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.

Рисунок 1 – Вздутие электролитических конденсаторов, которые уже вышли из строя или близки к этому

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.

Рисунок 2 – Неисправный конденсатор не всегда выглядит так

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

срок_{реальный} – это ожидаемый срок службы при рабочих температуре, напряжении и токе;
срок_{заявленный} – это ожидаемый срок службы при номинальных температуре, напряжении и токе;
K_{температуры}: 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;
K_{напряжения} 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);
K_тока 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.