¿Qué influye en la vida útil del condensador electrolítico?

Si hablas con un grupo de ingenieros de diseño, podrías rápidamente creer que el capacitor electrolítico tiene una reputación particularmente dudosa. Esta visión ciertamente no ha sido ayudada por la llamada "plaga de los capacitores" que ocurrió en los primeros años del nuevo milenio. Una mezcla de electrolito defectuosa utilizada en estos tipos de capacitores condujo a fallos prematuros de los dispositivos, y bastante a menudo, se hizo "un poco de lío" en los PCBs en los que estaban soldados. Debido a la naturaleza de alto perfil de los bienes que usaron ciertas marcas de capacitores "plagados", esto se convirtió en grandes noticias. Consulta este enlace de Wikipedia si te gustaría ver más detalles.

Sin embargo, a pesar del problema de la plaga de los capacitores (que Wikipedia reportó como resultado de un intento fallido de espionaje industrial que resultó en una fórmula de electrolito incorrecta siendo utilizada), este artículo se enfoca en ayudar al diseñador a entender cómo obtener muchos más años de vida útil de un capacitor electrolítico. No profundizaremos demasiado en comparar los valores de vida útil de los capacitores electrolíticos para varios componentes. La conclusión es que obtienes lo que pagas, y te guste o no, los capacitores electrolíticos son una necesidad en muchos diseños.

¿Qué causa el fallo de los capacitores electrolíticos?

El mecanismo principal que causa la degradación y fallo de los capacitores electrolíticos es la lenta evaporación del electrolito con el tiempo, y por supuesto, esto empeora a temperaturas más altas. Esto resulta en una menor capacitancia y una mayor resistencia en serie efectiva (ESR). Es un poco un círculo vicioso porque a medida que la ESR aumenta, también lo hace cualquier efecto de auto-calentamiento debido a las corrientes de ondulación. Esto puede llevar a aumentos significativos de temperatura localizados que pueden acelerar el problema aún más. En el pasado, esto ha influenciado a algunas compañías a implementar una regla de mantenimiento planificado, donde los capacitores electrolíticos se cambian por componentes de reemplazo adecuados cada pocos años, particularmente cuando el sistema se utiliza en aplicaciones críticas.

Especificaciones de los capacitores

A menudo ves que un capacitor electrolítico tendrá una cifra de vida útil declarada, como 5000 horas. Vamos a usar la hoja de datos de TDK (anteriormente EPCOS) como ejemplo de cómo interpretar esta información. Esta hoja de datos es para un capacitor B41888, y es uno que he usado en productos bastante críticos que tenían una larga vida útil esperada. El resumen de la hoja de datos es el siguiente:

He resaltado las áreas relevantes en rojo. Esto indica que un capacitor de 8 mm de diámetro ofrecerá 5000 horas de vida útil. Eso es una vida de apenas 208 días, que a primera vista, es un valor muy bajo. Sin embargo, esa cifra es para una temperatura de funcionamiento de 105 °C. Si la temperatura de funcionamiento fuera 10 °C más baja, a 95 °C, entonces la vida útil se duplicaría. Se duplicará por cada disminución de 10 °C por debajo de los 105 °C. Así, si la temperatura ambiente de funcionamiento de un capacitor en un circuito particular se mantuviera por debajo de 55 °C, puedes usar la siguiente fórmula para calcular la vida útil real:

Vida útil real = [Vida útil a 105 °C] ∙2x 

Donde “x” es (105 °C - T_ACTUAL) dividido por 10. A una temperatura de 55 °C, “x” = 5, y por lo tanto la vida útil útil se extiende de 5,000 horas a 105 °C a 32 x 5000 horas a 55 °C. Eso ahora son 18 años y mucho más práctico.

¿Qué significa la "Vida útil útil" de un Capacitor?

En relación con la hoja de datos anterior, la columna destacada a la derecha te informa que la capacitancia puede degradarse desde su valor original hasta un valor que puede ser hasta un 40% más bajo durante la vida útil útil del componente. Así, si seleccionas un capacitor de 1000 μF para tu diseño, podrías esperar que su valor inicial más bajo sea de 800 μF basado en la tolerancia del 20% especificada en la hoja de datos del dispositivo. Por consiguiente, al final de su "vida útil útil", el peor escenario es que podría haber bajado a 60% de este valor inicial de 800 μF, que es apenas 480 μF. Como diseñador, solo tú puedes decir si esto proporcionará un rendimiento adecuado al final de la vida útil de tu producto. Es críticamente importante que, como diseñador, tengas en cuenta este factor de degradación.

Factor de Disipación

Para el dispositivo B41888, la hoja de datos nos dice que “tan” podría aumentar por un factor de tres veces durante la vida útil. Tan es el factor de disipación o la relación entre ESR y la reactancia capacitiva, y no debe confundirse con tangente de pérdida. Para referencia, también es el inverso del factor Q. Con un dispositivo B41888 de 35 voltios, tan se lista como 0.12 a 120 Hz. Un capacitor de 1000 μF tiene una reactancia de 1.326 Ω a 120 Hz, lo que significa que el ESR es 0.159 Ω.

Esa es la cifra para un capacitor de exactamente 1000 μF, pero hemos visto que podría ser tan alto como 0.199 Ω para un capacitor que se encuentra en el extremo inferior del rango de tolerancia inicial (es decir, 800 μF). Al final de su vida útil, hemos visto que la capacitancia podría ser solo de 480 μF, y por lo tanto se deduce que el ESR podría aumentar a 0.332 Ω. Finalmente, porque tan puede degradarse por un factor de tres durante la vida útil, ESR podría potencialmente aumentar hasta 0.995 Ω. 

Comenzaste tu diseño con un capacitor que nominalmente era de 1000 μF (con un ESR de 0.159 Ω), y ahora podrías terminar con un capacitor que es de 480 μF con un ESR de aproximadamente 1 Ω. ¿Podrá tu diseño lidiar con esto? ¿Cómo afectará al rendimiento? Pista - las herramientas de simulación son tu aliado en esta situación; úsalas para ver los efectos.

Otros factores que afectan la vida útil del condensador electrolítico

Corriente de ondulación

La figura de vida útil B41888 asume que se opera a la corriente de ondulación completa. Sin embargo, también encontrarás este útil gráfico en la hoja de datos que es aplicable para un condensador de 8 mm de diámetro:

Si eliges operar al 50% de la corriente de ondulación nominal (0.5 en el eje Y), es equivalente a operar a una temperatura ambiente local que es 3 °C más baja. Eso es un aumento potencial del 23% en la vida útil, y a veces, cada pequeño extra cuenta. Si necesitaras forzar los límites en la corriente de ondulación, también podrías obtener la información que necesitas de este gráfico. Por ejemplo, si operas el componente al 50% por encima de la corriente de ondulación nominalmente calificada a 65 °C, todavía lograrías 100,000 horas de vida útil útil como lo harías al operar a la mitad de la corriente de ondulación calificada a 71 °C. Es importante notar que la parte oscurecida del gráfico es una zona prohibida si no quieres dañar el componente.

Voltaje de Operación del Condensador

Puedes lograr un aumento decente en la vida útil cuando el voltaje de operación es menor que el voltaje máximo calificado. La estimación más conservadora es que la vida útil se duplica cuando el componente se opera al 50% del voltaje calificado. Por supuesto, se vuelve proporcionalmente menor a medida que el voltaje de operación se acerca al voltaje máximo calificado. He visto estimaciones menos conservadoras pero, en ausencia de cualquier dato en la información del fabricante que sugiera lo contrario, te aconsejaría que te apegues a esta relación lineal y no esperes ninguna mejora adicional en la vida útil más allá de su duplicación.

Lee la Hoja de Datos

Hay mucha información conveniente en la hoja de datos. Por ejemplo, para el condensador B41888 que hemos enfocado aquí, el extracto de la hoja de datos indica que aunque el dispositivo de 8 mm de diámetro tiene una vida útil de 5,000 horas, un dispositivo de 12.5 mm de diámetro (o mayor) tiene el doble de esto a 10,000 horas. Si tu valor objetivo de capacitancia permite una elección en diámetro y tienes espacio en tu placa, sería beneficioso elegir una parte más grande para mejorar la vida útil. Por ejemplo, si eligieras un componente de 100 μF, 35 voltios que pretendías operar a 30 voltios, obtendrías buenos beneficios de vida útil seleccionando la parte calificada a 63 voltios en su lugar.

La parte de 35 voltios tiene un diámetro de 8 mm, mientras que la parte de 63 voltios es de 10 mm. Sin embargo, la parte de 10 mm tiene una vida útil de 7,000 horas, y eso podría duplicarse a 14,000 horas simplemente operándola al 48% del voltaje calificado. La parte de 8 mm tiene una vida útil de 5,000 horas que solo aumentaría a 5833 horas si se opera a 30 voltios. Así, un aumento relativamente pequeño de 2 mm en diámetro te consigue un aumento significativo en la vida útil.

Otra consideración es la relación entre la frecuencia de ondulación y la clasificación de corriente. Por ejemplo, si su diseño requiere un componente de 1000 μF, 35 voltios, la hoja de datos le indicará que tiene una corriente de ondulación nominal a 105 °C de 2.459 amperios, pero esto es a una frecuencia especificada de 100 kHz. Por lo tanto, si la aplicación funciona a una frecuencia más baja, debe usar el gráfico a continuación para determinar el efecto:

A bajas frecuencias, como 120 Hz, la corriente de ondulación nominal es solo el 65% del valor a 100 kHz. Esto significa que para la correcta evaluación de la vida útil en una aplicación de 120 Hz, está restringido a una corriente de ondulación nominal más limitada de solo 1.598 amperios. 

Tasas de Fallo de los Condensadores

No confunda la degradación gradual en el rendimiento de un condensador electrolítico a lo largo de su vida útil anticipada con las tasas de fallo o MTBF. El fallo súbito e inesperado de cualquier componente electrónico es diferente de cómo el componente podría "envejecer". Por supuesto, si el circuito que diseñó deja de funcionar debido al envejecimiento de un condensador electrolítico, eso es un fallo del dispositivo desde la perspectiva del usuario. Sin embargo, el fallo del diseñador no es reconocer cómo el rendimiento del componente se degrada naturalmente con el tiempo. En otras palabras, es un fallo de diseño y no un fallo del componente.

Un condensador electrolítico tendrá un MTBF medido en millones de horas. Aunque esto puede degradarse tanto por la cantidad de energía que almacena como por su temperatura operativa ambiente, todavía está muy lejos de estar cerca de la vida útil mucho más baja del componente.

¿Por qué usar Condensadores Electrolíticos en Absoluto?

Si los electrolíticos tienen tales problemas, ¿por qué se utilizan tanto? Hay varias razones, pero la principal entre ellas es la capacidad de obtener clasificaciones de alto voltaje con altas capacitancias que son generalmente requeridas en diseños de suministro de energía. Debido a la química en los electrolitos, no hay otro tipo de componente que le brinde la misma combinación de alta capacitancia y alto voltaje. Con otros componentes, la parte se vuelve físicamente enorme, o se necesita colocar una gran cantidad de partes en paralelo.

En un proyecto pasado, necesité usar 20 condensadores electrolíticos en paralelo (3,300 μF, 35 voltios) para crear un dispositivo de almacenamiento de energía significativo en un diseño reciente. Menciono esto porque le ayudará a entender la diferencia entre vida útil y MTBF. El circuito recibió una corriente de carga baja en mA pero estaba sujeto a pulsos de corriente de carga esporádicos que se medían en amperios. 

En lo que respecta a la vida útil del dispositivo de almacenamiento completo, espero completamente que los componentes paralelos se degraden igualmente con el tiempo. En otras palabras, se espera que la vida útil de los 20 componentes sea la misma que la vida útil de un solo dispositivo. Sin embargo, para el MTBF, el valor del dispositivo individual tendría que dividirse por 20 porque los componentes están en paralelo, y cualquiera de los 20 podría fallar por cortocircuito, lo que causaría la falla del dispositivo.

Dónde Encontrar Partes de Capacitores Confiables

El problema de la plaga de los capacitores que mencionamos al inicio de este artículo se considera como una "falla adecuada" (es decir, relacionada con tasas de falla) y no es lo mismo que un componente que se desgasta a lo largo de su vida útil. ¿Constituye un grifo que gotea una falla en su baño? La respuesta es obviamente "no", es solo normalmente debido al desgaste normal, lo cual es de esperarse.

Cuando necesite encontrar partes ultra confiables con una larga vida útil de capacitores electrolíticos, use el Panel de Búsqueda de Partes del Fabricante en Altium Designer®. También puede usar la plataforma Altium 365™ para encontrar partes en producción, gestionar sus datos de diseño y liberar archivos a su fabricante. Solo hemos rascado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puede consultar la página del producto para una descripción de características más profunda o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.