения лучше, чем 1FIT – т.е. один отказ в час при испытаниях партии в миллиард конденсаторов. С повышением температуры интенсивность отказов увеличивается до уровней приблизительно 12FIT при 40°С и 250FIT при 85°С. Продолжительность второго интервала (рисунок 4) в условиях максимально допустимой температуры для тестируемых конденсаторов обычно составляет несколько тысяч часов. За это время откажет всего несколько конденсаторов, если на испытания поставлена партия 10000 штук. Тестирование партии существенно меньшей величины не позволит получить сколько-нибудь достоверные оценки интенсивности отказов и эффективного срока службы. Очевидно, подобные испытания являются достаточно дорогостоящими, поэтому их проведение в разнообразных условиях температуры окружающей среды, приложенного постоянного напряжения и протекающего переменного тока нецелесообразно. Приходится довольствоваться экстраполяцией результатов, полученных при наиболее жестких условиях и возможных режимах. В процессе работы (испытаний) алюминиевых электролитических конденсаторов происходит их постепенный износ, старение, и с некоторого момента времени все большая доля тестируемых конденсаторов, исходно не имевших в своей конструкции каких-либо дефектов, достигает состояния, соответствующего критериям отказа. Это соответствует переходу к третьему участку зависимости, изображенному на рисунке 4. Интенсивность отказов начинает неуклонно нарастать, что свидетельствует о достижении предельной величины эффективного срока службы для заданных условий применения (испытаний). Для определенности границу между участками зависимости 2 и 3, показанными на рисунке 4, можно провести при заданной доле отказавших конденсаторов, например, 0.1%, 1% или 7% от величины тестируемой партии. Хотя это не отменяет факта, что большинство конденсаторов может проработать до отказа существенно дольше, а некоторые из них – в несколько раз дольше.Конструктивно алюминиевый электролитический конденсатор состоит из двух слоев обработанной алюминиевой фольги, разделенных конденсаторной бумагой, свернутых в рулон и помещенных в алюминиевый корпус. Алюминиевую фольгу сначала подвергают электрохимической коррозии для образования на ее поверхности густой сети микроскопических туннелей, что увеличивает ее эффективную площадь (по сравнению с геометрической) в 60…200 раз – для высоковольтных и низковольтных конденсаторов соответственно. Затем фольгу, которая станет положительным (анодным) электродом, подвергают электрохимическому окислению. Пленка оксида алюминия является диэлектриком в алюминиевом электролитическом конденсаторе. Толщина наращиваемого слоя оксида алюминия определяется напряжением, при котором завершается процесс. Это напряжение, называемое напряжением формовки VF, задает толщину диэлектрика (примерно 1.2…1.5 нм/В) и номинальное напряжение конденсатора VR = (0.7…0.8)·VF. Удельная емкость анодного электрода обратно пропорциональна толщине оксидного слоя. Весьма малая его толщина, даже для конденсаторов с большим номинальным напряжением, в сочетании с достаточно высокой диэлектрической проницаемостью оксида алюминия и большой эффективной площадью электродов обеспечивает высокую удельную емкость алюминиевых электролитических конденсаторов. Катодная фольга обычно имеет лишь тонкий слой оксида, естественным образом образующийся на поверхности алюминия, поэтому емкость этого электрода в несколько раз больше анодного и не сильно влияет на результирующую емкость конденсатора. Однако вследствие малой толщины пленки оксида на катоде, алюминиевые электролитические конденсаторы не допускают изменения полярности подаваемого на них напряжения. Подготовленные анодная и катодная полосы фольги разделяются полосами тонкой конденсаторной бумаги. Эта слоеная конструкция, вместе с присоединенными к фольге выводами, сворачивается в рулон, образуя конденсаторный элемент. Он пропитывается рабочим электролитом и помещается в алюминиевый корпус с уплотнением зоны выводов резиновой прокладкой. На рисунке 3 представлены основные возможные первопричины и внешние проявления неисправностей алюминиевых электролитических конденсаторов. Наиболее характерными неисправностями являются значительная потеря емкости и увеличение tgδ, обусловленные изменением состава и частичной потерей электролита.
Рис. 3. Первопричины и внешние проявления отказов алюминиевых электролитических конденсаторов
Основным параметром надежности алюминиевых электролитических конденсаторов является срок службы в заданных условиях работы, в течение которого конденсаторы практически не отказывают. Дополнительная важная характеристика – интенсивность отказов на большей части интервала срока службы. У хороших конденсаторов она должна быть не более нескольких сотен FIT при максимально допустимой температуре.
В соответствии с теоретическими предпосылками, следующими из закона Аррениуса, и представлениями о электрохимических процессах, происходящих в алюминиевых электролитических конденсаторах, а также по результатам обширных испытаний установлено, что срок службы главным образом определяется температурой наиболее нагретой области конденсатора. Для практических целей зависимость срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов от температуры удобно аппроксимировать показательной функцией. Обычно ее формулируют как «закон 10 градусов»: при увеличении температуры на 10°С срок службы снижается вдвое. Но это не является бесспорной истиной. Например, специалисты Hitachi AIC полагают, что изменение срока службы конденсаторов вдвое происходит при вариации их температуры всего на 7.5°С, и это подтверждают фактические данные о сроке службы в зависимости от температуры алюминиевых электролитических конденсаторов таких известных производителей как EPCOS, Cornell и ряда других. Все же применение закона 10 градусов в сторону понижения рабочей температуры относительно максимально допустимой, при которой нормируется срок службы, является консервативной оценкой и создает запас надежности, поэтому вполне оправдано в инженерной практике.
Температура внутри конденсатора зависит от температуры окружающей среды, саморазогрева протекающим через него переменным током и условий охлаждения. В реальной практике применения следует учитывать и возможность дополнительного нагрева конденсатора от близкорасположенных горячих компонентов с большим собственным тепловыделением: переизлучением, конвекцией горячего воздуха и теплопроводностью по печатной плате. Нередко именно эти факторы обуславливают резкое сокращение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов по сравнению с ожидаемыми величинами. На рисунках 5…7 показаны типовые зависимости деградации алюминиевых электролитических конденсаторов производства компании Yageo. Аналогичные характеристики для алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha приведены на рисунках 8…10. Конденсаторы деградируют приблизительно линейно с течением времени, возможно – с некоторым ускорением этих процессов в конце срока службы вследствие проявления целого клубка цепочек положительных обратных связей процессов, происходящих в них.
Рис. 5. Типичные зависимости изменений емкости в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo
Рис. 6. Типичные зависимости увеличения коэффициента потерь в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo
Рис. 7. Типичные зависимости изменений тока утечки в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo
Алюминиевые электролитические конденсаторы, выпускаемые компаниями Yageo, Samwha и Hitachi AIC и поставляемые в Россию компанией КОМПЭЛ, пользуются заслуженной популярностью благодаря хорошему соотношению технических характеристик и цен. В общем случае достижение большого срока службы более сложно обеспечить у малогабаритных конденсаторов, поэтому интересно познакомиться с достижением производителей в этой области. В таблице 1 представлены серии конденсаторов с однонаправленными выводами (radial) и сроком службы 5000 и более часов производства компании Yageo, а в таблице 2 – Samwha. Обращает на себя внимание разнообразие серий конденсаторов, позволяющих подобрать компоненты, оптимальные для определенных применений. В таблице 3 показаны серии алюминиевых электролитических конденсаторов со сроком службы от 5000 часов в корпусе с усиленными (заклепочными) выводами (snap-in), выпускаемые компаниями Yageo, Samwha и Hitachi AIC. Последние имеют подробные графические характеристики зависимости срока службы от температуры окружающей среды, токовой нагрузки и условий охлаждения.
|
Рис. 8. Типичные зависимости изменений емкости в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha |
Рис. 9. Типичные зависимости увеличения тангенса угла потерь в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha |
Рис. 10. Типичные зависимости изменений тока утечки в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha |
|
Рис. 11. Зависимость срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов серии HU3 |
На рисунке 11 приведены соответствующие зависимости для серий конденсаторов HU3. Большинство серий рассчитано на работу при температуре окружающей среды 105°С, а некоторые даже при 125, 130 и 155°С (правда, при 130°С и 155°С уже не удается обеспечить срок службы 5000 и более часов).
Таблица 1. Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов с выводами «radial» со сроком службы 5000 часов и более, выпускаемых компанией Yageo
| Наименование | Номинальное напряжение, В |
Диапазоны номинальных емкостей, мкФ | Диапазон рабочих температур, °С | Срок службы, часы |
Особенности |
| SD | 160 | 56…330 | -25…105 | 5000 | Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций |
| 200 | 56…270 | ||||
| 250 | 33…180 | ||||
| 400 | 22…100 | ||||
| 420 | 22…100 | ||||
| 450 | 22…82 | ||||
| SG | 160 | 22…330 | -40…105 | 5000 | Применение в составе активных балластов |
| 200 | 10…220 | ||||
| 250 | 10…220 | ||||
| 350 | 10…100 | ||||
| 400 | 4.7…150 | ||||
| 450 | 3,3…100 | -25…105 | |||
| SP | 160 | 33…330 | -40…105 | 10000 | Большой срок службы; компактные размеры |
| 200 | 22…150 | ||||
| 400 | 6.8…68 | ||||
| 450 | 3.3…47 | -25…105 |
Таблица 2. Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов с выводами «radial» со сроком службы 5000 часов и более, выпускаемых компанией Samwha
| Наименование | Номинальное напряжение, В |
Диапазоны номинальных емкостей, мкФ | Диапазон рабочих температур, °С | Срок службы, часы |
Особенности |
| LZ | 6.3 | 47…8200 | -40…105 | 10000 | Большой срок службы; низкий импеданс; высокий допустимый ток пульсаций |
| 10 | 47…8200 | ||||
| 16 | 47…4700 | ||||
| 25 | 68…3300 | ||||
| 35 | 47…2200 | ||||
| 50 | 10…1000 | ||||
| ML | 6.3 | 22…10000 | -40…105 | 10000 | Большой срок службы; ультранизкий импеданс; повышенное значение допустимого тока пульсаций; компактные размеры |
| 10 | 22…10000 | ||||
| 16 | 10…4700 | ||||
| 25 | 10…3300 | ||||
| 35 | 10…2200 | ||||
| 50 | 10…1500 | ||||
| 63 | 10…2200 | ||||
| 100 | 10…470 | ||||
| WF | 6.3 | 100…15000 | -40…105 | 10000 | Большой срок службы; низкий импеданс; повышенное значение допустимого тока пульсаций; для счетчиков электроэнергии |
| 10 | 100…10000 | ||||
| 16 | 47…6800 | ||||
| 25 | 33…4700 | ||||
| 35 | 33…3300 | ||||
| 50 | 0,47…2200 | ||||
| 63 | 10…1000 | ||||
| 100 | 0,47…390 | ||||
| 50 | 1…1200 | ||||
| 63 | 10…1000 | ||||
| 100 | 3.3…470 | ||||
| LQ | 6.3 | 220…8200 | -40…105 | 10000 | Большой срок службы; низкий импеданс; повышенное значение допустимого тока пульсаций; компактные размеры; применение в светодиодных источниках света |
| 10 | 150…5600 | ||||
| 16 | 120…4700 | ||||
| 25 | 68…3300 | ||||
| 35 | 47…1800 | ||||
| 50 | 27…1000 | ||||
| 63 | 18…2200 | ||||
| 80 | 12…1200 | ||||
| 100 | 8,2…820 | ||||
| LY | 10 | 100…330 | -25…105 | 10000 | Большой срок службы; компактные размеры; применение в светодиодных источниках света |
| 16 | 47…330 | ||||
| 25 | 33…220 | ||||
| 35 | 33…220 | ||||
| 50 | 1.0…100 | ||||
| RH | 160 | 10…150 | -40…105 | 5000 | Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; для импульсных источников питания |
| 200 | 6.8…130 | ||||
| 250 | 6.8…220 | ||||
| 350 | 1.0…150 | ||||
| 400 | 1.0…180 | ||||
| 450 | 2.2…180 | ||||
| 500 | 10…100 | -25…105 | |||
| RU | 160 | 10…150 | -40…105 | 5000 | Повышенное значение допустимого тока пульсаций; применение в импульсных источниках питания и в составе активных балластов |
| 200 | 10…150 | ||||
| 250 | 10…150 | ||||
| 350 | 10…150 | ||||
| 400 | 10…150 | ||||
| 450 | 3.3…150 | ||||
| 500 | 10…120 | -25…105 | |||
| BL | 160 | 10…150 | -25…105 | 10000 | Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; для источников питания и адаптеров |
| 200 | 10…150 | ||||
| 250 | 6.8…100 | ||||
| 350 | 6.8…82 | ||||
| 400 | 4.7…100 | ||||
| 450 | 4.7…150 | ||||
| 500 | 10…68 | ||||
| BG | 400 | 22…150 | -25…105 | 10000 | Большой срок службы, применение в источниках питания и адаптерах |
| 450 | 22…150 | ||||
| BJ | 160 | 10…220 | -40…105 | 12000 | Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; применение в источниках питания и адаптерах |
| 200 | 10…220 | -40…105 | |||
| 250 | 6.8…150 | ||||
| 350 | 4.7…100 | -25…105 | |||
| 400 | 4.7…100 | ||||
| 450 | 4.7…100 | ||||
| 500 | 10…100 | ||||
| ВК | 160 | 4.7…47 | -25…125 | 5000 | Расширенный температурный диапазон; применение в ламповых источниках света |
| 200 | 4.7…47 | ||||
| 250 | 3.3…33 | ||||
| 350 | 2.2…10 | ||||
| 400 | 2.2…10 | ||||
| 450 | 4.7…33 | ||||
| BD | 400 | 22…100 | -25…105 | 12000 | Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций |
| 450 | 22…100 | ||||
| BH | 200 | 10…100 | 5000 | Повышенное значение допустимого тока пульсаций, применение в источниках питания | |
| 250 | 10…82 | ||||
| 350 | 3.3…68 | ||||
| 400 | 2.2…33 | ||||
| LB | 250 | 21…180 | -40…105 | 5000 | Большой срок службы; применение в низкопрофильных источниках питания |
| 350 | 16…100 | -25…105 | |||
| 450 | 16…100 | ||||
| 500 | 16…60 | ||||
| PF | 160 | 10…150 | -40…105 | 10000 | Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; высокая надежность; применение в составе активных балластов |
| 200 | 10…150 | ||||
| 250 | 10…150 | ||||
| 275 | 22…150 | ||||
| PQ | 400 | 22…150 | -25…105 | 5000 | Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; применение в источниках питания и адаптерах |
| 450 | 22…150 | ||||
| SJ | 450 | 68…150 | -25…85 | 8000 | Большой срок службы; применение в источниках питания и адаптерах |
| 500 | 47…82 |
Таблица 3. Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов в корпусе «snap-in» со сроком службы 5000 часов и более, выпускаемых компаниями Yageo, Samwha и Hitachi AIC
| Производитель | Наименование | Номинальное напряжение, В |
Диапазоны номинальных емкостей, мкФ | Диапазон рабочих температур, °С | Срок службы, часы | Особенности |
| Yageo | LC | 160 | 270…2200 | -25…105 | 5000 | Большой срок службы; расширенный температурный диапазон |
| 180 | 270…1800 | |||||
| 200 | 220…1500 | |||||
| 250 | 150…1200 | |||||
| 315 | 82…680 | |||||
| 350 | 82…560 | |||||
| 400 | 68…470 | |||||
| 450 | 56…470 | |||||
| Samwha | HY | 160 | 270…1800 | -40…105 | 7000 | Большой срок службы; применение в промышленных источниках питания с высокой степенью надежности |
| 200 | 270…1500 | |||||
| 250 | 270…1200 | |||||
| 350 | 82…560 | -25…105 | ||||
| 400 | 56…470 | |||||
| 450 | 47…330 | |||||
| HL | 10 | 12000…56000 | -40…105 | 5000 | Большой срок службы | |
| 16 | 8200…47000 | |||||
| 25 | 5600…39000 | |||||
| 35 | 3300…22000 | |||||
| 50 | 1800…15000 | |||||
| 63 | 12000…10000 | |||||
| 80 | 820…5600 | |||||
| 100 | 680…3900 | |||||
| 160 | 220…1500 | |||||
| 200 | 150…1500 | |||||
| 250 | 120…1500 | |||||
| 350 | 56…560 | -25…105 | ||||
| 400 | 47…470 | |||||
| 450 | 56…390 | |||||
| Hitachi AIC | HP3 | 16 | 6800…100000 | -40…85 | 6000 | Большой срок службы; стандартное исполнение |
| 25 | 4700…33000 | |||||
| 35 | 3300…33000 | |||||
| 50 | 2200…15000 | |||||
| 63 | 1500…15000 | |||||
| 80 | 1000…12000 | |||||
| 100 | 1000…6800 | |||||
| 160 | 390…3300 | |||||
| 180 | 330…1800 | |||||
| 200 | 220…2700 | |||||
| 250 | 220…2200 | |||||
| 350 | 100…2200 | |||||
| 400 | 82…2100 | |||||
| 420 | 68…1500 | |||||
| 450 | 56…1600 | |||||
| 500 | 56…1200 | |||||
| HU3 | 16 | 4700…33000 | -40…105 | 6000 | Большой срок службы; стандартное исполнение; расширенный температурный диапазон | |
| 25 | 3300…33000 | |||||
| 35 | 2200…22000 | |||||
| 50 | 1500…15000 | |||||
| 63 | 1000…10000 | |||||
| 80 | 1000…6800 | |||||
| 100 | 560…4700 | |||||
| 160 | 330…1800 | |||||
| 180 | 270…1800 | |||||
| 200 | 220…2200 | |||||
| 250 | 220…2200 | |||||
| 350 | 82…1000 | |||||
| 400 | 68…1500 | |||||
| 420 | 47…470 | |||||
| 450 | 47…1300 | |||||
| 500 | 39…820 | |||||
| HL2 | 200 | 220…1500 | -40…105 | 12000 | Большой срок службы; компактные размеры | |
| 250 | 150…1500 | |||||
| 400 | 47…1000 | |||||
| 420 | 150…330 | |||||
| 450 | 47…470 | |||||
| 500 | 100…390 | |||||
| DH | 400 | 100…680 | -25…105 | 6000 | Большой срок службы; хорошие характеристики заряда/разряда | |
| 450 | 82…560 | |||||
| HU | 200 | 330…2200 | -40…105 | 6000 | Большой срок службы; компактные размеры | |
| 250 | 220…1800 | |||||
| 400 | 120…1000 | -25…105 | ||||
| 420 | 100…820 | |||||
| 450 | 100…820 |
Заключение
Алюминиевые электролитические конденсаторы с большим сроком службы и надежностью очень востребованы в современной радиоэлектронной аппаратуре. Разнообразие серий конденсаторов в сочетании с широким диапазоном значений номинальных емкостей и напряжений, а также со множеством вариантов габаритных размеров корпусов позволяет подобрать оптимальный компонент под требования определенного применения. Большая часть этих конденсаторов поставляется компанией КОМПЭЛ по весьма привлекательным ценам.
Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.
•••
Конденсаторы являются основными элементами, которые ограничивают долговечность электронных устройств. Хотя срок службы конденсатора зависит от электрических факторов и факторов окружающей среды, срок безопасного хранения зависит главным образом от условий, в которых он находится. Срок службы большинства конденсаторов зависит от таких факторов окружающей среды, как влажность, температура и атмосферное давление. Хранение конденсаторов в сложных условиях может существенно повлиять на их электрические свойства и даже полностью повредить их.
Влияние факторов окружающей среды на долговечность конденсаторов варьируется в зависимости от химического состава и конструкции данного элемента. Например алюминиевые электролитические конденсаторы очень чувствительны к таким факторам, особенно к высоким температурам.
Конденсаторы содержат химические материалы и воздействие на них высоких температур ускоряет реакции, происходящие в них. Предполагается, что в случае алюминиевых электролитических конденсаторов повышение температуры на 10C может даже удвоить их скорость. Постепенное испарение электролита, в то время как эти конденсаторы подвергаются воздействию высоких температур, вызывает уменьшение емкости и увеличение тангенса угла потерь.
Долговечность электролитических конденсаторов
Алюминиевые электролитические конденсаторы чаще всего используются в схемах, где требуются высокие значения емкости. Обычно применяются для фильтрации напряжения в источниках питания. Срок службы таких устройств и зависит в основном от этих конденсаторов.
Параметры которые изменяются когда эти конденсаторы хранятся в течение длительного времени без зарядки, представляют собой в основном эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), ток утечки и емкость. ЭПС и ток утечки увеличиваются, а емкость уменьшается. Тем не менее эти изменения обычно невелики если конденсаторы хранятся при комнатной температуре. Современные алюминиевые электролитические конденсаторы имеют более длительный срок хранения по сравнению с их предшественниками.
В случае электролитических конденсаторов изменения ESR, емкости и токи утечки в основном вызваны химической реакцией между слоем оксида алюминия и электролитом. Хранение этих конденсаторов при высоких температурах вызывает деградацию уплотнительного материала. Когда этот материал ослаблен, может произойти чрезмерное испарение электролита, что влияет на электрические характеристики конденсатора.
Изменения характеристик алюминиевых электролитических конденсаторов при длительном хранении также могут быть вызваны проникновением электролита в оксидную пленку. Это основная причина изменения тока утечки. Скорость ухудшения качества слоя оксида алюминия является функцией времени и температуры.
При хранении алюминиевых электролитических конденсаторов важно не подвергать их воздействию влаги. Высокая влажность ускоряет окисление выводов элемента, что ухудшает их паяемость. Помимо недостатка влаги, необходимо также обеспечить чтобы эти компоненты не подвергались воздействию ультрафиолета, озона, масла и ионизирующего излучения. Воздействие их на конденсаторы приводит к разрушению резиновых уплотнений. А ослабление торцевых уплотнений снижает общую надежность и ускоряет испарение электролита, в том числе это уменьшает их емкость.
Важно знать время хранения алюминиевых электролитических конденсаторов перед их использованием в устройстве. Поскольку ток утечки увеличивается с увеличением времени хранения, конденсатор, который хранился в течение длительного времени, может иметь большой ток утечки и, следовательно, не подходит для любого применения – большой ток, необходимый для восстановления пленки оксида алюминия, может повредить компонент. Это увеличение тока также может отрицательно повлиять на электронную схему.
Слой можно регенерировать путем подачи напряжения на компонент. Этот процесс восстановления поврежденного оксидного слоя конденсатора называется преобразованием конденсатора. Тем не менее рекомендуется вообще не использовать конденсаторы, которые хранились в течение длительного времени.
Долговечность танталовых конденсаторов
Танталовые конденсаторы имеют более длительный срок хранения. Электрические параметры этих конденсаторов существенно не меняются при долгом хранении. В отличие от алюминиевых электролитических конденсаторов, танталовые обладают более высокой стабильностью и их емкость не ухудшается со временем.
Многочисленные исследования показали что такие конденсаторы можно хранить в течение длительного периода времени с небольшими изменениями электрических характеристик или вообще без них. Тем не менее имеется небольшое изменение тока утечки, когда танталовый конденсатор хранится в неблагоприятных условиях.
Хранение танталовых конденсаторов при высоких температурах может вызвать значительное изменение этого тока, но нормальный ток утечки восстанавливается когда напряжение подается на компонент в течение короткого времени. Небольшие изменения или отсутствие изменений тока утечки замечены, когда эти конденсаторы хранятся при низких температурах. При хранении танталовых конденсаторов рекомендуется следовать инструкциям производителя.
Долговечность керамических конденсаторов
Срок годности керамических конденсаторов во многом определяется условиями упаковки и хранения. В отличие от алюминиевых электролитических конденсаторов, диэлектрический материал многослойных керамических конденсаторов (MLCC) не имеет никаких недостатков, если конденсатор хранится в течение короткого времени. Однако длительное хранение многослойных конденсаторов для сборки SMD может вызвать старение диэлектриков (диэлектрики класса II) и проблемы с пайкой, что затрудняет автоматическую сборку.
Когда керамические конденсаторы хранятся в течение длительного времени, медленный процесс окисления может привести к деградации их выводов. Хранение керамического конденсатора на открытом воздухе или воздействие на него хлора или диоксида серы ускоряет процесс окисления. Конечное окисление влияет на паяемость конденсаторов.
Емкость керамических конденсаторов изготовленных из диэлектриков класса II, таких как X7R, Z5U и Y5U, со временем несколько уменьшается. Это падение емкости из-за старения элемента является функцией времени и не зависит от условий хранения. Чтобы обратить вспять процесс старения диэлектрик нагревают до температуры выше точки Кюри.
Керамические конденсаторы следует хранить в условиях температуры и влажности указанных производителем. Перед использованием конденсатора проверьте рекомендуемый срок службы, дату получения и проверьте качество его выводов.
Подведем итоги
Для большинства конденсаторов срок хранения зависит от условий. Электрические характеристики хранимых конденсаторов меняются в основном в зависимости от этих условий, в частности от температуры и влажности.
Для некоторых конденсаторов, таких как алюминиевые электролитические, температура хранения определяет скорость химических реакций происходящих в компоненте – такие конденсаторы, хранящиеся при высоких температурах теряют свою емкость быстрее чем конденсаторы, хранящиеся при низких температурах. Некоторые конденсаторы необходимо переформировать после длительного хранения без подзарядки.
29 Дек 2017
Автор статьи
(Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №3 2014)
Скачать статью в формате PDF (508 КБ)
В статье рассматриваются вопросы, связанные с особенностями конструкции и применения электролитических конденсаторов различных типов, в частности приведена методика расчета времени наработки до отказа (MTTF) электролитических конденсаторов в зависимости от реальных условий их применения.
Кроме привычных всем электрических характеристик, каждое изделие радиоэлектроники (РЭА) обладает таким специфическим свойством, как надежность. В общем понимании надежность – это свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность изделия в целом определяется характеристиками надежности входящих в него элементов, а именно интенсивностью их отказов. Надежность изделия, если его рассматривать как последовательность элементов, можно охарактеризовать интенсивностью отказов системы, сведенной к эквивалентному элементу с интенсивностью отказов, равной λ0. В этом случае мы имеем:
где λi – интенсивность отказов i-го элемента; n – общее количество последовательных элементов.
Рис. 1. Кривая интенсивности отказов [3]: a – начальный период отказов, вызванный несовершенством конструкции и ошибками при производстве (фактически это производственный брак; партии таких элементов отсеиваются при стрессовых испытаниях и выборочном контроле); b – горизонтальная часть кривой, это период, когда вероятность отказа пример-но постоянна (длительность этого периода и есть собственно MTTF, но производитель для страховки в спецификации часто указывает половину этого времени); c – после окончания срока MTTF кривая демонстрирует увеличение вероятности отказов (имеется в виду не только отказ элемента как таковой, но и отклонение параметров изделия от заявленных; это увеличение вероятности отказа обусловлено тем, что элемент достигает своего жизненного предела из-за конструктивных особенностей, например из-за примененных материалов или технологии изготовления, то есть наступает его технологический износ).
В современных спецификациях параметр надежности элемента, который не поддается ремонту, будет представлен не интенсивностью отказов λi, его наработкой до отказа – то есть наработкой от начала эксплуатации до возникновения первого отказа – MTTF (Mean (operating) time to failures – «среднее время до отказа»). Параметры λi и MTTF=Ti, взаимосвязаны Ti=1/ λi. Но здесь нужна одна оговорка: эта формула справедлива в устоявшемся режиме, когда время начальной повышенной интенсивности отказов прошло, а время конечной повышенной интенсивности отказов не наступило. Как известно из теории надежности, кривая отказов имеет вид, приведенный на рис. 1.
Как видно из вышеприведенной формулы, интенсивность отказов системы будет определяться интенсивностью отказов элементов с самыми малыми временами MTTF. Какой же из элементов может быть наиболее критическим? Сейчас мы видим резкий рост надежности полупроводников и большинства пассивных элементов, значительно улучшилось качество и, как следствие, надежность пайки, хотя тут появились искусственные проблемы [1]. Анализ показывает, что в современной аппаратуре на одно из определяющих общую надежность изделия мест вышли электролитические конденсаторы. Конечно, современные электролитические конденсаторы – это уже далеко не те чудеса советской промышленности типа незабываемых К50-6 ереванского завода «Нейрон». Сейчас это достаточно надежные элементы, но все же в этом качестве они уступают, причем значительно, не только обычным конденсаторам и резисторам, но и полупроводниковым приборам. При сопоставимых условиях эксплуатации электролитические конденсаторы имеют разный ресурс, который определяется их конструктивными особенностями. Но самые распространенные в настоящее время недорогие алюминиевые электролитические конденсаторы при температуре +85 °С имеют ресурс от 2000 до 5000 ч работы. Конечно, есть и более надежные электролитические конденсаторы: алюминиевые, с максимальной рабочей температурой в +105 °С; танталовые – типовое MTTF 100 000 ч; ниобиевые с MTTF от 200 000 до 500 000 ч.
Но здесь возникает вопрос цены по отношению к емкости конденсатора и общей целесообразности.
Действительно, нет смысла в недорогие устройства с коротким жизненным циклом ставить сверхнадежные и, следовательно, сверхдорогие конденсаторы. Скорость смены поколений аппаратуры сейчас высока как никогда, и большинство изделий электроники максимум через три – пять лет окажется на свалке, так как будет заменено потребителями изделиями нового поколения. Пример тому – огромные скопившиеся, несмотря на все маркетинговые ухищрения, запасы морально устаревших и потому нераспроданных телевизоров, позиционировавшихся как HD ready, компьютеров, ноутбуков и мобильных телефонов. Кстати, по некоторым данным, непроданные запасы мобильников составляли в 2013 году уже 800 млн. Вот почему, в частности, на материнских платах компьютеров широкого применения уже не встретишь ниобиевые конденсаторы, столь популярные в этих устройствах еще 15 лет назад. А вот доля использования алюминиевых конденсаторов, несмотря на их более низкую надежность, повышается.
Рис. 2. Два электролитических конденсатора 1930-х годов (8 мкФ, 525 В) (источник: Ozguy89, English language Wikipedia)
Что же представляет собой электролитический конденсатор и каковы его параметры, которые оказывают влияние на его надежность? История электролитических конденсаторов началась с открытия в 1896 году принципа его работы, сделанного «польским Эдисоном» Каролем Поллаком (Karol Pollak), а первый патент на электролитический конденсатор на основе алюминиевой фольги и тетрабората натрия был получен уже в 1897 году. Но наибольшее свое развитие электролитические конденсаторы получили уже в XX веке (рис. 2) с развитием сначала радиотехнической, а потом и электронной отрасли промышленности, для которых они стали незаменимым и широко используемым компонентом. Принцип работы, первоначально положенный в основу электролитического конденсатора, остался неизменным. Он заключается в использовании двух электродов (анода и катода), разделенных тонким непроводящим электрический ток оксидным слоем. Для обеспечения минимального расстояния между обкладками конденсатора применялся токопроводящий электролит. Отсюда и их название, хотя в конструкции ряда современных конденсаторов сам принцип работы остался, но жидкого электролита уже нет. Именно из-за малой толщины оксидного слоя и достигается большая удельная емкость конденсатора, и именно это является одним из его слабых мест.
В некоторых типах конденсаторов в качестве электродов предусмотрена алюминиевая фольга (катаная или чаще пористая). В других конденсаторах, для увеличения их удельной емкости, анод выполняется объемно-пористым из спрессованного под действием высокой температуры металлического порошка. Пористые аноды имеют большую активную поверхность и, следовательно, обеспечивают большую удельную емкость конденсатора, они более технологичны, но и дороже, чем ленточные фольговые.
Как уже отмечалось, для обеспечения максимально близкой электрической связи между обкладками конденсатора используется электролит (рис. 3).
Рис. 3. Варианты исполнения алюминиевых электролитических конденсаторов [3]
Это второе слабое место, поскольку из-за нарушения герметизации (самая частая проблема «советских» конденсаторов) происходит высыхание устройства, эффективное расстояние между катодом и анодом увеличивается, а емкость конденсатора резко падает.
От этого недостатка свободны «сухие» электролитические конденсаторы с вязким электролитом и твердотельные электролитические конденсаторы с полимерным диэлектриком. Последние представляют собой твердотельные конденсаторы, в которых вместо традиционного жидкого электролита применяется специальное органическое вещество – токопроводящий полимер или полимеризованный органический полупроводник (рис. 4).
Рис. 4. Конденсатор с твердым электролитом
Еще есть оксидно-полупроводниковые конденсаторы – в них электроды разделены токопроводящим оксидом марганца. Различаются конденсаторы и по материалу анода, для которого кроме наиболее часто используемого алюминия применяются тантал, реже ниобий, активированный уголь или углеродные нанотрубки. Отдельной группой электролитических конденсаторов являются ионисторы, или суперконденсаторы, чья емкость измеряется уже в сотнях и тысячах фарад.
Это двухслойные электрохимические конденсаторы, представляющие собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Ведутся также работы по созданию суперконденсаторов на основе графена, которые будут иметь удельную энергетическую емкость, соизмеримую с аккумуляторами.
Для максимального удовлетворения требований проектировщиков РЭА электролитические конденсаторы выпускаются в самых разнообразных конструктивных исполнениях. Доступны электролитические конденсаторы:
- цилиндрические (обычно это алюминиевые конденсаторы);
- в форме параллелепипеда (на техническом жаргоне – прямоугольные, чаще это танталовые и полимерные конденсаторы);
- с однонаправленными и радиальными выводами;
- в каплевидном корпусе (танталовые и ниобиевые); безвыводные для монтажа на поверхность (SMD, surface-mount device);
- дисковые с установкой в держатели (обычно это касается ионисторов);
- с винтовыми выводами (обычно это высоковольтные или мощные конденсаторы большой емкости и др.)
Область применения электролитических конденсаторов обширна. Трудно найти электронное, радиотехническое или электротехническое оборудование, где они не используются.
Первоначально электролитические конденсаторы применялись в телеграфии и в качестве пусковых конденсаторов однофазных двигателей переменного тока, хотя большинство электролитических конденсаторов предназначено исключительно для цепей постоянного или пульсирующего тока. Сейчас существует три основных области применения электролитических конденсаторов:
- Использование в цепях питания. Их назначение: быстрое (в отличие от аккумуляторов) накопление некоторого количества энергии с последующей ее отдачей в течение определенного времени, предотвращение просадок в цепях питающего напряжения, фильтрация и подавление помех. Здесь находят применение все типы электролитических конденсаторов, но танталовые предпочтительнее для импульсных источников питания ввиду их более высоких рабочих частот, кроме того, тут важную роль играет такая характеристика конденсаторов, как ESR.
- Разделительные конденсаторы в сигнальных цепях. Их задача – выделение переменной составляющей из исходного сигнала с некоторым уровнем смещения по постоянному напряжению. Здесь в основном применяются алюминиевые конденсаторы, так как они обладают самоэкранированием, вследствие чего менее подвержены влиянию внешних электромагнитных помех. Кроме того, они обладают и меньшим уровнем собственных шумов по отношению к другим типам электролитических конденсаторов. Хотя в некоторых источниках и есть указание на свойственный им увеличенный уровень шумов типа 1/f, это не совсем так.Это относится к старым, еще советским конденсаторам, и то по причине их низкого качества.
- Использование электролитических конденсаторов в качестве частотозадающих элементов в низкочастотных и особенно инфранизкочастотных генераторах, а также в качестве времязадающих элементов таймеров с длительными интервалами времени. Здесь предпочтительнее конденсаторы с малыми токами утечки. А вот в таких устройствах, как низкочастотные фильтры выше второго порядка, электролитические конденсаторы практически не применяются. Причина – присущие им большие отклонения от номинального значения, обычно ±20% и более, и деградация емкости от времени наработки, обусловленные технологией изготовления и особенностями конструкции (рис. 5).
Рис. 5. График деградации емкости электролитических алюминиевых конденсаторов [3]
Комментарий специалиста
Комментарий специалистаОльга Синякова, руководитель департамента пассивных компонентов PT Electronics, olga.sinyakova@ptelectronics.ru
Компания PT Electronics предлагает к поставке продукцию тайваньского производителя ТЕАРО, который специализируется на производстве только алюминиевых и полимерных конденсаторов. Узкая специализация и многолетний опыт работы позволяет предлагать своим клиентам широкий спектр конденсаторов стандартных серий и под заказ, а также оказывать всестороннюю техническую поддержку.
Область применения большинства электролитических конденсаторов ограничивается частотами до 150 кГц. Это связано с особенностями их конструкции. К тому же более высокие частоты, как правило, не требуют конденсаторов столь больших емкостей. Основная причина, ограничивающая использование электролитических конденсаторов, – то, что полное сопротивление не является чисто емкостным, а носит комплексный характер. Упрощенная эквивалентная схема конденсатора показана на рис. 6.
Рис. 6. Упрощенная эквивалентная схема конденсатора: С – емкость, Ф; R – эквивалентное последовательное сопротивление, Ом; L – эквивалентная последовательная индуктивность, Гн
Рис. 7. График увеличения потерь в электролитических алюминиевых конденсаторах [3]
Поскольку для большинства современных конденсаторов индуктивная составляющая на их рабочих частотах ничтожно мала (особенно у танталовых [2]) и составляет наногенри, то импеданс обычно определяется выражением:
Сопротивление, входящее в формулу, называется ЭПС – эквивалентное последовательное сопротивление, или, как это принято в современной технической литературе и большинстве спецификаций, ESR (Equivalent Series Resistance). Величина ESR в зависимости от типа конденсатораи его емкости может достигать величин от миллиом (для полимерных танталовых электролитических конденсаторов типа Low-ESR) до десятков Ом для дешевых алюминиевых электролитических конденсаторов малой емкости.
Как и для всех конденсаторов, основным параметром электролитических конденсаторов является их емкость. Кроме емкости, электролитические конденсаторы характеризуются номинальным рабочим напряжением, током утечки, максимальной рабочей частотой, диапазоном рабочих температур, тангенсом угла потерь (увеличивается пропорционально времени наработки) и упомянутым выше ESR. Тангенс угла потери и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление, Ом) связаны между собой выражением:
где ESC (Equivalent Series Capacitance) – емкость, Ф; f – частота, Гц.
Необходимо учитывать, что ESR имеет зависимость от температуры, частоты и наработки. Эта зависимость разная для разных типов конденсаторов. Как правило, при уменьшении температуры ESR увеличивается, при увеличении частоты – асимптотически уменьшается до некоторого предельного значения. Увеличение ESR приводит к повышению рассеиваемой мощности конденсатором, повышению его внутренней температуры и деградации параметров. График, показывающий изменение тангенса угла потерь для типовых алюминиевых электролитических конденсаторов, показан на рис. 7. Для получения большей информации обратитесь к каталогу [3].
Важным условием для правильного использования электролитических конденсаторов и обеспечения заданной надежности является соблюдение нескольких простых правил. Во-первых, все электролитические конденсаторы, предназначенные для работы в цепях постоянного тока, как полярные, так и неполярные, требуют обязательного наличия поляризующего напряжения. Игнорирование этого фактора – характерная ошибка даже опытных разработчиков, пример приведен в [4]. Отсутствие или недостаток поляризующего напряжения приводит не только к сокращению срока службы, это может вызвать короткое замыкание из-за разрушения изолирующего оксидного слоя и отказ конденсатора. Допустимый уровень пульсаций или допустимая величина переменного напряжения по отношению к напряжению поляризации определяются по спецификации для каждого конкретного применения. Необходимо учитывать, что большинство электролитических конденсаторов не предназначено для работы в условиях постоянно повторяющихся полных циклов заряда-разряда. Еще одна тонкость в использовании электролитических конденсаторов заключается в том, что после длительного хранения электролитических конденсаторов для восстановления их параметров может потребоваться «насильственная» поляризация номинальным напряжением от внешнего источника напряжения перед их установкой на печатную плату. Автор статьи столкнулся с этим на практике, когда вдруг частота внутреннего генератора у новой партии отлаженных серийных изделий резко изменилась. Причина была устранена именно кратковременной электротренировкой электролитических танталовых конденсаторов, которые долго хранились на складе. И, как уже отмечалось, крайне важно учитывать условия эксплуатации, а именно температуру. Здесь требуется уточнение: частой ошибкой разработчиков является неправильный учет такого параметра, как температура окружающей среды. Для элемента «окружающей средой» будет именно та среда, в которой он находится в данной конструкции, а не та среда, в которой эксплуатируется оборудование, поэтому элемент, а в рассматриваемом случае это электролитический конденсатор, может нагреваться от рядом расположенных элементов (рис. 
[5].
Рис. 8. Факторы, влияющие на нагрев конденсатора: 1 – фактор тепловодности (передача тепла по проводнику печатной платы); 2 – влияние инфракрасного излучения от рядом расположенных нагретых элементов; 3 – нагрев элемента из-за внутренних потерь мощности на собственном сопротивлении конденсатора (мощность потерь для переменной составляющей определяется как I2R, а для постоянной составляющей – IR)
Что касается такой важной характеристики, как надежность, здесь нельзя слепо копировать указанный в спецификации MTTF, а нужно (как уже отмечалось) оценивать этот параметр в каждом конкретном применении. Такой подход не является чем-то новым и необычным. Еще в 80-х годах прошлого столетия тогда еще в ленинградском ВНИИРПА им. А. С. Попова были проведены работы по повышению надежности бытовой радиоаппаратуры, основной итог которых – введение понятия «эксплуатационная наработка на отказ» [6]. До этого оценка времени безотказной работы ограничивалась простым учетом ряда коэффициентов нагрузки элементов. В руки разработчиков была дана методика, позволяющая более точно оценить время безотказной работы устройства на этапе проектирования и принять меры по его повышению. Автор статьи принимал участие в этих работах в части уточнения методики и ее внедрении.
В [5] приведена усовершенствованная методика оценки влияния на надежность условий эксплуатации именно для наименее надежных в современной аппаратуре элементов – электролитических конденсаторов. Предлагается рассматривать проблему комплексно – по нескольким основным формулам вычисления срока службы. При расчетах необходимо принимать во внимание, что максимальный срок службы в любом случае будет ограничен 15 годами (что составляет 131 400 ч). Причина – деградация изоляционных материалов. Следующая формула позволяет провести оценку срока службы в зависимости от нагрузки конденсатора [5]:
где ΔTx = ΔT0 х (Ix/I0)2, если Ix > I0, то K = 4; если Ix ≤ I0, то K = 2; Lx– расчетный срок службы при фактической рабочей температуре, ч; L0 – срок службы при максимально допустимой рабочей температуре, ч; T0– максимально допустимая рабочая температура, °С; Tx – фактическая температура окружающей среды, °С; ΔT0 ≤ 5°С – максимально допустимое повышение температуры применительно к I0; Ix– фактический ток пульсаций на рабочей частоте f0, мА; I0 – расчетный максимальный допустимый ток пульсаций, умноженный на коэффициент частоты, по отношению к частоте f0, А. Для расчета тока пульсаций поправка на коэффициент, учитывающий температуру, не требуется.
Примечание. Во всех приведенных формулах значение тока и напряжения, кроме случаев, оговоренных особо, понимается как среднеквадратическое.
В качестве примера выполним расчет ожидаемого срока службы для миниатюрных конденсаторов общего применения серии SH [3]. Расчет приведен в таблице 1.
Таблица 1. Пример расчета ожидаемого срока службы
Из приведенного расчета видно, что уменьшение температуры окружающей конденсатор среды всего на 10 °С при прочих равных условиях приводит к двукратному повышению расчетного срока службы.
Как известно, большие амплитуды пульсаций тока сокращают срок службы электролитических конденсаторов [7]. Здесь сказывается влияние ESR. Следующая формула позволяет провести оценку срока службы в зависимости от уровня тока пульсаций конденсатора [5]:
где Lr – срок службы в режиме пульсаций тока при максимально допустимой рабочей температуре, ч.
В качестве примера выполним расчет ожидаемого срока службы для низкоимпедансного конденсатора с увеличенным сроком службы серии SY [3]. Расчет приведен в таблице 2.
Таблица 2. Пример расчета ожидаемого срока службы в режиме пульсаций тока
Для конденсаторов с номинальным рабочим напряжением от 160 В и выше формула имеет несколько иной вид:
где V0 – номинальное рабочее напряжение, В; Vx– фактическое напряжение, В.
Примечание. Vx должно быть не менее чем 80% от V0.
В качестве примера выполним расчет ожидаемого срока службы для конденсатора общего применения серии LG [3]. Расчет приведен в таблице 3.
Таблица 3. Пример расчета ожидаемого срока службы высоковольтного конденсатора в режиме пульсаций тока
Вышеприведенные формулы описывали наработку на отказ для электролитических конденсаторов с жидким электролитом, для твердотельных полимерных конденсаторов формулы расчета иные [5]. В общем случае используются две упрощенные формулы:
где Lx – расчетный срок службы при фактической рабочей температуре, ч; Le – фактический срок службы при указанной в спецификации рабочей температуре, ч; B– температурный фактор (=2); T0 – максимальная рабочая температура, °С; Tx – фактическая температура окружающей среды, °С; ΔTx – повышение температуры под действием пульсаций тока, °С; ΔT0 – повышение температуры конденсатора на максимальном токе пульсаций при определенной в спецификации температуре (20 °С); Ix– фактический ток пульсаций, A; I0 – максимально допустимый ток пульсаций, A.
В качестве примера выполним расчет ожидаемого срока службы для конденсаторов серии CG компании TEAPO. Расчет приведен в таблице 4.
Таблица 4. Пример расчета ожидаемого срока службы твердотельного конденсатора по формулам (1) и (2)
Как можно видеть, разница в расчетах незначительная, но формула (2) несравненно проще, хотя и дает заниженный результат.
Что дает предложенная методика?
Она предоставляет инженеру-разработчику инструмент, позволяющий оценить не только надежность своего будущего изделия на ранних этапах проектирования (еще на этапе НИОКР) в реальных условиях его эксплуатации, но и избежать убытков заказчика при реализации изделий. Причем не только от недостаточной надежности, а и от избыточной. Поясню. Что советская школа требовала от инженера-разработчика? Одним из основных требований было повышение и повышение надежности. А что реально требуют современные рыночные условия? Позвольте высказать крамольное утверждение: рыночные условия требуют обеспечения той надежности, которая является целесообразной, и не более. Что имеется в виду? Естественно, что для некоторых групп изделий, таких как аэрокосмическая техника, медицинское оборудование для поддержания жизни, оборудование для систем коммуникации, действительно необходимы высокие показатели надежности. От этого оборудования зависит жизнь людей. Здесь определение наработки на отказ является важным фактором для определения времени проведения регламентных работ, замены частей или изделий в целом, не дожидаясь их отказа. А что нужно для рынка изделий широкого применения, которым свойственна быстрая смена поколений? Здесь затраты на максимальное повышение надежности не то что не оправданны, они просто недопустимы, так как приводят не только к увеличению прямых затрат, но и к упущению экономической выгоды. Мало того, что применение элементов с повышенной надежностью предполагает удорожание изделия и, следовательно, снижение его конкурентоспособности, но и упущение выгоды из-за сокращения продаж новых изделий, изготовленных на его замену. Или вы хотите, чтобы ваши изделия пополнили те миллионы непроданных телевизоров и мобильных телефонов, о которых упомянуто в начале статьи? Есть в украинском языке часто используемая заимствованная польская пословица: «Що занадто, то не здраво», аналогичная нашей «Все хорошо, что в меру». Это касается и переизбытка надежности для аппаратуры широкого применения. Современный, умеющий считать деньги заказчик должен требовать от разработчика обеспечить не максимальную, а именно заданную разумную надежность изделия при его проектировании и исходя из этого планировать выпуск изделий и их продажу. Вот здесь предложенная компанией TEAPO удобная методика определения срока службы элементов и становится незаменимой – грамотный специалист легко сделает переход от показателей надежности компонентов к характеристикам надежности изделия в целом.
Важные замечания по вопросам использования электролитических конденсаторов, которые будут весьма полезны разработчикам РЭА, приведены в [3, 5].
Автор статьи благодарит компанию TEAPO за предоставленную информацию.
Компания TEAPO – стратегический партнер Yageo, специализированный тайваньский производитель электролитических и полимерных конденсаторов, имеющий сертификаты ISO и TS14969 (для автомобильной промышленности).
Литература
- Рентюк В. RoHS-директива защита экологии или рынков? // Технологии в электронной промышленности. 2013. № 5.
- Моравик С., Зедничек Т. Сравнение характеристик танталовых и алюминиевых конденсаторов // Компоненты и технологии. 2000. № 8.
- http://www.teapo.com/WebSiteFile/Download/Catalog.pdf
- Рентюк В. Проектирование активных фильтров в системе WEBENCH Designer Center // Компоненты и технологии. 2014. № 2.
- Aluminum Electrolytic Capacitor Introduction of Life Calculation Formula // TEAPO. February, 2014.
- Справочный материал НИР «Надежность-84» ВНИИРПА им. А. С. Попова: Руководитель Дементьев В. В., № Гос. рег. У97903. Ленинград, 1984.
- Mirsky G. Determining end-oflife, ESR, and lifetime calculations for electrolytic capacitors at higher temperatures // EDN. August 20, 2008
Перевод.
Автор:Гэри Бокок.
Оригинал статьи: https://www.xppower.com/resources/blog/electrolytic-capacitor-lifetime-in-power-supplies
Срок службы, заявленный производителем важен, но не менее важны условия эксплуатации и конкретное применение источника питания.
Обзор:
Электролитические конденсаторы в источниках питания переменного и постоянного тока имеют ограниченный срок службы.
Производители предоставляют вероятностную (расчетную) оценку долговечности, чтобы помочь покупателям выбрать наиболее подходящее решение.
Наш технический директор Гэри Бокок (Gary Bocock) резюмирует расчеты производителя и рекомендует дополнительную проверку параметров эксплуатации в процессе работы.
Электролитические конденсаторы являются важным компонентом источников питания. Они накапливают в себе большой заряд (СxU). У них малое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) при небольших размерах корпуса. Сейчас электролитические конденсаторы вне конкуренции по соотношению характеристики/цена.
Срок службы блока питания
Срок службы электролитических конденсаторов становится все более значимым параметром при проектировании источников питания. Требования к удельной мощности растут, и электролитические конденсаторы являются единственным изнашиваемым компонентом источника питания. То есть тип используемого в конструкции электролитического конденсатора определяет срок службы блока питания, а следовательно и срок службы или интервал обслуживания конечного оборудования.
Величина пульсирующих токов, топология печатной платы, расчетный срок службы конденсатора, номинальная температура конденсатора и эффект местного нагрева варьируются от одного изделия к другому. К этому добавляется изменение характеристик от значения входного напряжения или питания.
Эффекты внешнего нагрева могут перевесить эффекты внутреннего нагрева, особенно в современных компактных конструкциях. Фактический срок службы также зависит от повышения температуры эксплуатации, которое может произойти при установке источника питания в конечном изделии. Режим работы конечного оборудования — еще один фактор, определяющий среднюю рабочую температуру в течение срока службы и количество часов использования в день.
Разработчики электролитических конденсаторов учитывают все эти факторы при определении срока службы своей продукции. Давайте посмотрим, с какими расчетами они работают.
Расчетный срок службы при номинальной температуре
Производители электролитических конденсаторов указывают расчетный срок службы для максимальной номинальной температуры окружающей среды, обычно 105°C. Этот расчетный срок службы обычно варьируется от 1000 до 10 000 часов и более. Чем больше расчетный срок службы, тем дольше прослужит компонент при данном применении и температуре окружающей среды.
Производители предоставляют расчеты для определения срока службы в конечном изделии. Они основаны на уравнении Аррениуса для температурной зависимости скорости реакции. Скорость реакции удваивается на каждые 10 °C повышения температуры. Это означает, что срок службы удваивается на каждые 10 °C снижения температуры, поэтому конденсатор, рассчитанный на 5000 часов при 105 °C, будет иметь срок службы 10 000 часов при 95 °C и 20 000 часов при 85 °C.
Основное уравнение приведено ниже. Кривая отображает зависимость срока службы от температуры окружающей среды.
L— срок службы
L0 — Расчетный срок службы при номинальной температуре
Tmax — номинальная температура
Ta — окружающая температура.
Пульсирующий ток и частота преобразования.
Помимо температуры окружающей среды и эффектов местного нагрева, приложенные токи пульсации дополнительно нагревают «внутренности» конденсатора. Процессы переключения и выпрямления на входном и выходном каскадах источника питания создают токи пульсации. Величина и частота этих токов пульсаций зависят от используемой схемы преобразования, разработанной для активной коррекции коэффициента мощности (PFC), где она используется. Они также зависят от силового каскада главного преобразователя. Мощность, рассеиваемая внутри конденсатора, определяется среднеквадратичным током пульсаций и ESR конденсатора на приложенной частоте.
Повышение температуры сердцевины компонента связано с рассеиваемой мощностью, коэффициентом тепловой передачи. Эти значения указываются производителем конденсаторов.
Максимальный ток пульсаций, который может быть применен к конденсатору, обычно указывается при максимальной температуре окружающей среды и частоте 100/120 Гц. Поправочные коэффициенты могут применяться в зависимости от температуры окружающей среды при фактическом использовании и частоты пульсирующего тока: с увеличением частоты, ESR становится меньше (подробности — см здесь)
Преимущество систем охлаждения
Закрытые блоки питания с собственными охлаждающими вентиляторами менее восприимчивы к окружающей температуре. Температура окружающей среды должна оставаться в пределах указанной в спецификации. Кроме того должно быть достаточное пространство для прохождения охлаждающего воздуха.
В таблице ниже указан расчетный срок службы конденсаторов с расчетным сроком службы 2 000 и 5 000 часов при различных температурах. Он предполагает работу в режиме 24/7 при переводе часов работы в годы эксплуатации. Оборудование с менее интенсивным профилем работы- например, восемь-десять часов в день, работающее пять дней в неделю — будет иметь значительно более длительный срок службы.
Прочие факторы, влияющие на срок службы.
Производители источников питания применяют правила снижения проектных характеристик, чтобы обеспечить достаточный срок службы изделия.
Но не могут знать какой будет режим работы, окружающая среда, расположение при установке, окружающее пространство, приложенная нагрузка, качество охлаждения или вентиляции системы после того, как источник питания будет установлен в конечном оборудовании.
Срок службы конденсатора, особенно в условиях конвективного или естественного охлаждения, следует дополнительно оценивать в каждом конкретном случае. Измерять пульсирующие токи непрактично, но измерение эффективной рабочей температуры даст точную оценку срока службы. Также можно измерить температуру корпуса и применить уравнение Аррениуса и профиль работы к базовому сроку службы, указанному производителем компонента.
На приведенном ниже чертеже указаны конденсаторы, а кривые показывают ожидаемый срок службы источника питания в зависимости от температуры двух конденсаторов (C6 и C23).
Во многих технических паспортах источников питания XP Power, например для серии GCS (см разделы Thermal Considerations и Service Life в конце даташита), указаны ключевые компоненты, определяющие срок службы продукта. Сюда входят те, которым требуется оконечное оборудование для обеспечения внешнего охлаждения, и те, которые предназначены для систем с конвекционным охлаждением. Эта информация, наряду с данными об операционной среде приложения, помогает разработчикам системы более точно определять срок службы источника питания в конечном приложении.
РЕЗЮМЕ: для точного прогнозирования срока службы источника питания важно оценить его условия работы в вашем конкретном случае. Для этого необходимы результаты замера температур критичных компонентов, данные предоставленные производителем источника питания, режим работы в конечном изделии.
Полезным будет и руководство по источникам питания — независимо от того, разрабатываете ли вы источник питания переменного тока в постоянный или преобразователь постоянного тока в постоянный. Вся нужная информация содержится в одном простом справочнике.
Компания ФОРМПОСТ (Formpost LLC) — официальный дистрибьютор XP Power.
Jianghai Capacitor Сo. была основана более полувека назад в г. Нантонг (Китай) и в 1970 г. приступила к выпуску электролитических конденсаторов. С тех пор производственные мощности компании выросли более чем в три раза, а количество занятых в производстве сотрудников превысило 1100 человек. Jianghai Capacitor Сo. располагает передовыми технологиями производства различных конденсаторов, в том числе полимерных типов, а также с увеличенным ресурсом и сроком эксплуатации. Отдельно стоит упомянуть конденсаторы с расширенным диапазоном рабочей температуры — до –55 °С, часто востребованные российскими разработчиками аппаратуры для холодного и умереннохолодного климата. Высокий уровень качества продукции Jianghai Capacitor Сo. подтвержден сертификатами ISO9001, ISO1401, QS9000, UL94, ISO TS16949.
Модель ESR-эквивалентного последовательного сопротивления электролитических конденсаторов
В основе модели для расчета потерь в электролитическом конденсаторе лежит понятие ESR-эквивалентного последовательного сопротивления (рис. 1).
Рис. 1. Эквивалентная схема электролитического конденсатора
В схеме на рис. 1 помимо ESR присутствуют эквивалентная последовательная индуктивность ESL, сопротивление утечки Rl и идеальная емкость C. В данной статье мы рассмотрим подробно только ESR и определяющие его параметры. Значение ESR определяется тремя переменными:
где R0 — константа, определяемая сопротивлением пленки и внутренних соединений (обычно порядка 10 мОм); Rd = Dox/(2πfC) — составляющая, зависящая от частоты, где Dox — фактор диэлектрических потерь диэлектрика; f — частота; C — емкость конденсатора.
Рис. 2. Зависимость ESR от частоты и температуры
Появление потерь, зависящих от частоты, обусловлено наличием тонкого слоя диэлектрика между двумя обкладками (рис. 2). Данная величина особенно значима для высоковольтных электролитических конденсаторов, в которых используется особенно толстый слой диэлектрика (типовое значение — 1,4 нм/В). Типовое значение Dox ~ 0,06–0,1. Потери, зависимые от температуры, определяются типом применяемого электролита и бумажной «вставки». Для оценки данной составляющей сопротивления можно применять формулу:
где для электролитов на базе этиленгликоля А = 40, В = 0,6.
Компания Jianghai указывает в документации не только типовое значение ESR, но и максимальные значения, которые должны использоваться при первичном выборе конденсатора для обеспечения высоких требований к надежности разрабатываемых изделий.
Импульсные токи
В большинстве приложений, связанных с преобразованием электрической энергии, возникают всплески перенапряжения, приводящие к импульсам тока и внутреннему нагреву конденсатора. Обычно для их оценки оперируют среднеквадратичными значениями токов (RMS).
где Ia — суммарный ток (RMS); If1…Ifn — значения тока на частотах f1…fn; Ff1…Ffn — фактор корректировки тока на различных частотах.
где f0 — основная частота броска тока.
Фактор корректировки напрямую связан с зависимостью ESR от частоты. Его значения, наравне со значениями ESR, для простоты оценки приводятся в документации Jianghai в виде таблиц, в зависимости от частоты. В дополнение, поскольку фактор корректировки и ESR связаны с рабочим напряжением, в документации приводятся также таблицы зависимости фактора корректировки от напряжения.
Нагрев конденсатора во время эксплуатации
Во время эксплуатации конденсатора температура внутри него увеличивается по отношению к температуре снаружи, что приводит к необходимости рассеивания тепловой энергии во внешнем пространстве. Основной механизм охлаждения электролитических конденсаторов — излучение тепла в окружающую среду и конвекция, естественная или с принудительным обдувом (рис. 3). Для конденсаторов с большим размером колбы излучение тепла (radiation), как правило, более эффективно, чем естественная конвекция. Эффективность излучения тепла в инфракрасном спектре во внешнюю среду зависит от типа материала поверхности конденсатора: так, конденсатор с изоляционной «рубашкой» имеет коэффициент эмиссии тепла ε = 0,85, в то время как конденсатор без изоляции — лишь ε = 0,40 [5].
Рис. 3. Типы охлаждающих процессов
Формула расчета мощности излучения тепла во внешнюю среду по закону Стефана-Больцмана:
где ε = 0,85 — коэффициент эмиссии; σ = 5,67×10–8 (Вт/(м2K4)) — постоянная Стефана-Больцмана; A — площадь поверхности конденсатора без основания; hRAD = εσ(TS+TA)(TS 2+TA 2) — коэффициент передачи тепла; TS — температура поверхности конденсатора; TA — температура окружающей среды; ΔT = TS–TA — разница температур.
Для естественной конвекции:
где hfree = 1,32×[ΔT/D]1/4, D — диаметр колбы конденсатора.
В случае естественной конвекции совместно с излучением тепла поверхностью типовые значения коэффициента передачи тепла составят (Вт/м2К):
В случае принудительного обдува со скоростью потока воздуха v (м/с) значение экстраполированного итогового коэффициента передачи тепла можно представить формулой [5]:
Применение принудительного обдува со скоростью потока воздуха 1–2 м/с способно существенно улучшить общий эффект охлаждения по сравнению с естественной конвекцией (рис. 4).
Рис. 4. Эффективность применения принудительного обдува потоком воздуха
Отвод тепла за счет теплопроводности печатной платы актуален только для малых конденсаторов и в случае применения охладителей. Тепловое сопротивление в общем случае может быть представлено как Rth. Приращение температуры электролитического конденсатора с основанием площадью A и импульсным током I составит:
где Rth = 1/(htot ×A).
Следующий шаг в понимании тепловых характеристик конденсатора — определение температуры внутри TC.
где числовое значение комбинированного теплового сопротивления в радиальном и осевом направлении Rth inside = 1–3 К/Вт.
На практике точные расчеты внутренней температуры конденсатора в зависимости от температуры на его поверхности верны лишь для диаметра колбы не более 25 мм. Для больших конденсаторов Jianghai предлагает применять встроенный терморезистор и способна производить такие конденсаторы по требованию заказчика.
Химическая стабильность
Современные электролитические конденсаторы содержат большое количество различных химических соединений и компонентов. Хорошим показателем стабильности химических компонентов является срок годности (см. табл., правая колонка). В отличие от времени хранения, указываемого для нормальной температуры окружающей среды, проверка на срок годности производится на базе теста ускоренного старения (life test) при максимальной температуре и нулевом приложенном напряжении в течение заданного промежутка времени. Поскольку к конденсатору не прикладывают внешнее напряжение, результаты такого теста не «улучшаются» за счет перепада температур и отображают наиболее «жесткий» результат. Основные параметры электролитического конденсатора, такие как ток утечки, емкость и фактор потерь, должны оставаться в заданном заранее диапазоне. Высокое значение срока годности конденсатора отображает высокую химическую стабильность, основанную на чистоте применяемых материалов и строгом технологическом процессе. Результаты данного теста приводятся в документации на все конденсаторы Jianghai.
|
Характеристика |
Эксплуатационная долговечность |
Испытание на долговечность при полной нагрузке |
Испытание на долговечность |
Хранение |
|
|
Время эксплуатации, ч |
9 000 |
>200 000 |
5000 |
5000 |
1000 |
|
Ток утечки |
Не более указанного значения |
||||
|
Изменение емкости (от начального значения) |
±30% |
±20% |
±10% |
±20% |
|
|
Потери (от указанного значения, не более) |
300% |
200% |
130% |
200% |
|
|
Последовательность |
|||||
|
Напряжение |
UR |
UR |
UR |
UR |
UR = 0* |
|
Ток |
IR |
1,4×IR |
IR |
IR = 0 |
IR = 0* |
|
Температура, °С |
105 |
50 |
105 |
105 |
105* |
|
Уровень отказов |
≤1% |
≤1% |
гарантированно без отказов |
Примечание:* — не менее чем за 24 ч до измерений на 30 мин. прикладывается напряжение UR.
Надежность и срок эксплуатации
Существует несколько способов определения надежности электролитических конденсаторов:
- Тест на «выносливость», Endurance test. Методика описана в стандарте IEC60384-4. В процессе тестирования конденсатор работает при максимальном приложенном напряжении и максимально допустимой температуре, при этом контролируются значения емкости, ESR и тока утечки. Тест останавливается при превышении допустимого порога одного из параметров. В зависимости от типов испытуемых конденсаторов допускается «уход» основных параметров не более чем в 7% выборки.
- Время эксплуатации, Useful life. Параметр, характеризующий время эксплуатации, определен стандартом DIN IEC60384-4 (Германия). Процедура тестирования аналогична предыдущей, но, помимо максимального постоянного напряжения и максимальной температуры, присутствуют выбросы напряжения, приводящие к дополнительному внутреннему нагреву конденсатора.
При чтении документации различных производителей электролитических конденсаторов приходится сталкиваться со множеством различных наименований параметров надежности. При этом зачастую термины оказываются перемешаны или переопределены. Так, встречаются «load life», «useful life», «endurance», «life expectancy», «operational life», «service life». В дополнение к расхождениям в терминологии некоторые производители допускают применение иных стандартов тестирования и иное определение параметров его проведения, что делает весьма сложным «прямое» сравнение характеристик надежности.
К сожалению, на сегодняшний день нет единого стандарта для проведения тестирования параметров надежности и срока эксплуатации электролитических конденсаторов. Существует лишь рекомендация комитета стандартизации США EIA IS-749, в которой определена методика тестирования времени эксплуатации электролитического конденсатора, установленного в схеме непосредственно после основного выпрямителя. Пока иное не определено отраслевыми стандартами, Jianghai публикует все параметры проводимых тестов и их результаты в основной документации на конденсаторы.
Таким образом, документация на конденсаторы Jianghai позволяет получить «прозрачную» картину всех параметров тестирования надежности и срока эксплуатации выбранной группы конденсаторов.
Чтобы обеспечить разработчиков необходимыми инструментами для расчета параметров надежности, Jianghai приводит соответствующие диаграммы с базовыми параметрами (температура и импульсные токи). В дополнение предлагается более полная математическая модель, в которой учитывается рабочее напряжение. Применение этих двух инструментов для определения параметров надежности является достаточным для большинства приложений. В случае особых применений (когда конденсаторы эксплуатируются у максимально допустимых границ температуры, в присутствии нерегулярных импульсных токов большой величины или в особом конструктивном исполнении) первичная оценка с помощью диаграмм и моделирования может оказаться неверной. В любом случае, для уточнения пригодности конденсаторов для конкретного приложения рекомендуется обратиться в службу технической поддержки Jianghai.
Жидкий электролит внутри конденсатора является основной причиной ограничения срока эксплуатации и сказывается на постоянном изменении электрических параметров конденсатора во времени [1]. Электрохимическая деградация параметров, ускоряющаяся с ростом температуры и напряжения, может быть оценена с помощью полуэмпирической модели срока эксплуатации (lifetime).
Jianghai приводит графические диаграммы коэффициента срока эксплуатации (рис. 5) в зависимости от температуры и импульсных токов для всех серий на основании математической модели. На этих диаграммах серая область отображает совокупность характеристик, при которых возможно закипание электролита. Работа в «серой» области допустима только после согласования всех параметров с производителем конденсатора.
Рис. 5. Диаграмма срока эксплуатации для серии CD_297_BB
С другой стороны, математическая модель срока эксплуатации дает оценку времени работы конденсатора в выбранном приложении. Исходными параметрами модели являются данные из документации на конденсатор и параметры эксплуатации, такие как температура окружающей среды, импульсные токи и диапазон прилагаемого в процессе эксплуатации напряжения. В случае применения принудительного охлаждения максимально допустимые импульсные токи должны быть также уточнены. Структура модели срока эксплуатации:
где LX — искомый срок эксплуатации; L0 — исходный срок эксплуатации при номинальном импульсном токе и максимальной температуре (берется из документации); KT — температурный фактор (определяемый температурой окружающей среды); KR — фактор импульсного тока, связанный с внутренним нагревом конденсатора; KV — фактор напряжения, связанный с рабочим напряжением в процессе эксплуатации.
Температурный фактор KT
Срок эксплуатации электролитического конденсатора связан с температурой окружающей среды правилом «10 Кельвинов», широко применяемым в отрасли: снижение температуры окружающей среды на 10 К приводит к увеличению срока эксплуатации в два раза [1, 3, 4, 6, 9]. Формула для расчета KТ = 2(T0–Ta)/10K, где T0 — максимально допустимая температура; Ta — максимальная температура в выбранном приложении.
Импульсный ток
Jianghai оценивает вклад импульсных токов, приводящих к внутреннему нагреву конденсатора, по следующей формуле:
где A = 1–(Ia/I0)2; Ia — импульсный ток в выбранном приложении; I0 — номинальный импульсный ток при максимально допустимой температуре; ΔT0 — приращение температуры внутри конденсатора (ΔT0 = 5 K при T0 = 105 °С и ΔT0 = 10 K при T0 = 85 °С); Ki — эмпирический фактор надежности (при T0 = 105 °С: I>I0, Ki = 4; I≤I0, Ki = 2; при T0 = 85 °С Ki = 2).
Фактор напряжения KV
Для малых конденсаторов с радиальным исполнением выводов основным фактором, определяющим срок эксплуатации, являются потери в электролите, обусловленные температурным режимом (на основании математической модели — уравнении Аррениуса). Таким образом, фактор напряжения KV для малых конденсаторов принимается равным 1.
Для средних и больших конденсаторов (с выводами под клеммы или под винт) значение приложенного напряжения сказывается на сроке эксплуатации, поскольку присутствие напряжения ниже максимального значения облегчает нагрузку на диэлектрик. С другой стороны, чем выше приложенное напряжение и чем оно ближе к максимально допустимому значению, тем больше расходуется электролита на «самоизлечение» микродефектов в диэлектрике. Таким образом, рабочее напряжение ниже максимально допустимого значения может существенно продлить срок жизни конденсатора [4].
Jianghai оценивает величину вносимого фактора напряжения для конденсаторов с клеммами и под винт на основании эмпирической формулы. Значения напряжения менее половины максимального значения редко применяются на практике, поэтому они не учтены в данной модели. По сравнению с моделями других производителей, Jianghai использует значения n = 3 и n = 5, что является средними или умеренными величинами (рис. 6):
где UR — максимальное напряжение; UA — рабочее напряжение; n — коэффициент, определяемый как:
Рис. 6. Значение фактора напряжения для моделей разных производителей
Пример оценки срока эксплуатации конденсатора
Следующий пример показывает, каким образом могут быть применены диаграммы и математическая модель для определения срока эксплуатации конденсатора.
Допустим, что конденсатор серии CD_297_BB на 390 мкФ, 400 В, с максимальной рабочей температурой 105 °С и корпусом 35×45 мм эксплуатируется при температуре окружающей среды 55 °С при импульсном токе 2,51 А RMS на частоте 20 кГц. Рабочее напряжение равно номинальному 400 В, поэтому на срок эксплуатации влияют только импульсный ток и температура. Охлаждение происходит естественным путем за счет конвекции и рассеяния.
Документация на конденсатор содержит значение номинального импульсного тока при 120 Гц и 105 °С, равное 1,27 А RMS, а коэффициент корректировки от частоты равен 1,4 для частот выше 10 кГц и напряжения 315–450 В. Срок эксплуатации для номинальных значений из документации составляет 7000 ч.
Отношение рабочего импульсного тока, с поправкой на частоту, к номинальному импульсному току:
Из диаграммы срока эксплуатации (рис. 7) находим значение коэффициента, связанного с рабочей температурой и импульсным током, который равен 16.
Рис. 7. Пример нахождения коэффициента срока эксплуатации по исходным параметрам
Проведем оценку срока эксплуатации конденсатора в выбранном приложении:
В другом случае воспользуемся математической моделью и сравним полученные значения:
где L0 = 7000 ч, T0 = 105 °C, Ta = 55 °C, Ki = 4, Ia = 2,51 ARMS/1,4=1,79 ARMS, I0 = 1,27 ARMS, ΔT0 = 5 K, Ur = Ua → n = 5,
Результат, полученный с помощью диаграмм и математического расчета, совпал.
Заключение
Алюминиевые электролитические конденсаторы очень часто определяют срок эксплуатации электронных устройств. Хорошее понимание основных технических параметров и особенностей данных компонентов необходимо для эффективного проектирования электронной техники с гарантированной надежностью и сроком эксплуатации.
Электрические и температурные параметры электролитических конденсаторов являются определяющими для оценки надежности и срока эксплуатации всего изделия. Разработчикам аппаратуры доступно два способа оценки надежности: с помощью графических диаграмм и с помощью расчета.
Применимость оценочных значений, полученных при расчете или из диаграмм, и показатели надежности будут определяться еще и спецификой конкретного приложения. Наиболее достоверные результаты оценки надежности будут получены только после консультации с производителем, после подтверждения расчетов и условий эксплуатации с его стороны (особенно для «тяжелых» условий применения).
Приведенный пример показывает метод оценки надежности в конкретных, типичных условиях эксплуатации конденсатора.
Литература
- Both J. Aluminium-Elektrolytkondensatoren // BC Components. 2000. February.
- Gasperi M. L. A Method for Predicting the Expected Life of Bus Capacitors // IEEE Industry Applications Society, Annual Meeting. 1997.
- Mirsky G. Determining end-of-life, ESR, and lifetime calculations for electrolytic capacitors at higher temperatures. // EDN. 2008. August.
- Parler S. G. Deriving Life Multipliers for Aluminum Electrolytic Capacitors // IEEE Power Electronics Society Newsletter. 2004. Vol. 16, № 1.
- Parler S. G. Thermal Modeling of Aluminum Electrolytic Capacitors // IEEE Industry Applications Society Conference. 1999.
- Stiny L. Handbuch passiver elektronischer Bauelemente. Franzis Verlag, Poing. 2007.
- Thiesbürger K. H. Der Elektrolytkondensator. Roederstein, Landshut. 1991.
- Van de Steeg T. Selecting electrolytic capacitors for power supplies // Electronics & Communications Technology. 2001.
- Venet P., Lahyani A., Grellet G., AhJaco A. Influence of aging on electrolytic capacitors function in static converters: Fault prediction method // Eur. Phys. J. AP 5, 71-83. 1999
- http://www.jianghai-europe.com/
- Albertsen A. Electrolytic Capacitor Lifetime Estimation. JIANGHAI EUROPE GmbH.
В статье рассматриваются вопросы, связанные с особенностями конструкции и применения электролитических конденсаторов различных типов, в частности приведена методика расчета времени наработки до отказа (MTTF) электролитических конденсаторов в зависимости от реальных условий их применения.
Кроме привычных всем электрических характеристик, каждое изделие радиоэлектроники (РЭА) обладает таким специфическим свойством, как надежность. В общем понимании надежность — это свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность изделия в целом определяется характеристиками надежности входящих в него элементов, а именно интенсивностью их отказов. Надежность изделия, если его рассматривать как последовательность элементов, можно охарактеризовать интенсивностью отказов системы, сведенной к эквивалентному элементу с интенсивностью отказов, равной λ0. В этом случае мы имеем:
где λi – интенсивность отказов i-го элемента; n – общее количество последовательных элементов.
- Рис. 1. Кривая интенсивности отказов [3]: a – начальный период отказов, вызванный несовершенством конструкции и ошибками при производстве (фактически это производственный брак; партии таких элементов отсеиваются при стрессовых испытаниях и выборочном контроле); b – горизонтальная часть кривой, это период, когда вероятность отказа пример-но постоянна (длительность этого периода и есть собственно MTTF, но производитель для страховки в спецификации часто указывает половину этого времени); c – после окончания срока MTTF кривая демонстрирует увеличение вероятности отказов (имеется в виду не только отказ элемента как таковой, но и отклонение параметров изделия от заявленных; это увеличение вероятности отказа обусловлено тем, что элемент достигает своего жизненного предела из-за конструктивных особенностей, например из-за примененных материалов или технологии изготовления, то есть наступает его технологический износ).
В современных спецификациях параметр надежности элемента, который не поддается ремонту, будет представлен не интенсивностью отказов λi, его наработкой до отказа – то есть наработкой от начала эксплуатации до возникновения первого отказа – MTTF (Mean (operating) time to failures – «среднее время до отказа»). Параметры λi и MTTF=Ti, взаимосвязаны Ti=1/ λi. Но здесь нужна одна оговорка: эта формула справедлива в устоявшемся режиме, когда время начальной повышенной интенсивности отказов прошло, а время конечной повышенной интенсивности отказов не наступило. Как известно из теории надежности, кривая отказов имеет вид, приведенный на рис. 1.
Как видно из вышеприведенной формулы, интенсивность отказов системы будет определяться интенсивностью отказов элементов с самыми малыми временами MTTF. Какой же из элементов может быть наиболее критическим? Сейчас мы видим резкий рост надежности полупроводников и большинства пассивных элементов, значительно улучшилось качество и, как следствие, надежность пайки, хотя тут появились искусственные проблемы [1]. Анализ показывает, что в современной аппаратуре на одно из определяющих общую надежность изделия мест вышли электролитические конденсаторы. Конечно, современные электролитические конденсаторы — это уже далеко не те чудеса советской промышленности типа незабываемых К50-6 ереванского завода «Нейрон». Сейчас это достаточно надежные элементы, но все же в этом качестве они уступают, причем значительно, не только обычным конденсаторам и резисторам, но и полупроводниковым приборам. При сопоставимых условиях эксплуатации электролитические конденсаторы имеют разный ресурс, который определяется их конструктивными особенностями. Но самые распространенные в настоящее время недорогие алюминиевые электролитические конденсаторы при температуре +85 °С имеют ресурс от 2000 до 5000 ч работы. Конечно, есть и более надежные электролитические конденсаторы: алюминиевые, с максимальной рабочей температурой в +105 °С; танталовые — типовое MTTF 100 000 ч; ниобиевые с MTTF от 200 000 до 500 000 ч.
Но здесь возникает вопрос цены по отношению к емкости конденсатора и общей целесообразности.
Действительно, нет смысла в недорогие устройства с коротким жизненным циклом ставить сверхнадежные и, следовательно, сверхдорогие конденсаторы. Скорость смены поколений аппаратуры сейчас высока как никогда, и большинство изделий электроники максимум через три – пять лет окажется на свалке, так как будет заменено потребителями изделиями нового поколения. Пример тому – огромные скопившиеся, несмотря на все маркетинговые ухищрения, запасы морально устаревших и потому нераспроданных телевизоров, позиционировавшихся как HD ready, компьютеров, ноутбуков и мобильных телефонов. Кстати, по некоторым данным, непроданные запасы мобильников составляли в 2013 году уже 800 млн. Вот почему, в частности, на материнских платах компьютеров широкого применения уже не встретишь ниобиевые конденсаторы, столь популярные в этих устройствах еще 15 лет назад. А вот доля использования алюминиевых конденсаторов, несмотря на их более низкую надежность, повышается.
- Рис. 2. Два электролитических конденсатора 1930-х годов (8 мкФ, 525 В)
(источник: Ozguy89, English language Wikipedia)
Что же представляет собой электролитический конденсатор и каковы его параметры, которые оказывают влияние на его надежность? История электролитических конденсаторов началась с открытия в 1896 году принципа его работы, сделанного «польским Эдисоном» Каролем Поллаком (Karol Pollak), а первый патент на электролитический конденсатор на основе алюминиевой фольги и тетрабората натрия был получен уже в 1897 году. Но наибольшее свое развитие электролитические конденсаторы получили уже в XX веке (рис. 2) с развитием сначала радиотехнической, а потом и электронной отрасли промышленности, для которых они стали незаменимым и широко используемым компонентом. Принцип работы, первоначально положенный в основу электролитического конденсатора, остался неизменным. Он заключается в использовании двух электродов (анода и катода), разделенных тонким непроводящим электрический ток оксидным слоем. Для обеспечения минимального расстояния между обкладками конденсатора применялся токопроводящий электролит. Отсюда и их название, хотя в конструкции ряда современных конденсаторов сам принцип работы остался, но жидкого электролита уже нет. Именно из-за малой толщины оксидного слоя и достигается большая удельная емкость конденсатора, и именно это является одним из его слабых мест.
В некоторых типах конденсаторов в качестве электродов предусмотрена алюминиевая фольга (катаная или чаще пористая). В других конденсаторах, для увеличения их удельной емкости, анод выполняется объемно-пористым из спрессованного под действием высокой температуры металлического порошка. Пористые аноды имеют большую активную поверхность и, следовательно, обеспечивают большую удельную емкость конденсатора, они более технологичны, но и дороже, чем ленточные фольговые.
Как уже отмечалось, для обеспечения максимально близкой электрической связи между обкладками конденсатора используется электролит (рис. 3).
- Это второе слабое место, поскольку из-за нарушения герметизации (самая частая проблема «советских» конденсаторов) происходит высыхание устройства, эффективное расстояние между катодом и анодом увеличивается, а емкость конденсатора резко падает.
- цилиндрические (обычно это алюминиевые конденсаторы);
- в форме параллелепипеда (на техническом жаргоне – прямоугольные, чаще это танталовые и полимерные конденсаторы);
- с однонаправленными и радиальными выводами;
- в каплевидном корпусе (танталовые и ниобиевые); безвыводные для монтажа на поверхность (SMD, surface-mount device);
- дисковые с установкой в держатели (обычно это касается ионисторов);
- с винтовыми выводами (обычно это высоковольтные или мощные конденсаторы большой емкости и др.)
- Использование в цепях питания. Их назначение: быстрое (в отличие от аккумуляторов) накопление некоторого количества энергии с последующей ее отдачей в течение определенного времени, предотвращение просадок в цепях питающего напряжения, фильтрация и подавление помех. Здесь находят применение все типы электролитических конденсаторов, но танталовые предпочтительнее для импульсных источников питания ввиду их более высоких рабочих частот, кроме того, тут важную роль играет такая характеристика конденсаторов, как ESR.
- Разделительные конденсаторы в сигнальных цепях. Их задача — выделение переменной составляющей из исходного сигнала с некоторым уровнем смещения по постоянному напряжению. Здесь в основном применяются алюминиевые конденсаторы, так как они обладают самоэкранированием, вследствие чего менее подвержены влиянию внешних электромагнитных помех. Кроме того, они обладают и меньшим уровнем собственных шумов по отношению к другим типам электролитических конденсаторов. Хотя в некоторых источниках и есть указание на свойственный им увеличенный уровень шумов типа 1/f, это не совсем так.Это относится к старым, еще советским конденсаторам, и то по причине их низкого качества.
- Использование электролитических конденсаторов в качестве частотозадающих элементов в низкочастотных и особенно инфранизкочастотных генераторах, а также в качестве времязадающих элементов таймеров с длительными интервалами времени. Здесь предпочтительнее конденсаторы с малыми токами утечки. А вот в таких устройствах, как низкочастотные фильтры выше второго порядка, электролитические конденсаторы практически не применяются. Причина — присущие им большие отклонения от номинального значения, обычно ±20% и более, и деградация емкости от времени наработки, обусловленные технологией изготовления и особенностями конструкции (рис. 5).
- Рис. 6. Упрощенная эквивалентная схема конденсатора:
С – емкость, Ф; R – эквивалентное последовательное сопротивление, Ом; L – эквивалентная последовательная индуктивность, Гн - Рис. 8. Факторы, влияющие на нагрев конденсатора: 1 – фактор тепловодности (передача тепла по проводнику печатной платы); 2 – влияние инфракрасного излучения от рядом расположенных нагретых элементов; 3 – нагрев элемента из-за внутренних потерь мощности на собственном сопротивлении конденсатора (мощность потерь для переменной составляющей определяется как I2R, а для постоянной составляющей – IR)
- Рентюк В. RoHS-директива защита экологии или рынков? // Технологии в электронной промышленности. 2013. № 5.
- Моравик С., Зедничек Т. Сравнение характеристик танталовых и алюминиевых конденсаторов // Компоненты и технологии. 2000. № 8.
- www.teapo.com
- Рентюк В. Проектирование активных фильтров в системе WEBENCH Designer Center // Компоненты и технологии. 2014. № 2.
- Aluminum Electrolytic Capacitor Introduction of Life Calculation Formula // TEAPO. February, 2014.
- Справочный материал НИР «Надежность-84» ВНИИРПА им. А. С. Попова: Руководитель Дементьев В. В., № Гос. рег. У97903. Ленинград, 1984.
- Mirsky G. Determining end-oflife, ESR, and lifetime calculations for electrolytic capacitors at higher temperatures // EDN. August 20, 2008
- Автор статьи: Владимир РЕНТЮК
-
Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №3 2014
От этого недостатка свободны «сухие» электролитические конденсаторы с вязким электролитом и твердотельные электролитические конденсаторы с полимерным диэлектриком. Последние представляют собой твердотельные конденсаторы, в которых вместо традиционного жидкого электролита применяется специальное органическое вещество – токопроводящий полимер или полимеризованный органический полупроводник (рис. 4).
- Еще есть оксидно-полупроводниковые конденсаторы – в них электроды разделены токопроводящим оксидом марганца. Различаются конденсаторы и по материалу анода, для которого кроме наиболее часто используемого алюминия применяются тантал, реже ниобий, активированный уголь или углеродные нанотрубки. Отдельной группой электролитических конденсаторов являются ионисторы, или суперконденсаторы, чья емкость измеряется уже в сотнях и тысячах фарад.
Это двухслойные электрохимические конденсаторы, представляющие собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Ведутся также работы по созданию суперконденсаторов на основе графена, которые будут иметь удельную энергетическую емкость, соизмеримую с аккумуляторами.
Для максимального удовлетворения требований проектировщиков РЭА электролитические конденсаторы выпускаются в самых разнообразных конструктивных исполнениях. Доступны электролитические конденсаторы:
Область применения электролитических конденсаторов обширна. Трудно найти электронное, радиотехническое или электротехническое оборудование, где они не используются.
Первоначально электролитические конденсаторы применялись в телеграфии и в качестве пусковых конденсаторов однофазных двигателей переменного тока, хотя большинство электролитических конденсаторов предназначено исключительно для цепей постоянного или пульсирующего тока. Сейчас существует три основных области применения электролитических конденсаторов:
Комментарий специалиста
Комментарий специалистаОльга Синякова, руководитель департамента пассивных компонентов холдинга PT Electronics, olga.sinyakova@ptelectronics.ru
Компания PT Electronics предлагает к поставке продукцию тайваньского производителя ТЕАРО, который специализируется на производстве только алюминиевых и полимерных конденсаторов. Узкая специализация и многолетний опыт работы позволяет предлагать своим клиентам широкий спектр конденсаторов стандартных серий и под заказ, а также оказывать всестороннюю техническую поддержку.
Область применения большинства электролитических конденсаторов ограничивается частотами до 150 кГц. Это связано с особенностями их конструкции. К тому же более высокие частоты, как правило, не требуют конденсаторов столь больших емкостей. Основная причина, ограничивающая использование электролитических конденсаторов, – то, что полное сопротивление не является чисто емкостным, а носит комплексный характер. Упрощенная эквивалентная схема конденсатора показана на рис. 6.
- Поскольку для большинства современных конденсаторов индуктивная составляющая на их рабочих частотах ничтожно мала (особенно у танталовых [2]) и составляет наногенри, то импеданс обычно определяется выражением:
Сопротивление, входящее в формулу, называется ЭПС – эквивалентное последовательное сопротивление, или, как это принято в современной технической литературе и большинстве спецификаций, ESR (Equivalent Series Resistance). Величина ESR в зависимости от типа конденсатораи его емкости может достигать величин от миллиом (для полимерных танталовых электролитических конденсаторов типа Low-ESR) до десятков Ом для дешевых алюминиевых электролитических конденсаторов малой емкости.
Как и для всех конденсаторов, основным параметром электролитических конденсаторов является их емкость. Кроме емкости, электролитические конденсаторы характеризуются номинальным рабочим напряжением, током утечки, максимальной рабочей частотой, диапазоном рабочих температур, тангенсом угла потерь (увеличивается пропорционально времени наработки) и упомянутым выше ESR. Тангенс угла потери и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление, Ом) связаны между собой выражением:
где ESC (Equivalent Series Capacitance) – емкость, Ф; f – частота, Гц.
Необходимо учитывать, что ESR имеет зависимость от температуры, частоты и наработки. Эта зависимость разная для разных типов конденсаторов. Как правило, при уменьшении температуры ESR увеличивается, при увеличении частоты – асимптотически уменьшается до некоторого предельного значения. Увеличение ESR приводит к повышению рассеиваемой мощности конденсатором, повышению его внутренней температуры и деградации параметров. График, показывающий изменение тангенса угла потерь для типовых алюминиевых электролитических конденсаторов, показан на рис. 7. Для получения большей информации обратитесь к каталогу [3].
Важным условием для правильного использования электролитических конденсаторов и обеспечения заданной надежности является соблюдение нескольких простых правил. Во-первых, все электролитические конденсаторы, предназначенные для работы в цепях постоянного тока, как полярные, так и неполярные, требуют обязательного наличия поляризующего напряжения. Игнорирование этого фактора — характерная ошибка даже опытных разработчиков, пример приведен в [4].
Отсутствие или недостаток поляризующего напряжения приводит не только к сокращению срока службы, это может вызвать короткое замыкание из-за разрушения изолирующего оксидного слоя и отказ конденсатора. Допустимый уровень пульсаций или допустимая величина переменного напряжения по отношению к напряжению поляризации определяются по спецификации для каждого конкретного применения. Необходимо учитывать, что большинство электролитических конденсаторов не предназначено для работы в условиях постоянно повторяющихся полных циклов заряда-разряда. Еще одна тонкость в использовании электролитических конденсаторов заключается в том, что после длительного хранения электролитических конденсаторов для восстановления их параметров может потребоваться «насильственная» поляризация номинальным напряжением от внешнего источника напряжения перед их установкой на печатную плату. Автор статьи столкнулся с этим на практике, когда вдруг частота внутреннего генератора у новой партии отлаженных серийных изделий резко изменилась. Причина была устранена именно кратковременной электротренировкой электролитических танталовых конденсаторов, которые долго хранились на складе. И, как уже отмечалось, крайне важно учитывать условия эксплуатации, а именно температуру.
Здесь требуется уточнение: частой ошибкой разработчиков является неправильный учет такого параметра, как температура окружающей среды. Для элемента «окружающей средой» будет именно та среда, в которой он находится в данной конструкции, а не та среда, в которой эксплуатируется оборудование, поэтому элемент, а в рассматриваемом случае это электролитический конденсатор, может нагреваться от рядом расположенных элементов (рис. [5].
Что касается такой важной характеристики, как надежность, здесь нельзя слепо копировать указанный в спецификации MTTF, а нужно (как уже отмечалось) оценивать этот параметр в каждом конкретном применении. Такой подход не является чем-то новым и необычным. Еще в 80-х годах прошлого столетия тогда еще в ленинградском ВНИИРПА им. А. С. Попова были проведены работы по повышению надежности бытовой радиоаппаратуры, основной итог которых – введение понятия «эксплуатационная наработка на отказ» [6]. До этого оценка времени безотказной работы ограничивалась простым учетом ряда коэффициентов нагрузки элементов. В руки разработчиков была дана методика, позволяющая более точно оценить время безотказной работы устройства на этапе проектирования и принять меры по его повышению. Автор статьи принимал участие в этих работах в части уточнения методики и ее внедрении.
В [5] приведена усовершенствованная методика оценки влияния на надежность условий эксплуатации именно для наименее надежных в современной аппаратуре элементов – электролитических конденсаторов. Предлагается рассматривать проблему комплексно – по нескольким основным формулам вычисления срока службы. При расчетах необходимо принимать во внимание, что максимальный срок службы в любом случае будет ограничен 15 годами (что составляет 131 400 ч). Причина – деградация изоляционных материалов. Следующая формула позволяет провести оценку срока службы в зависимости от нагрузки конденсатора [5]:
где ΔTx = ΔT0 х (Ix/I0)2, если Ix > I0, то K = 4; если Ix ≤ I0, то K = 2; Lx– расчетный срок службы при фактической рабочей температуре, ч; L0 – срок службы при максимально допустимой рабочей температуре, ч; T0– максимально допустимая рабочая температура, °С; Tx – фактическая температура окружающей среды, °С; ΔT0 ≤ 5°С – максимально допустимое повышение температуры применительно к I0; Ix– фактический ток пульсаций на рабочей частоте f0, мА; I0 – расчетный максимальный допустимый ток пульсаций, умноженный на коэффициент частоты, по отношению к частоте f0, А. Для расчета тока пульсаций поправка на коэффициент, учитывающий температуру, не требуется.
Примечание. Во всех приведенных формулах значение тока и напряжения, кроме случаев, оговоренных особо, понимается как среднеквадратическое.
В качестве примера выполним расчет ожидаемого срока службы для миниатюрных конденсаторов общего применения серии SH [3]. Расчет приведен в таблице 1.
- Из приведенного расчета видно, что уменьшение температуры окружающей конденсатор среды всего на 10 °С при прочих равных условиях приводит к двукратному повышению расчетного срока службы.
Как известно, большие амплитуды пульсаций тока сокращают срок службы электролитических конденсаторов [7]. Здесь сказывается влияние ESR. Следующая формула позволяет провести оценку срока службы в зависимости от уровня тока пульсаций конденсатора [5]:
где Lr – срок службы в режиме пульсаций тока при максимально допустимой рабочей температуре, ч.
В качестве примера выполним расчет ожидаемого срока службы для низкоимпедансного конденсатора с увеличенным сроком службы серии SY [3]. Расчет приведен в таблице 2.
- Для конденсаторов с номинальным рабочим напряжением от 160 В и выше формула имеет несколько иной вид:
где V0 – номинальное рабочее напряжение, В; Vx– фактическое напряжение, В.
Примечание. Vx должно быть не менее чем 80% от V0.
В качестве примера выполним расчет ожидаемого срока службы для конденсатора общего применения серии LG [3]. Расчет приведен в таблице 3.
Вышеприведенные формулы описывали наработку на отказ для электролитических конденсаторов с жидким электролитом, для твердотельных полимерных конденсаторов формулы расчета иные [5]. В общем случае используются две упрощенные формулы:
где Lx – расчетный срок службы при фактической рабочей температуре, ч; Le – фактический срок службы при указанной в спецификации рабочей температуре, ч; B– температурный фактор (=2); T0 – максимальная рабочая температура, °С; Tx – фактическая температура окружающей среды, °С; ΔTx – повышение температуры под действием пульсаций тока, °С; ΔT0 – повышение температуры конденсатора на максимальном токе пульсаций при определенной в спецификации температуре (20 °С); Ix– фактический ток пульсаций, A; I0 – максимально допустимый ток пульсаций, A.
В качестве примера выполним расчет ожидаемого срока службы для конденсаторов серии CG компании TEAPO. Расчет приведен в таблице 4.
Как можно видеть, разница в расчетах незначительная, но формула (2) несравненно проще, хотя и дает заниженный результат.
Что дает предложенная методика?
Она предоставляет инженеру-разработчику инструмент, позволяющий оценить не только надежность своего будущего изделия на ранних этапах проектирования (еще на этапе НИОКР) в реальных условиях его эксплуатации, но и избежать убытков заказчика при реализации изделий. Причем не только от недостаточной надежности, а и от избыточной. Поясню. Что советская школа требовала от инженера-разработчика? Одним из основных требований было повышение и повышение надежности. А что реально требуют современные рыночные условия? Позвольте высказать крамольное утверждение: рыночные условия требуют обеспечения той надежности, которая является целесообразной, и не более. Что имеется в виду? Естественно, что для некоторых групп изделий, таких как военная, аэрокосмическая техника, медицинское оборудование для поддержания жизни, оборудование для систем коммуникации, действительно необходимы высокие показатели надежности. От этого оборудования зависит жизнь людей. Здесь определение наработки на отказ является важным фактором для определения времени проведения регламентных работ, замены частей или изделий в целом, не дожидаясь их отказа. А что нужно для рынка изделий широкого применения, которым свойственна быстрая смена поколений? Здесь затраты на максимальное повышение надежности не то что не оправданны, они просто недопустимы, так как приводят не только к увеличению прямых затрат, но и к упущению экономической выгоды. Мало того, что применение элементов с повышенной надежностью предполагает удорожание изделия и, следовательно, снижение его конкурентоспособности, но и упущение выгоды из-за сокращения продаж новых изделий, изготовленных на его замену. Или вы хотите, чтобы ваши изделия пополнили те миллионы непроданных телевизоров и мобильных телефонов, о которых упомянуто в начале статьи? Есть в украинском языке часто используемая заимствованная польская пословица: «Що занадто, то не здраво», аналогичная нашей «Все хорошо, что в меру». Это касается и переизбытка надежности для аппаратуры широкого применения. Современный, умеющий считать деньги заказчик должен требовать от разработчика обеспечить не максимальную, а именно заданную разумную надежность изделия при его проектировании и исходя из этого планировать выпуск изделий и их продажу. Вот здесь предложенная компанией TEAPO удобная методика определения срока службы элементов и становится незаменимой – грамотный специалист легко сделает переход от показателей надежности компонентов к характеристикам надежности изделия в целом.
Важные замечания по вопросам использования электролитических конденсаторов, которые будут весьма полезны разработчикам РЭА, приведены в [3, 5].
Автор статьи благодарит компанию TEAPO за предоставленную информацию.
Компания TEAPO — стратегический партнер Yageo, специализированный тайваньский производитель электролитических и полимерных конденсаторов, имеющий сертификаты ISO и TS14969 (для автомобильной промышленности).