O Que Influencia a Vida Útil do Capacitor Eletrolítico?

Se você conversar com um grupo de engenheiros de design, pode rapidamente acreditar que o capacitor eletrolítico tem uma reputação particularmente duvidosa. Essa visão certamente não foi ajudada pela chamada "praga dos capacitores" que ocorreu nos primeiros anos do novo milênio. Uma mistura de eletrólito defeituosa usada nesses tipos de capacitores levou a falhas prematuras dos dispositivos e, muitas vezes, a uma "bagunça" era feita nas PCBs nas quais eles foram soldados. Devido à natureza de alto perfil dos produtos que usavam certas marcas de capacitores "infectados", isso se tornou uma grande notícia. Veja este link da Wikipedia se você quiser ver mais detalhes.

Entretanto, apesar do problema da praga dos capacitores (que a Wikipedia relatou como sendo devido a uma tentativa mal sucedida de espionagem industrial resultando em uma fórmula de eletrólito incorreta sendo usada), este artigo foca em ajudar o designer a entender como obter muitos mais anos de vida útil de um capacitor eletrolítico. Não vamos nos aprofundar muito em comparar os valores de vida útil de capacitores eletrolíticos para vários componentes. A questão principal é que você recebe pelo que paga, e querendo ou não, capacitores eletrolíticos são uma necessidade em muitos designs.

O Que Causa a Falha do Capacitor Eletrolítico?

O principal mecanismo que causa a degradação e falha de capacitores eletrolíticos é a lenta evaporação do eletrólito ao longo do tempo, e claro, isso é piorado em temperaturas mais altas. Isso resulta em menor capacitância e maior resistência série efetiva (ESR). É um pouco de um ciclo vicioso porque à medida que a ESR aumenta, também aumenta qualquer efeito de autoaquecimento devido a correntes de ondulação. Isso pode então levar a aumentos significativos de temperatura localizados que podem acelerar ainda mais o problema. No passado, isso influenciou algumas empresas a implementar uma regra de manutenção planejada, onde capacitores eletrolíticos são trocados por componentes de substituição adequados a cada poucos anos, particularmente quando o sistema é usado em aplicações críticas.

Especificações do Capacitor

É comum ver que um capacitor eletrolítico terá uma figura de vida útil declarada, como 5000 horas. Vamos usar o datasheet da TDK (anteriormente EPCOS) como exemplo de como interpretar essa informação. Este datasheet é para um capacitor B41888, e é um que eu usei em produtos bastante críticos que tinham uma longa expectativa de vida. O resumo do datasheet é o seguinte:

Destaquei as áreas relevantes em vermelho. Isso indica que um capacitor de 8 mm de diâmetro oferecerá 5000 horas de vida útil. Isso equivale a uma vida de apenas 208 dias, o que, à primeira vista, é um valor muito baixo. No entanto, esse número é para uma temperatura operacional de 105 °C. Se a temperatura operacional fosse 10 °C mais baixa, a 95 °C, então a expectativa de vida dobraria. Ela dobrará para cada diminuição de 10 °C abaixo de 105 °C. Assim, se a temperatura ambiente de funcionamento de um capacitor em um circuito específico fosse mantida abaixo de 55 °C, você pode usar a seguinte fórmula para calcular a expectativa de vida real:

Expectativa de vida útil real = [Expectativa de vida a 105 °C] ∙2x 

Onde “x” é (105 °C - T_REAL) dividido por 10. A uma temperatura de 55 °C, “x” = 5, e, portanto, a expectativa de vida útil útil se estende de 5.000 horas a 105 °C para 32 x 5000 horas a 55 °C. Isso agora são 18 anos e muito mais prático.

O Que Significa a “Expectativa de Vida Útil” de um Capacitor?

Em relação à folha de dados acima, a coluna destacada à direita informa que a capacitância pode se degradar de seu valor original para um valor que pode ser até 40% menor ao longo da vida útil do componente. Então, se você selecionar um capacitor de 1000 μF para o seu projeto, você poderia esperar que seu valor inicial mais baixo fosse de 800 μF com base na tolerância de 20% do dispositivo especificada na folha de dados. Consequentemente, no final de sua “vida útil útil”, o cenário mais pessimista é que ele possa ter caído para 60% deste valor inicial de 800 μF, que é apenas 480 μF. Como designer, apenas você pode dizer se isso fornecerá um desempenho adequado no fim da vida útil para o seu produto. É extremamente importante que você, como designer, leve esse fator de degradação em consideração.

Fator de Dissipação

Para o dispositivo B41888, a folha de dados nos informa que “tan” pode aumentar por um fator de três vezes ao longo da vida útil. Tan é o fator de dissipação ou a razão entre ESR e reatância capacitiva, e não deve ser confundido com tangente de perda. Para referência, também é o inverso do fator Q. Com um dispositivo B41888 de 35 volts, tan é listado como 0.12 a 120 Hz. Um capacitor de 1000 μF tem uma reatância de 1.326 Ω a 120 Hz, o que significa que o ESR é de 0.159 Ω.

Esse é o valor para um capacitor exatamente de 1000 μF, mas vimos que ele poderia ser tão alto quanto 0.199 Ω para um capacitor no limite inferior da faixa de tolerância inicial (ou seja, 800 μF). No final da vida útil, vimos que a capacitância pode ser apenas 480 μF, e assim segue que o ESR pode subir para 0.332 Ω. Finalmente, porque tan pode se degradar por um fator de três ao longo da vida útil, o ESR pode potencialmente aumentar até 0.995 Ω. 

Você começou seu projeto com um capacitor nominalmente de 1000 μF (com um ESR de 0.159 Ω), e agora você pode acabar com um capacitor de 480 μF com um ESR de cerca de 1 Ω. Seu projeto será capaz de lidar com isso? Como isso afetará o desempenho? Dica - ferramentas de simulação são suas aliadas nesta situação; use-as para ver os efeitos.

Outros Fatores que Afetam a Vida Útil do Capacitor Eletrolítico

Corrente de Ripple

A figura de vida útil B41888 assume que está operando com corrente de ripple total. No entanto, você também encontrará este gráfico útil na ficha técnica que é aplicável para um capacitor de 8 mm de diâmetro:

Se você optar por operar a 50% da corrente de ripple nominal (0,5 no eixo Y), é equivalente a operar em uma temperatura ambiente local que é 3 °C mais fria. Isso representa um aumento potencial de 23% na vida útil, e às vezes, cada pequeno acréscimo conta. Se você precisasse forçar a barra na corrente de ripple, também poderia obter as informações necessárias deste gráfico. Por exemplo, se você operar o componente a 50% acima da corrente de ripple nominalmente classificada a 65 °C, você ainda alcançaria 100.000 horas de vida útil útil, como conseguiria ao operar com metade da corrente de ripple nominal a 71 °C. É importante notar que a parte escurecida do gráfico é uma área proibida se você não quiser danificar o componente.

Tensão de Operação do Capacitor

Você pode alcançar um aumento decente na vida útil quando a tensão de operação é menor que a tensão máxima nominal. A estimativa mais conservadora é que a vida útil dobra quando o componente é operado a 50% da tensão nominal. Claro, isso se torna proporcionalmente menor à medida que a tensão de operação se aproxima da tensão máxima nominal. Eu vi estimativas menos conservadoras, mas, na ausência de qualquer dado nas informações do fabricante que sugira o contrário, eu aconselharia que você se atenha a essa relação linear e não espere qualquer melhoria adicional na vida útil além dela dobrar. 

Leia a Ficha Técnica

Há muitas informações convenientes na ficha técnica. Por exemplo, para o capacitor B41888 que focamos aqui, o extrato da ficha técnica indica que embora o dispositivo de 8 mm de diâmetro tenha uma vida útil de 5.000 horas, um dispositivo de 12,5 mm de diâmetro (ou maior) tem o dobro disso, com 10.000 horas. Se o seu valor alvo de capacitância permitir uma escolha no diâmetro e você tiver espaço na sua placa, seria benéfico escolher uma peça maior para melhorar a vida útil. Por exemplo, se você escolheu um componente de 100 μF, 35 volts que pretendia operar a 30 volts, você obteria bons benefícios de vida útil ao selecionar a peça classificada para 63 volts. 

A peça de 35 volts tem um diâmetro de 8 mm, enquanto a peça de 63 volts é de 10 mm. No entanto, a peça de 10 mm tem uma vida útil de 7.000 horas, e isso poderia dobrar para 14.000 horas apenas operando-a a 48% da tensão nominal. A peça de 8 mm tem uma vida útil de 5.000 horas que só aumentaria para 5.833 horas se operada a 30 volts. Então, um aumento relativamente pequeno de 2 mm no diâmetro proporciona um aumento significativo na vida útil.

Outra consideração é a relação entre a frequência de ripple e a classificação de corrente. Por exemplo, se o seu projeto requer um componente de 1000 μF, 35 volts, a ficha técnica informará que ele tem uma corrente de ripple nominal a 105 °C de 2,459 amperes, mas isso é a uma frequência especificada de 100 kHz. Então, se a aplicação opera em uma frequência mais baixa, você tem que usar o gráfico abaixo para determinar o efeito:

Em frequências baixas, como 120 Hz, a corrente de ripple nominal é apenas 65% do valor a 100 kHz. Isso significa que para a correta avaliação da vida útil em uma aplicação de 120 Hz, você está restrito a uma corrente de ripple nominal mais limitada de apenas 1.598 amperes. 

Taxas de Falha de Capacitores

Não confunda a degradação gradual no desempenho de um capacitor eletrolítico ao longo de sua vida útil esperada como algo relacionado a taxas de falha ou MTBF. A falha súbita e inesperada de qualquer componente eletrônico é diferente de como o componente pode "envelhecer". Claro, se o circuito que você projetou parar de funcionar devido ao envelhecimento de um capacitor eletrolítico, isso é uma falha do dispositivo do ponto de vista do usuário. No entanto, a falha do projetista não é reconhecer como o desempenho do componente degrada naturalmente ao longo do tempo. Em outras palavras, é uma falha de design e não uma falha do componente.

Um capacitor eletrolítico terá um MTBF medido em milhões de horas. Embora isso possa ser degradado tanto pela quantidade de energia que armazena quanto pela sua temperatura operacional ambiente, ainda está muito distante de estar próximo à vida útil muito menor do componente.

Por Que Usar Capacitores Eletrolíticos Afinal?

Se os eletrolíticos têm tantos problemas, por que são tão amplamente utilizados? Há várias razões, mas a principal entre elas é a capacidade de obter classificações de alta tensão com altas capacitâncias que são geralmente necessárias em projetos de fontes de alimentação. Devido à química nos eletrólitos, não há outro tipo de componente que ofereça a mesma combinação de alta capacitância e alta tensão. Com outros componentes, a peça ou se torna fisicamente enorme, ou um enorme número de peças precisa ser colocado em paralelo.

Em um projeto passado, eu precisei usar 20 capacitores eletrolíticos em paralelo (3.300 μF, 35 volts) para criar um dispositivo significativo de armazenamento de energia em um design recente. Menciono isso porque ajudará você a entender a diferença entre vida útil e MTBF. O circuito recebia uma corrente de carga baixa em mA, mas estava sujeito a pulsos de corrente de carga esporádicos que eram medidos em amperes. 

Considerando toda a vida útil do dispositivo de armazenamento, espero totalmente que os componentes paralelos se degradem igualmente ao longo do tempo. Em outras palavras, a vida útil de todos os 20 componentes é esperada ser a mesma que a vida útil de um único dispositivo. No entanto, para MTBF, o valor do dispositivo único precisaria ser dividido por 20 porque os componentes estão em paralelo, e qualquer um dos 20 poderia falhar por curto-circuito, o que causaria a falha do dispositivo.

Onde Encontrar Peças de Capacitores Confiáveis

O problema da praga dos capacitores que mencionamos no início deste artigo é considerado uma “falha adequada” (ou seja, relacionada a taxas de falha) e não é o mesmo que um componente se desgastando ao longo de sua vida útil. Uma torneira pingando constitui uma falha no seu banheiro? A resposta é obviamente "não", é apenas geralmente devido ao desgaste normal, o que é esperado.

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