Quels sont les facteurs influençant la durée de vie des condensateurs électrolytiques ?

Si vous parlez avec un groupe d'ingénieurs concepteurs, vous pourriez rapidement croire que le condensateur électrolytique a une réputation particulièrement douteuse. Cette vue n'a certainement pas été aidée par la soi-disant "épidémie de condensateurs" qui s'est produite dans les premières années du nouveau millénaire. Un mélange d'électrolyte défectueux utilisé dans ces types de condensateurs a conduit à des défaillances précoces des dispositifs, et assez souvent, un "beau désordre" a été fait sur les PCBs sur lesquels ils étaient soudés. En raison de la nature très médiatisée des produits qui utilisaient certaines marques de condensateurs "infectés", cela est devenu une grande nouvelle. Voir ce lien Wikipedia si vous souhaitez voir plus de détails.

Cependant, malgré le problème de l'épidémie de condensateurs (que Wikipedia a rapporté comme étant dû à une tentative ratée d'espionnage industriel résultant en une formule d'électrolyte incorrecte utilisée), cet article se concentre sur l'aide au concepteur pour comprendre comment obtenir de nombreuses années de vie utile supplémentaires d'un condensateur électrolytique. Nous n'entrerons pas trop dans la comparaison des valeurs de durée de vie des condensateurs électrolytiques pour divers composants. Le fond de l'affaire est que vous obtenez ce pour quoi vous payez, et qu'on le veuille ou non, les condensateurs électrolytiques sont une nécessité dans de nombreux designs.

Qu'est-ce qui cause la défaillance des condensateurs électrolytiques ?

Le mécanisme principal qui cause la dégradation et la défaillance des condensateurs électrolytiques est l'évaporation lente de l'électrolyte au fil du temps, et bien sûr, cela est aggravé à des températures plus élevées. Cela résulte en une capacité plus faible et une résistance série effective (ESR) plus élevée. C'est un peu un cercle vicieux car à mesure que l'ESR augmente, l'effet d'auto-échauffement dû aux courants de ripple augmente également. Cela peut alors conduire à des augmentations significatives de température localisées qui peuvent accélérer le problème encore davantage. Dans le passé, cela a poussé certaines entreprises à mettre en œuvre une règle de maintenance planifiée, où les condensateurs électrolytiques sont remplacés par des composants de remplacement appropriés tous les quelques années, en particulier lorsque le système est utilisé dans des applications critiques.

Spécifications des condensateurs

Vous voyez souvent qu'un condensateur électrolytique aura une durée de vie indiquée, comme 5000 heures. Nous allons utiliser la fiche technique de TDK (précédemment EPCOS) comme exemple de comment interpréter cette information. Cette fiche technique est pour un condensateur B41888, et c’est un que j’ai utilisé dans des produits assez critiques qui avaient une longue durée de vie attendue. Le résumé de la fiche technique est le suivant :

J'ai mis en évidence les zones pertinentes en rouge. Cela indique qu'un condensateur de 8 mm de diamètre offrira 5000 heures de durée de vie utile. Cela représente une durée de vie de seulement 208 jours, ce qui, à première vue, est une valeur très faible. Cependant, ce chiffre est pour une température de fonctionnement de 105 °C. Si la température de fonctionnement était de 10 °C plus froide, à 95 °C, alors la durée de vie doublerait. Elle doublera pour chaque diminution de 10 °C en dessous de 105 °C. Ainsi, si la température ambiante de fonctionnement d'un condensateur dans un circuit particulier était maintenue en dessous de 55 °C, vous pouvez utiliser la formule suivante pour calculer la durée de vie réelle :

Durée de vie utile réelle = [Durée de vie à 105 °C] ∙2x 

Où « x » est (105 °C - T_ACTUEL) divisé par 10. À une température de 55 °C, « x » = 5, et donc la durée de vie utile passe de 5 000 heures à 105 °C à 32 x 5000 heures à 55 °C. Cela représente maintenant 18 ans et c'est tellement plus pratique.

Que signifie la « durée de vie utile » d'un condensateur ?

Concernant la fiche technique ci-dessus, la colonne surlignée à droite vous informe que la capacité peut se dégrader de sa valeur originale jusqu'à une valeur pouvant être jusqu'à 40 % inférieure sur la durée de vie utile du composant. Donc, si vous sélectionnez un condensateur de 1000 μF pour votre conception, vous pourriez vous attendre à ce que sa valeur initiale la plus basse soit de 800 μF, basée sur la tolérance de 20 % du dispositif spécifiée dans la fiche technique. Par conséquent, à la fin de sa « durée de vie utile », le pire scénario est qu'il pourrait avoir chuté à 60 % de cette valeur initiale de 800 μF, ce qui n'est que 480 μF. En tant que concepteur, c'est à vous de dire si cela fournira une performance adéquate en fin de vie pour votre produit. Il est essentiel que vous, en tant que concepteur, preniez en compte ce facteur de dégradation.

Facteur de dissipation

Pour le dispositif B41888, la fiche technique nous dit que « tan » pourrait augmenter d'un facteur de trois fois au cours de la durée de vie. Tan est le facteur de dissipation ou le rapport de la résistance équivalente série (ESR) à la réactance capacitive, et ne doit pas être confondu avec le tangent de perte. Pour référence, c'est aussi l'inverse du facteur Q. Avec un dispositif B41888 de 35 volts, tan est listé comme étant 0.12 à 120 Hz. Un condensateur de 1000 μF a une réactance de 1.326 Ω à 120 Hz, ce qui signifie que l'ESR est de 0.159 Ω.

C'est la valeur pour un condensateur exactement de 1000 μF, mais nous avons vu qu'elle pourrait être aussi élevée que 0.199 Ω pour un condensateur se situant à l'extrémité basse de la plage de tolérance initiale (c'est-à-dire, 800 μF). À sa fin de vie, nous avons vu que la capacité pourrait n'être que de 480 μF, et donc il s'ensuit que l'ESR pourrait monter à 0.332 Ω. Enfin, parce que tan peut se dégrader d'un facteur de trois au cours de la durée de vie, l'ESR pourrait potentiellement augmenter jusqu'à 0.995 Ω. 

Vous avez commencé votre conception avec un condensateur nominativement de 1000 μF (avec un ESR de 0.159 Ω), et maintenant vous pourriez vous retrouver avec un condensateur de 480 μF avec un ESR d'environ 1 Ω. Votre conception pourra-t-elle y faire face ? Comment cela affectera-t-il la performance ? Indice - les outils de simulation sont vos alliés dans cette situation ; utilisez-les pour voir les effets.

Autres facteurs influençant la durée de vie des condensateurs électrolytiques

Courant ondulatoire

La durée de vie du B41888 suppose qu'il est utilisé à plein courant ondulatoire. Cependant, vous trouverez également dans la fiche technique ce graphique utile applicable pour un condensateur de 8 mm de diamètre :

Si vous choisissez de fonctionner à 50 % du courant ondulatoire nominal (0,5 sur l'axe des Y), cela équivaut à fonctionner à une température ambiante locale qui est de 3 °C plus basse. Cela représente une augmentation potentielle de la durée de vie de 23 %, et parfois, chaque petit supplément peut compter. Si vous aviez besoin de pousser les limites du courant ondulatoire, vous pourriez également obtenir les informations nécessaires à partir de ce graphique. Par exemple, si vous faites fonctionner le composant à 50 % au-dessus du courant ondulatoire nominale à 65 °C, vous atteindriez toujours 100 000 heures de durée de vie utile, comme vous le feriez en fonctionnant à la moitié du courant ondulatoire nominal à 71 °C. Il est important de noter que la partie assombrie du graphique est une zone à éviter si vous ne voulez pas endommager le composant.

Tension de fonctionnement du condensateur

Vous pouvez obtenir une augmentation significative de la durée de vie lorsque la tension de fonctionnement est inférieure à la tension nominale maximale. L'estimation la plus conservatrice est que la durée de vie double lorsque le composant est utilisé à 50 % de la tension nominale. Bien sûr, cela devient proportionnellement plus petit à mesure que la tension de fonctionnement se rapproche de la tension nominale maximale. J'ai vu des estimations moins conservatrices mais, en l'absence de données dans les informations du fabricant suggérant le contraire, je vous conseillerais de vous en tenir à cette relation linéaire et de ne pas vous attendre à une amélioration supplémentaire de la durée de vie au-delà de son doublement.

Lisez la fiche technique

Il y a beaucoup d'informations pratiques dans la fiche technique. Par exemple, pour le condensateur B41888 sur lequel nous nous sommes concentrés ici, l'extrait de la fiche technique indique que bien que le dispositif de 8 mm de diamètre ait une durée de vie de 5 000 heures, un dispositif de 12,5 mm de diamètre (ou plus) a le double de cela à 10 000 heures. Si votre valeur cible de capacité permet un choix de diamètre et que vous avez de la place sur votre carte, il serait bénéfique de choisir une pièce plus grande pour améliorer la durée de vie. Par exemple, si vous choisissiez un composant de 100 μF, 35 volts que vous aviez l'intention de faire fonctionner à 30 volts, vous obtiendriez de bons avantages en termes de durée de vie en sélectionnant la pièce évaluée à 63 volts à la place.

La pièce de 35 volts a un diamètre de 8 mm, tandis que la pièce de 63 volts fait 10 mm. Cependant, la pièce de 10 mm a une durée de vie de 7 000 heures, et cela pourrait doubler à 14 000 heures juste en la faisant fonctionner à 48 % de la tension nominale. La pièce de 8 mm a une durée de vie de 5 000 heures qui n'augmenterait qu'à 5833 heures si elle était utilisée à 30 volts. Ainsi, une augmentation relativement petite de 2 mm de diamètre vous procure une augmentation significative de la durée de vie.

Un autre élément à prendre en compte est la relation entre la fréquence de ripple et le courant nominal. Par exemple, si votre conception nécessite un composant de 1000 μF, 35 volts, la fiche technique vous indiquera qu'il a un courant de ripple nominal à 105 °C de 2,459 ampères, mais cela à une fréquence spécifiée de 100 kHz. Donc, si l'application fonctionne à une fréquence plus basse, vous devez utiliser le graphique ci-dessous pour déterminer l'effet :

À de basses fréquences, comme 120 Hz, le courant de ripple nominal est seulement de 65 % de la valeur à 100 kHz. Cela signifie que pour une évaluation correcte de la durée de vie dans une application à 120 Hz, vous êtes limité à un courant de ripple nominal plus restreint de juste 1,598 ampères.

Taux de défaillance des condensateurs

Ne confondez pas la dégradation progressive de la performance d'un condensateur électrolytique au cours de sa durée de vie prévue avec les taux de défaillance ou le MTBF. La défaillance soudaine et inattendue d'un composant électronique est différente de la manière dont le composant peut « vieillir ». Bien sûr, si le circuit que vous avez conçu cesse de fonctionner en raison du vieillissement d'un condensateur électrolytique, cela représente une défaillance de l'appareil du point de vue de l'utilisateur. Cependant, la défaillance du concepteur n'est pas de reconnaître comment la performance du composant se dégrade naturellement avec le temps. En d'autres termes, c'est une défaillance de conception et non une défaillance du composant.

Un condensateur électrolytique aura un MTBF mesuré en millions d'heures. Bien que cela puisse être dégradé par la quantité d'énergie qu'il stocke et sa température ambiante de fonctionnement, cela reste bien loin d'être proche de la durée de vie utilisable beaucoup plus faible du composant.

Pourquoi utiliser des condensateurs électrolytiques ?

Si les électrolytiques présentent de tels problèmes, pourquoi sont-ils si largement utilisés ? Il y a plusieurs raisons, mais la principale est la capacité d'obtenir des valeurs de tension élevées avec de grandes capacitances qui sont généralement requises dans les conceptions d'alimentation électrique. En raison de la chimie des électrolytes, aucun autre type de composant ne vous offre la même combinaison de haute capacitance et haute tension. Avec d'autres composants, la pièce devient soit physiquement énorme, soit un grand nombre de pièces doit être placé en parallèle.

Dans un projet passé, j'ai eu besoin d'utiliser 20 condensateurs électrolytiques en parallèle (3 300 μF, 35 volts) pour créer un dispositif de stockage d'énergie significatif dans une conception récente. Je mentionne cela parce que cela vous aidera à comprendre la différence entre la durée de vie et le MTBF. Le circuit a reçu un courant de charge faible en mA mais était soumis à des impulsions de courant de charge sporadiques mesurées en ampères.

Concernant la durée de vie totale du dispositif de stockage, je m'attends à ce que les composants parallèles se dégradent de manière égale au fil du temps. En d'autres termes, la durée de vie des 20 composants est censée être la même que celle d'un seul dispositif. Cependant, pour le MTBF, la valeur d'un seul dispositif devrait être divisée par 20 parce que les composants sont en parallèle, et n'importe lequel des 20 pourrait tomber en court-circuit, ce qui provoquerait la défaillance du dispositif.

Où trouver des pièces de condensateurs fiables

Le problème de la peste des condensateurs que nous avons mentionné au début de cet article est considéré comme une "panne propre" (c'est-à-dire, liée aux taux de défaillance) et n'est pas la même chose qu'un composant s'usant au fil de sa durée de vie. Une fuite de robinet constitue-t-elle une panne dans votre salle de bain ? La réponse est évidemment "non", c'est juste généralement dû à l'usure normale, ce qui est à prévoir.

Lorsque vous avez besoin de trouver des pièces ultra-fiables avec une longue durée de vie de condensateur électrolytique, utilisez le Panneau de Recherche de Pièces du Fabricant dans Altium Designer®. Vous pouvez également utiliser la plateforme Altium 365™ pour trouver des pièces en production, gérer vos données de conception et envoyer les fichiers à votre fabricant. Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page du produit pour une description plus approfondie des fonctionnalités ou l'un des Webinaires à la Demande.