Was beeinflusst die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren?

Wenn Sie mit einer Gruppe von Entwurfsingenieuren sprechen, könnten Sie schnell glauben, dass der Elektrolytkondensator einen besonders zweifelhaften Ruf hat. Diese Ansicht wurde sicherlich nicht durch die sogenannte „Kondensatorpest“ verbessert, die in den ersten Jahren des neuen Jahrtausends auftrat. Eine fehlerhafte Elektrolytmischung, die in diesen Arten von Kondensatoren verwendet wurde, führte zu vorzeitigen Geräteausfällen und recht oft zu einer „ziemlichen Sauerei“ auf den PCBs, auf denen sie gelötet wurden. Aufgrund der hochkarätigen Natur der Waren, die bestimmte Marken von „befallenen“ Kondensatoren verwendeten, wurde dies zu großen Nachrichten. Siehe diesen Wikipedia-Link, wenn Sie mehr Details sehen möchten.

Jedoch, trotz des Problems der Kondensatorpest (die Wikipedia als das Ergebnis eines missglückten Versuchs industrieller Spionage berichtete, was zur Verwendung einer falschen Elektrolytformel führte), konzentriert sich dieser Artikel darauf, dem Designer zu helfen zu verstehen, wie man viele weitere Jahre nützlichen Lebens aus einem Elektrolytkondensator herausholen kann. Wir werden nicht zu tief in den Vergleich der Lebensdauerwerte von Elektrolytkondensatoren für verschiedene Komponenten einsteigen. Das Fazit ist, dass man bekommt, wofür man bezahlt, und ob es einem gefällt oder nicht, Elektrolytkondensatoren sind in vielen Entwürfen eine Notwendigkeit.

Was verursacht den Ausfall von Elektrolytkondensatoren?

Der primäre Mechanismus, der zur Degradation und zum Ausfall von Elektrolytkondensatoren führt, ist die langsame Verdunstung des Elektrolyts über die Zeit, und natürlich wird dies bei höheren Temperaturen schlimmer. Dies führt zu einer niedrigeren Kapazität und einem höheren effektiven Serienwiderstand (ESR). Es ist ein bisschen ein Teufelskreis, denn mit steigendem ESR steigt auch jeder Selbsterwärmungseffekt aufgrund von Ripple-Strömen. Dies kann dann zu signifikanten lokalen Temperaturanstiegen führen, die das Problem noch weiter beschleunigen können. In der Vergangenheit hat dies einige Unternehmen dazu veranlasst, eine Regel der geplanten Wartung zu implementieren, bei der Elektrolytkondensatoren alle paar Jahre durch geeignete Ersatzkomponenten ausgetauscht werden, insbesondere wenn das System in kritischen Anwendungen verwendet wird.

Kondensatorspezifikationen

Man sieht oft, dass ein Elektrolytkondensator eine Lebensdauerangabe haben wird, wie zum Beispiel 5000 Stunden. Wir werden das TDK (früher EPCOS) Datenblatt als Beispiel dafür verwenden, wie man diese Informationen interpretiert. Dieses Datenblatt ist für einen B41888 Kondensator, und es ist eines, das ich in ziemlich kritischen Produkten verwendet habe, die eine lange erwartete Lebensdauer hatten. Die Zusammenfassung des Datenblatts lautet wie folgt:

Ich habe die relevanten Bereiche in Rot hervorgehoben. Es besagt, dass ein Kondensator mit 8 mm Durchmesser 5000 Stunden nützliche Lebensdauer bietet. Das entspricht einer Lebensdauer von nur 208 Tagen, was auf den ersten Blick ein sehr niedriger Wert ist. Allerdings gilt diese Angabe für eine Betriebstemperatur von 105 °C. Wäre die Betriebstemperatur 10 °C kühler, bei 95 °C, dann würde sich die Lebensdauer verdoppeln. Sie verdoppelt sich für jede Temperaturabnahme um 10 °C unter 105 °C. Wenn also die laufende Umgebungstemperatur eines Kondensators in einer bestimmten Schaltung unter 55 °C gehalten würde, könnten Sie die tatsächliche Lebensdauer mit folgender Formel berechnen:

Tatsächliche nützliche Lebensdauer = [Lebensdauer bei 105 °C] ∙2x 

Wobei „x“ (105 °C - T_ACTUAL) geteilt durch 10 ist. Bei einer Temperatur von 55 °C ist „x“ = 5, und daher dehnt sich die nützliche Lebensdauer von 5.000 Stunden bei 105 °C auf 32 x 5000 Stunden bei 55 °C aus. Das sind jetzt 18 Jahre und somit viel praktikabler.

Was bedeutet die „nützliche Lebensdauer“ eines Kondensators?

Bezüglich des oben genannten Datenblatts informiert Sie die rechte hervorgehobene Spalte, dass die Kapazität von ihrem ursprünglichen Wert auf einen Wert sinken kann, der bis zu 40% niedriger sein kann über die nützliche Lebensdauer des Bauteils. Wenn Sie also einen 1000 μF Kondensator für Ihr Design auswählen, könnten Sie erwarten, dass sein niedrigster Anfangswert aufgrund der im Datenblatt angegebenen Toleranz von 20% des Geräts 800 μF beträgt. Folglich könnte am Ende seiner „nützlichen Lebensdauer“ das schlechteste Szenario sein, dass es auf 60% dieses 800 μF Anfangswerts gesunken ist, was nur 480 μF sind. Als Designer können nur Sie sagen, ob dies eine angemessene Leistung am Ende der Lebensdauer für Ihr Produkt liefert. Es ist äußerst wichtig, dass Sie als Designer diesen Degradationsfaktor berücksichtigen.

Dissipationsfaktor

Für das B41888-Gerät teilt uns das Datenblatt mit, dass „tan“ im Laufe der Lebensdauer um das Dreifache steigen könnte. Tan ist der Dissipationsfaktor oder das Verhältnis von ESR zu kapazitiver Reaktanz und sollte nicht mit Verlusttangente verwechselt werden. Zum Vergleich, es ist auch das Inverse des Q-Faktors. Bei einem mit 35 Volt bewerteten B41888-Gerät wird tan als 0,12 bei 120 Hz angegeben. Ein 1000 μF Kondensator hat eine Reaktanz von 1,326 Ω bei 120 Hz, was bedeutet, dass der ESR 0,159 Ω beträgt.

Das ist die Angabe für einen Kondensator mit genau 1000 μF, aber wir haben gesehen, dass es so hoch wie 0,199 Ω für einen Kondensator am unteren Ende des anfänglichen Toleranzbereichs sein könnte (d.h. 800 μF). Am Ende seiner Lebensdauer haben wir gesehen, dass die Kapazität möglicherweise nur noch 480 μF beträgt, und so folgt daraus, dass der ESR auf 0,332 Ω steigen könnte. Schließlich, weil tan sich im Laufe der Lebensdauer um das Dreifache verschlechtern kann, könnte der ESR möglicherweise auf bis zu 0,995 Ω ansteigen. 

Sie haben Ihr Design mit einem Kondensator begonnen, der nominell 1000 μF (mit einem ESR von 0,159 Ω) war, und jetzt könnten Sie mit einem Kondensator enden, der 480 μF mit einem ESR von etwa 1 Ω ist. Wird Ihr Design damit zurechtkommen? Wie wird es die Leistung beeinflussen? Hinweis - Simulationstools sind Ihr Verbündeter in dieser Situation; nutzen Sie sie, um die Auswirkungen zu sehen.

Andere Faktoren, die die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren beeinflussen

Rippelstrom

Die Lebensdauerangabe für den B41888 geht davon aus, dass er mit vollem Rippelstrom betrieben wird. Allerdings finden Sie auch dieses nützliche Diagramm im Datenblatt, das für einen Kondensator mit 8 mm Durchmesser gilt:

Wenn Sie sich entscheiden, mit 50 % des Nennrippelstroms zu arbeiten (0,5 auf der Y-Achse), entspricht dies einer lokalen Umgebungstemperatur, die 3 °C kühler ist. Das ist eine potenzielle Lebensdauerverlängerung von 23 %, und manchmal kann jedes kleine Extra zählen. Wenn Sie den Rippelstrom bis an die Grenzen ausreizen müssen, können Sie auch die benötigten Informationen aus diesem Diagramm entnehmen. Wenn Sie beispielsweise die Komponente mit 50 % über dem nominell bewerteten Rippelstrom bei 65 °C betreiben, würden Sie immer noch 100.000 Stunden nützlicher Lebensdauer erreichen, wie Sie es beim Betrieb mit der Hälfte des bewerteten Rippelstroms bei 71 °C erhalten würden. Es ist wichtig zu beachten, dass der abgedunkelte Bereich des Diagramms eine No-Go-Zone darstellt, wenn Sie die Komponente nicht beschädigen möchten.

Betriebsspannung des Kondensators

Wenn die Betriebsspannung niedriger als die maximal bewertete Spannung ist, kann eine anständige Lebensdauerverlängerung erzielt werden. Die konservativste Schätzung besagt, dass sich die Lebensdauer verdoppelt, wenn die Komponente mit 50 % der bewerteten Spannung betrieben wird. Natürlich wird sie proportional kleiner, je näher die Betriebsspannung an der maximal bewerteten Spannung liegt. Ich habe weniger konservative Schätzungen gesehen, aber in Ermangelung von Daten in den Herstellerinformationen, die etwas anderes nahelegen, würde ich Ihnen raten, sich an diese lineare Beziehung zu halten und keine weitere Verbesserung der Lebensdauer über eine Verdopplung hinaus zu erwarten. 

Lesen Sie das Datenblatt

Im Datenblatt finden sich viele praktische Informationen. Zum Beispiel zeigt der Auszug aus dem Datenblatt für den B41888 Kondensator, dass das Gerät mit 8 mm Durchmesser eine Lebensdauer von 5.000 Stunden hat, ein Gerät mit 12,5 mm Durchmesser (oder größer) jedoch die doppelte Lebensdauer von 10.000 Stunden aufweist. Wenn Ihr Zielwert der Kapazität die Wahl des Durchmessers zulässt und Sie Platz auf Ihrer Platine haben, wäre es vorteilhaft, ein größeres Bauteil zu wählen, um die Lebensdauer zu verbessern. Wenn Sie beispielsweise eine 100 μF, 35-Volt-Komponente ausgewählt haben, die Sie mit 30 Volt betreiben wollten, würden Sie gute Lebensdauervorteile erzielen, indem Sie stattdessen das mit 63 Volt bewertete Bauteil auswählen. 

Das 35-Volt-Teil hat einen Durchmesser von 8 mm, während das 63-Volt-Teil 10 mm hat. Das 10 mm Teil hat jedoch eine Lebensdauer von 7.000 Stunden, die sich durch den Betrieb mit 48 % der bewerteten Spannung auf 14.000 Stunden verdoppeln könnte. Das 8 mm Teil hat eine Lebensdauer von 5.000 Stunden, die nur auf 5833 Stunden ansteigen würde, wenn es mit 30 Volt betrieben wird. Also bringt eine relativ kleine Zunahme des Durchmessers um 2 mm eine erhebliche Steigerung der Lebensdauer.

Ein weiterer Aspekt ist die Beziehung zwischen der Welligkeitsfrequenz und der Strombewertung. Wenn Ihr Design beispielsweise eine Komponente mit 1000 μF und 35 Volt erfordert, teilt Ihnen das Datenblatt mit, dass sie einen bewerteten Welligkeitsstrom bei 105 °C von 2,459 Ampere hat, aber dies gilt für eine spezifizierte Frequenz von 100 kHz. Wenn die Anwendung bei einer niedrigeren Frequenz läuft, müssen Sie das untenstehende Diagramm verwenden, um den Effekt zu bestimmen:

Bei niedrigen Frequenzen, wie 120 Hz, beträgt der bewertete Welligkeitsstrom nur 65 % des Wertes bei 100 kHz. Das bedeutet, dass für die korrekte Lebensdauerbewertung in einer 120-Hz-Anwendung, Sie auf einen begrenzteren bewerteten Welligkeitsstrom von nur 1,598 Ampere beschränkt sind. 

Ausfallraten von Kondensatoren

Verwechseln Sie die allmähliche Verschlechterung der Leistung eines Elektrolytkondensators über seine erwartete Lebensdauer nicht mit Ausfallraten oder MTBF. Der plötzliche und unerwartete Ausfall eines elektronischen Bauteils unterscheidet sich von der Art und Weise, wie das Bauteil „altert“. Natürlich, wenn die von Ihnen entworfene Schaltung aufgrund des Alterns eines Elektrolytkondensators nicht mehr funktioniert, ist das aus Sicht des Benutzers ein Geräteausfall. Der Fehler des Designers besteht jedoch darin, nicht zu erkennen, wie sich die Leistung des Bauteils im Laufe der Zeit natürlich verschlechtert. Mit anderen Worten, es ist ein Designfehler und kein Bauteilfehler.

Ein Elektrolytkondensator hat eine MTBF, die in Millionen Stunden gemessen wird. Obwohl dies sowohl durch die Menge der gespeicherten Energie als auch durch seine Umgebungsbetriebstemperatur beeinträchtigt werden kann, ist es immer noch weit entfernt von der viel niedrigeren nutzbaren Lebensdauer des Bauteils.

Warum überhaupt Elektrolytkondensatoren verwenden?

Wenn Elektrolyte solche Probleme haben, warum werden sie dann so häufig verwendet? Es gibt mehrere Gründe, aber der Hauptgrund ist die Fähigkeit, hohe Spannungsbewertungen mit hohen Kapazitäten zu erhalten, die in der Regel bei Stromversorgungsdesigns erforderlich sind. Aufgrund der Chemie in Elektrolyten gibt es keinen anderen Bauteiltyp, der Ihnen die gleiche Kombination aus hoher Kapazität und hoher Spannung bietet. Bei anderen Komponenten wird das Teil entweder physisch riesig, oder es muss eine riesige Anzahl von Teilen parallel geschaltet werden.

In einem vergangenen Projekt musste ich 20 parallele Elektrolytkondensatoren (3.300 μF, 35 Volt) verwenden, um ein bedeutendes Energiespeichergerät in einem aktuellen Design zu erstellen. Ich erwähne dies, weil es Ihnen helfen wird, den Unterschied zwischen Lebensdauer und MTBF zu verstehen. Die Schaltung erhielt einen niedrigen mA-Ladestrom, war aber sporadischen Laststromimpulsen ausgesetzt, die in Ampere gemessen wurden. 

Betrachtet man die gesamte Lebensdauer des Speichergeräts, erwarte ich voll und ganz, dass die parallelen Komponenten im Laufe der Zeit gleichmäßig abbauen. Mit anderen Worten, die Lebensdauer aller 20 Komponenten wird erwartet, die gleiche zu sein wie die Lebensdauer eines einzelnen Geräts. Allerdings müsste für die MTBF der Wert des einzelnen Geräts durch 20 geteilt werden, da die Komponenten parallel geschaltet sind und jede der 20 ausfallen und einen Kurzschluss verursachen könnte, was zum Ausfall des Geräts führen würde.

Wo man zuverlässige Kondensatorteile findet

Das Problem der Kondensatorpest, das wir zu Beginn dieses Artikels erwähnt haben, gilt als „echter Fehler“ (d.h. bezogen auf Ausfallraten) und ist nicht dasselbe wie das Verschleiß eines Bauteils über seine Lebensdauer. Stellt ein tropfender Wasserhahn in Ihrem Badezimmer einen Defekt dar? Die Antwort ist offensichtlich "nein", es ist in der Regel auf normalen Verschleiß zurückzuführen, was zu erwarten ist.

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