전해 콘덴서 수명에 영향을 미치는 요소는 무엇인가?

설계 엔지니어들과 대화를 나누다 보면, 전해 콘덴서가 특히나 좋지 않은 평판을 가지고 있다고 빠르게 믿게 될 수 있습니다. 이러한 시각은 새 천년의 첫 몇 년 동안 발생한 이른바 "콘덴서 역병"에 의해 확실히 도움이 되지 않았습니다. 이 유형의 콘덴서에 사용된 결함이 있는 전해질 혼합물로 인해 조기 장치 고장이 발생했으며, 종종 PCB에 "조금의 혼란"이 발생했습니다. 특정 브랜드의 "역병에 걸린" 콘덴서를 사용한 제품의 고위험성 때문에 이 문제는 큰 뉴스가 되었습니다. 자세한 내용을 보고 싶으시면 이 위키피디아 링크를 참조하세요.

그러나, 콘덴서 역병의 문제(위키피디아에서는 잘못된 산업 스파이 행위로 인해 잘못된 전해질 공식이 사용되었다고 보고함)에도 불구하고, 이 글은 설계자가 전해 콘덴서에서 몇 년 더 유용한 수명을 얻는 방법을 이해하는 데 도움을 주는 데 중점을 둡니다. 우리는 다양한 구성 요소에 대한 전해 콘덴서 수명 값 비교에 너무 깊이 들어가지 않을 것입니다. 결론은 당신이 지불한 만큼 얻는다는 것이며, 좋든 싫든 전해 콘덴서는 많은 설계에서 필수적입니다.

전해 콘덴서 고장의 원인은 무엇인가요?

전해 콘덴서의 열화와 고장을 일으키는 주요 메커니즘은 시간이 지남에 따라 전해질의 서서히 증발이며, 물론 이는 높은 온도에서 더욱 악화됩니다. 이로 인해 용량이 낮아지고 유효 직렬 저항(ESR)이 높아집니다. ESR이 상승함에 따라 리플 전류로 인한 자체 발열 효과도 증가하는 것은 악순환입니다. 이로 인해 상당한 지역적 온도 상승이 발생하여 문제를 더욱 가속화시킬 수 있습니다. 과거에는 이러한 문제로 인해 일부 회사들이 계획된 유지 보수 규칙을 시행하여, 특히 시스템이 중요한 응용 프로그램에서 사용될 때 몇 년마다 적절한 대체 부품으로 전해 콘덴서를 교체하도록 했습니다.

콘덴서 사양

전해 콘덴서는 종종 5000시간과 같은 수명 수치를 명시하고 있는 것을 볼 수 있습니다. 이 정보를 해석하는 방법의 예로 TDK(이전 EPCOS) 데이터시트를 사용할 것입니다. 이 데이터시트는 B41888 콘덴서에 대한 것이며, 긴 예상 수명을 가진 상당히 중요한 제품에 사용한 것입니다. 데이터시트 요약은 다음과 같습니다:

저는 관련 영역을 빨간색으로 강조했습니다. 이것은 8mm 지름의 캐패시터가 5000시간의 유용한 수명을 제공한다는 것을 알려줍니다. 이것은 겉보기에는 매우 낮은 값인 208일의 수명입니다. 하지만, 그 수치는 운영 온도가 105°C일 때의 것입니다. 운영 온도가 10°C 낮은 95°C라면, 수명은 두 배가 됩니다. 105°C 아래로 10°C마다 두 배가 됩니다. 그러므로, 특정 회로에서 캐패시터의 작동 주변 온도가 55°C 아래로 유지된다면, 실제 수명을 계산하기 위해 다음 공식을 사용할 수 있습니다:

실제 유용한 수명 = [105°C에서의 수명] ∙2x 

여기서 “x”는 (105°C - T_ACTUAL)을 10으로 나눈 값입니다. 55°C에서의 온도에서 “x” = 5이며, 따라서 유용한 수명은 105°C에서 5000시간에서 55°C에서 32 x 5000시간으로 늘어납니다. 이제 18년이 되며 훨씬 더 실용적입니다.

캐패시터의 “유용한 수명”이란 무엇을 의미하나요?

위의 데이터시트와 관련하여, 오른쪽 강조된 열은 구성요소의 유용한 수명 동안 원래 값에서 최대 40% 낮은 값으로 용량이 저하될 수 있음을 알려줍니다. 따라서, 설계에 1000 μF 캐패시터를 선택한다면, 데이터시트에 명시된 장치의 20% 허용 오차를 기반으로 최소 초기 값이 800 μF가 될 것으로 예상할 수 있습니다. 결과적으로, 그것의 “유용한 수명”의 끝에서, 최악의 시나리오는 이 800 μF 초기 값의 60%인 480 μF로 떨어질 수 있다는 것입니다. 설계자로서, 이것이 귀하의 제품에 대한 수명 말기 성능을 제공할지 여부를 판단할 수 있는 것은 귀하뿐입니다. 설계자로서 이러한 저하 요인을 고려하는 것이 매우 중요합니다.

소산 계수

B41888 장치의 경우, 데이터시트는 수명 동안 “tan”이 세 배로 증가할 수 있다고 알려줍니다. Tan은 소산 계수 또는 ESR과 용량성 리액턴스의 비율이며, 손실 탄젠트와 혼동해서는 안 됩니다. 참고로, 이는 Q-계수의 역수이기도 합니다. 35볼트 등급의 B41888 장치의 경우, 120 Hz에서 tan은 0.12로 나열됩니다. 1000 μF캐패시터는 120 Hz에서 1.326 Ω의 리액턴스를 가지므로, ESR은 0.159 Ω입니다.

이것은 정확히 1000 μF인 캐패시터의 수치이지만, 우리는 초기 허용 오차 범위의 낮은 끝에 있는 캐패시터(즉, 800 μF)의 경우 최대 0.199 Ω일 수 있음을 보았습니다. 수명 말기에는, 용량이 480 μF만 될 수 있으므로, ESR이 0.332 Ω으로 상승할 수 있습니다. 마지막으로, 수명 동안 tan이 세 배로 저하될 수 있기 때문에, ESR은 최대 0.995 Ω까지 증가할 수 있습니다.

귀하가 설계를 시작할 때는 명목상 1000 μF(ESR이 0.159 Ω)인 캐패시터였고, 이제는 ESR이 약 1 Ω인 480 μF 캐패시터로 끝날 수 있습니다. 귀하의 설계가 이를 감당할 수 있을까요? 성능에 어떤 영향을 미칠까요? 힌트 - 이 상황에서 시뮬레이션 도구는 귀하의 동맹입니다; 그것들을 사용하여 효과를 확인하세요.

전해 콘덴서 수명에 영향을 미치는 기타 요인들

리플 전류

B41888 수명 수치는 전체 리플 전류에서 운영될 때를 가정합니다. 하지만, 8mm 직경의 콘덴서에 적용 가능한 이 유용한 그래프도 데이터시트에서 찾을 수 있습니다:

정격 리플 전류의 50%에서 운영을 선택하면(Y축에서 0.5), 이는 3°C 더 낮은 현지 주변 온도에서 운영하는 것과 동일합니다. 이는 수명이 23% 증가할 수 있는 잠재력을 의미하며, 때로는 조금이라도 추가로 얻을 수 있는 것이 중요할 수 있습니다. 리플 전류를 최대한 활용해야 한다면, 이 그래프에서 필요한 정보를 얻을 수도 있습니다. 예를 들어, 65°C에서 정격 리플 전류의 50%를 초과하여 구성 요소를 운영하면, 71°C에서 정격 리플 전류의 절반을 운영할 때와 같이 100,000시간의 유용한 수명을 달성할 수 있습니다. 그래프의 어두운 부분은 구성 요소를 손상시키지 않으려면 피해야 할 구역임을 주목하는 것이 중요합니다.

콘덴서 운영 전압

운영 전압이 최대 정격 전압보다 낮을 때 상당한 수명 증가를 달성할 수 있습니다. 가장 보수적인 추정에 따르면, 구성 요소가 정격 전압의 50%에서 운영될 때 수명이 두 배로 늘어납니다. 물론, 운영 전압이 최대 정격 전압에 가까워질수록 증가 폭은 비례적으로 작아집니다. 덜 보수적인 추정도 보았지만, 제조업체 정보에 다른 데이터가 없는 한, 이 선형 관계를 고수하고 수명이 두 배로 늘어나는 것 이상을 기대하지 않는 것이 좋습니다. 

데이터시트 읽기

데이터시트에는 편리한 정보가 많습니다. 예를 들어, 여기에서 중점을 둔 B41888 콘덴서의 경우, 데이터시트 발췌문은 8mm 직경 장치의 수명이 5,000시간이지만, 12.5mm(또는 그 이상) 직경 장치는 이보다 두 배인 10,000시간임을 나타냅니다. 목표 용량 값이 직경 선택을 허용하고 보드에 공간이 있다면, 수명을 향상시키기 위해 더 큰 부품을 선택하는 것이 유리할 것입니다. 예를 들어, 30볼트에서 운영할 예정인 100 μF, 35볼트 구성 요소를 선택했다면, 대신 63볼트로 정격된 부품을 선택함으로써 좋은 수명 혜택을 얻을 수 있습니다. 

35볼트 부품은 8mm 직경이고, 63볼트 부품은 10mm입니다. 하지만, 10mm 부품은 7,000시간의 수명을 가지며, 이는 정격 전압의 48%에서 운영함으로써 14,000시간으로 두 배가 될 수 있습니다. 8mm 부품은 30볼트에서 운영될 때 5,000시간의 수명이 5,833시간으로만 증가합니다. 그러므로, 상대적으로 작은 2mm의 직경 증가가 상당한 수명 증가를 가져옵니다.

또 다른 고려 사항은 리플 주파수와 전류 등급 간의 관계입니다. 예를 들어, 설계가 1000 μF, 35볼트 부품을 요구하는 경우, 데이터시트는 105°C에서 2.459암페어의 정격 리플 전류를 가지고 있음을 알려줍니다. 하지만 이는 지정된 100 kHz에서의 값입니다. 따라서, 애플리케이션이 더 낮은 주파수에서 작동하는 경우, 아래 그래프를 사용하여 영향을 결정해야 합니다:

120 Hz와 같은 저주파수에서는, 정격 리플 전류가 100 kHz에서의 값의 65%에 불과합니다. 이는 120 Hz 애플리케이션에서 올바른 수명 평가를 위해 단지 1.598암페어의 더 제한된 정격 리플 전류에 제한된다는 것을 의미합니다.

커패시터 실패율

전해 커패시터의 성능이 예상 수명 동안 점진적으로 저하되는 것을 실패율이나 MTBF와 혼동하지 마십시오. 전자 부품의 갑작스럽고 예기치 않은 실패는 부품이 "노화"하는 방식과 다릅니다. 물론, 설계한 회로가 전해 커패시터의 노화로 인해 작동을 멈추면 사용자 관점에서는 장치 실패입니다. 하지만, 설계자의 실패는 부품의 성능이 시간이 지남에 따라 자연스럽게 저하된다는 것을 인식하지 못하는 것입니다. 즉, 부품 실패가 아니라 설계 실패입니다.

전해 커패시터는 수백만 시간에 달하는 MTBF를 가집니다. 이는 저장하는 에너지의 양과 주변 운영 온도에 의해 저하될 수 있지만, 여전히 부품의 훨씬 낮은 사용 가능 수명과는 거리가 멉니다.

왜 전해 커패시터를 사용하나요?

전해 커패시터에 문제가 있다면 왜 널리 사용될까요? 여러 가지 이유가 있지만, 주된 이유는 전원 공급 설계에서 일반적으로 요구되는 고전압 등급과 고용량을 얻을 수 있는 능력입니다. 전해질의 화학 때문에, 높은 용량과 고전압의 같은 조합을 제공하는 다른 부품 유형은 없습니다. 다른 부품들을 사용하면 부품이 물리적으로 거대해지거나, 많은 수의 부품을 병렬로 배치해야 합니다.

과거 프로젝트 중 하나에서, 최근 설계에서 상당한 에너지 저장 장치를 만들기 위해 20개의 병렬 전해 커패시터(3,300 μF, 35볼트)를 사용해야 했습니다. 이는 수명과 MTBF 사이의 차이를 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 회로는 낮은 mA 충전 전류를 받았지만, 암페어 단위로 측정된 간헐적인 부하 전류 펄스를 받았습니다.

전체 저장 장치의 수명과 관련하여, 병렬로 연결된 구성 요소들이 시간이 지남에 따라 동등하게 열화될 것으로 전적으로 예상합니다. 즉, 20개 구성 요소 모두의 수명이 단일 장치의 수명과 같을 것으로 예상됩니다. 그러나 MTBF의 경우, 구성 요소들이 병렬로 연결되어 있고 20개 중 어느 하나가 단락되어 장치의 실패를 초래할 수 있으므로 단일 장치의 값은 20으로 나누어야 합니다.

신뢰할 수 있는 캐패시터 부품 찾기

이 글의 시작 부분에서 언급한 캐패시터 플레이그 문제는 "적절한 실패"(즉, 실패율과 관련된)로 간주되며, 구성 요소가 수명 동안 마모되는 것과는 다릅니다. 욕실의 물이 새는 것이 실패로 간주됩니까? 답은 분명히 "아니오"이며, 이는 보통 정상적인 마모와 찢어짐으로 예상되는 것입니다.

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