Cosa influenza la durata di vita dei condensatori elettrolitici?

Se parli con un gruppo di ingegneri progettisti, potresti rapidamente credere che il condensatore elettrolitico abbia una reputazione particolarmente dubbia. Questa visione certamente non è stata aiutata dalla cosiddetta "piaga dei condensatori" che si è verificata nei primi anni del nuovo millennio. Un mix di elettroliti difettoso utilizzato in questi tipi di condensatori ha portato a guasti precoci dei dispositivi e, abbastanza spesso, a un "bel pasticcio" sui PCB sui quali erano saldati. A causa della natura ad alta visibilità dei beni che utilizzavano certi marchi di condensatori "colpiti dalla piaga", questa è diventata una grande notizia. Vedi questo link di Wikipedia se desideri vedere più dettagli.

Tuttavia, nonostante il problema della piaga dei condensatori (che Wikipedia ha riportato come dovuto a un tentativo maldestro di spionaggio industriale che ha risultato in una formula elettrolitica errata utilizzata), questo articolo si concentra nell'aiutare il progettista a capire come ottenere molti più anni di vita utile da un condensatore elettrolitico. Non ci addentreremo troppo nel confrontare i valori di durata dei condensatori elettrolitici per vari componenti. La conclusione è che si ottiene ciò per cui si paga e, che piaccia o no, i condensatori elettrolitici sono una necessità in molti progetti.

Cosa causa il guasto dei condensatori elettrolitici?

Il meccanismo primario che causa la degradazione e il guasto dei condensatori elettrolitici è la lenta evaporazione dell'elettrolita nel tempo, e ovviamente, questo è peggiorato a temperature più alte. Ciò comporta una minore capacitanza e una maggiore resistenza serie effettiva (ESR). È un po' un circolo vizioso perché man mano che l'ESR aumenta, aumenta anche qualsiasi effetto di auto-riscaldamento dovuto alle correnti di ripple. Questo può poi portare a significativi aumenti localizzati della temperatura che possono accelerare ulteriormente il problema. In passato, ciò ha influenzato alcune aziende ad implementare una regola di manutenzione pianificata, dove i condensatori elettrolitici vengono sostituiti con componenti di sostituzione adatti ogni pochi anni, in particolare quando il sistema è utilizzato in applicazioni critiche.

Specifiche dei condensatori

Spesso si vede che un condensatore elettrolitico avrà una durata dichiarata, come 5000 ore. Useremo il datasheet TDK (precedentemente EPCOS) come esempio di come interpretare queste informazioni. Questo datasheet è per un condensatore B41888, ed è uno che ho utilizzato in prodotti abbastanza critici che avevano una lunga durata prevista. Il riassunto del datasheet è il seguente:

Ho evidenziato le aree rilevanti in rosso. Ciò indica che un condensatore di diametro 8 mm garantirà 5000 ore di vita utile. Questo corrisponde a una durata di soli 208 giorni, che a prima vista, è un valore molto basso. Tuttavia, tale cifra si riferisce a una temperatura operativa di 105 °C. Se la temperatura operativa fosse più fresca di 10 °C, a 95 °C, allora la durata raddoppierebbe. Raddoppierà per ogni diminuzione di 10 °C al di sotto dei 105 °C. Quindi, se la temperatura ambiente di funzionamento di un condensatore in un determinato circuito fosse mantenuta al di sotto dei 55 °C, è possibile utilizzare la seguente formula per calcolare la durata effettiva:

Durata utile effettiva = [Durata a 105 °C] ∙2x 

Dove “x” è (105 °C - T_ATTUALE) diviso per 10. A una temperatura di 55 °C, “x” = 5, e quindi la durata utile passa da 5.000 ore a 105 °C a 32 x 5000 ore a 55 °C. Questo ora corrisponde a 18 anni ed è molto più pratico.

Cosa Significa la “Durata Utile” di un Condensatore?

Riguardo al datasheet sopra, la colonna evidenziata sulla destra ti informa che la capacità può degradare dal suo valore originale fino a un valore che può essere fino al 40% più basso durante la durata utile del componente. Quindi, se selezioni un condensatore da 1000 μF per il tuo progetto, potresti aspettarti che il suo valore iniziale più basso sia 800 μF basato sulla tolleranza del 20% specificata nel datasheet. Di conseguenza, alla fine della sua “durata utile”, lo scenario peggiore è che potrebbe essere sceso al 60% di questo valore iniziale di 800 μF, che è solo 480 μF. Come progettista, solo tu puoi dire se ciò garantirà prestazioni adeguate a fine vita per il tuo prodotto. È di vitale importanza che tu, come progettista, prenda in considerazione questo fattore di degradazione.

Fattore di Dissipazione

Per il dispositivo B41888, il datasheet ci informa che “tan” potrebbe aumentare di un fattore di tre volte durante la durata. Tan è il fattore di dissipazione o il rapporto tra ESR e reattanza capacitiva, e non deve essere confuso con tangente di perdita. Per riferimento, è anche l'inverso del fattore Q. Con un dispositivo B41888 valutato a 35 volt, tan è elencato come 0.12 a 120 Hz. Un condensatore da 1000 μF ha una reattanza di 1.326 Ω a 120 Hz, il che significa che l'ESR è 0.159 Ω.

Questa è la cifra per un condensatore esattamente di 1000 μF, ma abbiamo visto che potrebbe essere alta fino a 0.199 Ω per un condensatore che si trova all'estremità bassa della gamma di tolleranza iniziale (cioè, 800 μF). Alla fine della vita, abbiamo visto che la capacità potrebbe essere solo di 480 μF, e quindi ne consegue che l'ESR potrebbe salire a 0.332 Ω. Infine, poiché tan può degradare di un fattore di tre durante la durata, l'ESR potrebbe potenzialmente aumentare fino a 0.995 Ω. 

Hai iniziato il tuo progetto con un condensatore nominalmente di 1000 μF (con un ESR di 0.159 Ω), e ora potresti finire con un condensatore che è 480 μF con un ESR di circa 1 Ω. Il tuo progetto sarà in grado di sopportare questo? Come influenzerà le prestazioni? Suggerimento - gli strumenti di simulazione sono tuoi alleati in questa situazione; usali per vedere gli effetti.

Altri fattori che influenzano la durata dei condensatori elettrolitici

Corrente di ripple

La figura di durata del B41888 presume che sia operato alla corrente di ripple massima. Tuttavia, troverai anche questo utile grafico nel datasheet che è applicabile per un condensatore di diametro 8 mm:

Se scegli di operare al 50% della corrente di ripple nominale (0,5 sull'asse Y), è equivalente a operare a una temperatura ambiente locale che è di 3 °C più fresca. Ciò rappresenta un potenziale aumento della durata del 23%, e a volte, ogni piccolo extra può contare. Se avessi bisogno di spingere al massimo sulla corrente di ripple, potresti anche ottenere le informazioni di cui hai bisogno da questo grafico. Ad esempio, se fai funzionare il componente al 50% in più rispetto alla corrente di ripple nominalmente valutata a 65 °C, otterresti comunque 100.000 ore di durata utile come otterresti operando alla metà della corrente di ripple valutata a 71 °C. È importante notare che la parte oscurata del grafico è un'area da evitare se non si vuole danneggiare il componente.

Tensione di esercizio del condensatore

Puoi ottenere un decente aumento della durata quando la tensione di esercizio è inferiore alla tensione massima valutata. La stima più conservativa è che la durata raddoppia quando il componente è operato al 50% della tensione valutata. Naturalmente, diventa proporzionalmente minore man mano che la tensione di esercizio si avvicina alla tensione massima valutata. Ho visto stime meno conservative ma, in assenza di dati nelle informazioni del produttore che suggeriscano diversamente, ti consiglierei di attenerti a questa relazione lineare e di non aspettarti ulteriori miglioramenti nella durata oltre il suo raddoppio.

Leggi il Datasheet

Ci sono molte informazioni utili nel datasheet. Ad esempio, per il condensatore B41888 su cui ci siamo concentrati qui, l'estratto del datasheet indica che sebbene il dispositivo di diametro 8 mm abbia una durata di 5.000 ore, un dispositivo di diametro 12,5 mm (o superiore) ha il doppio di questa durata, ovvero 10.000 ore. Se il tuo valore target di capacità consente una scelta nel diametro e hai spazio sulla tua scheda, sarebbe vantaggioso scegliere un componente più grande per migliorare la durata. Ad esempio, se avessi scelto un componente da 100 μF, 35 volt che intendevi far funzionare a 30 volt, otterresti buoni benefici in termini di durata selezionando invece il componente valutato 63 volt.

Il componente da 35 volt ha un diametro di 8 mm, mentre quello da 63 volt è di 10 mm. Tuttavia, il componente da 10 mm ha una durata di 7.000 ore, che potrebbe raddoppiare a 14.000 ore semplicemente facendolo funzionare al 48% della tensione valutata. Il componente da 8 mm ha una durata di 5.000 ore che aumenterebbe solo a 5.833 ore se operato a 30 volt. Quindi, un relativamente piccolo aumento di 2 mm nel diametro ti garantisce un significativo aumento della durata.

Un'altra considerazione riguarda la relazione tra la frequenza di ripple e la valutazione della corrente. Ad esempio, se il tuo progetto richiede un componente da 1000 μF, 35 volt, il datasheet ti dirà che ha una corrente di ripple nominale a 105 °C di 2,459 ampere, ma ciò è a una frequenza specificata di 100 kHz. Quindi, se l'applicazione funziona a una frequenza più bassa, devi usare il grafico qui sotto per determinare l'effetto:

Alle basse frequenze, come 120 Hz, la corrente di ripple nominale è solo il 65% del valore a 100 kHz. Questo significa che per una corretta valutazione della durata in un'applicazione a 120 Hz, sei limitato a una corrente di ripple nominale più bassa di soli 1,598 ampere. 

Tassi di guasto dei condensatori

Non confondere il graduale degrado delle prestazioni di un condensatore elettrolitico durante la sua vita prevista con i tassi di guasto o MTBF. Il guasto improvviso e inaspettato di un componente elettronico è diverso dal modo in cui il componente potrebbe "invecchiare". Naturalmente, se il circuito che hai progettato smette di funzionare a causa dell'invecchiamento di un condensatore elettrolitico, questo è un guasto del dispositivo dal punto di vista dell'utente. Tuttavia, il guasto del progettista non è riconoscere come le prestazioni del componente si degradano naturalmente nel tempo. In altre parole, è un fallimento di progettazione e non un guasto del componente.

Un condensatore elettrolitico avrà un MTBF misurato in milioni di ore. Anche se ciò può essere degradato sia dalla quantità di energia che immagazzina sia dalla sua temperatura operativa ambiente, è comunque lontano dall'essere vicino alla durata utile molto più bassa del componente.

Perché usare affatto i condensatori elettrolitici?

Se gli elettrolitici hanno tali problemi, perché sono così ampiamente utilizzati? Ci sono diverse ragioni, ma tra le principali c'è la capacità di ottenere valutazioni di alta tensione con alte capacitanze che sono generalmente richieste nei progetti di alimentazione. A causa della chimica negli elettroliti, non esiste un altro tipo di componente che ti offre la stessa combinazione di alta capacitanza e alta tensione. Con altri componenti, la parte diventa fisicamente enorme, o è necessario posizionare in parallelo un enorme numero di parti.

In un progetto passato, ho avuto bisogno di usare 20 condensatori elettrolitici in parallelo (3.300 μF, 35 volt) per creare un significativo dispositivo di immagazzinamento energetico in un progetto recente. Lo menziono perché ti aiuterà a capire la differenza tra durata e MTBF. Il circuito riceveva una corrente di carica bassa in mA ma era soggetto a sporadici impulsi di corrente di carico misurati in ampere. 

Per quanto riguarda l'intera durata del dispositivo di memorizzazione, mi aspetto che i componenti paralleli si degradino allo stesso modo nel tempo. In altre parole, la durata di tutti i 20 componenti dovrebbe essere la stessa della durata di un singolo dispositivo. Tuttavia, per il MTBF, il valore del singolo dispositivo dovrebbe essere diviso per 20 perché i componenti sono in parallelo, e qualsiasi dei 20 potrebbe guastarsi a causa di un cortocircuito, causando il fallimento del dispositivo.

Dove trovare parti di condensatori affidabili

Il problema della peste dei condensatori di cui abbiamo parlato all'inizio di questo articolo è considerato un "guasto proprio" (cioè, relativo ai tassi di guasto) e non è lo stesso dell'usura di un componente durante la sua vita utile. Un rubinetto che gocciola costituisce un guasto nel tuo bagno? La risposta è ovviamente "no", è solitamente dovuto all'usura normale, che è da aspettarsi.

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