На что влияет срок службы электролитических конденсаторов?

Если вы поговорите с группой инженеров-конструкторов, вы можете быстро убедиться, что электролитический конденсатор имеет особенно сомнительную репутацию. Это мнение, безусловно, не улучшилось из-за так называемой "болезни конденсаторов", которая произошла в первые несколько лет нового тысячелетия. Неисправная смесь электролита, использованная в этих типах конденсаторов, привела к преждевременным отказам устройств, и довольно часто, на печатных платах, к которым они были припаяны, создавался "небольшой беспорядок". Из-за высокой известности товаров, в которых использовались определенные марки "зараженных" конденсаторов, это стало большой новостью. Смотрите эту ссылку на Википедию, если хотите узнать больше деталей.

Однако, несмотря на проблему "болезни конденсаторов" (о которой Википедия сообщает как о неудачной попытке промышленного шпионажа, в результате которой была использована неправильная формула электролита), эта статья сосредоточена на помощи конструктору в понимании, как получить от электролитического конденсатора еще много лет полезной службы. Мы не будем углубляться в сравнение значений срока службы электролитических конденсаторов для различных компонентов. Суть в том, что вы получаете то, за что платите, и нравится вам это или нет, электролитические конденсаторы необходимы во многих конструкциях.

Что вызывает отказ электролитического конденсатора?

Основной механизм, вызывающий деградацию и отказ электролитических конденсаторов, - это медленное испарение электролита со временем, и, конечно, это усугубляется при повышенных температурах. Это приводит к снижению емкости и увеличению эффективного последовательного сопротивления (ESR). Это немного замкнутый круг, потому что по мере роста ESR увеличивается и любой саморазогрев из-за пульсирующих токов. Это может привести к значительному локальному повышению температуры, которое может ускорить проблему еще больше. В прошлом это побудило некоторые компании внедрить правило планового обслуживания, при котором электролитические конденсаторы заменяются подходящими компонентами каждые несколько лет, особенно когда система используется в критически важных приложениях.

Технические характеристики конденсатора

Часто можно увидеть, что у электролитического конденсатора указан срок службы, например, 5000 часов. Мы собираемся использовать технический лист TDK (ранее EPCOS) в качестве примера того, как интерпретировать эту информацию. Этот технический лист предназначен для конденсатора B41888, и это тот, который я использовал в довольно критически важных продуктах, которые имели долгий ожидаемый срок службы. Сводка технического листа следующая:

Я выделил соответствующие области красным. Это говорит вам о том, что конденсатор диаметром 8 мм обеспечит 5000 часов полезной работы. Это жизнь всего 208 дней, что на первый взгляд является очень низким значением. Однако, эта цифра указана для рабочей температуры 105 °C. Если рабочая температура будет на 10 °C ниже, то есть 95 °C, то срок службы удвоится. Он будет удваиваться на каждые 10 °C понижения ниже 105 °C. Таким образом, если рабочая окружающая температура конденсатора в определенной схеме будет поддерживаться ниже 55 °C, вы можете использовать следующую формулу для расчета фактического срока службы:

Фактический полезный срок службы = [Срок службы при 105 °C] ∙2x 

Где “x” это (105 °C - T_ACTUAL) деленное на 10. При температуре 55 °C, “x” = 5, и, следовательно, полезный срок службы увеличивается с 5000 часов при 105 °C до 32 x 5000 часов при 55 °C. Теперь это 18 лет, что гораздо практичнее.

Что означает «полезный срок службы» конденсатора?

В отношении вышеупомянутого технического описания, выделенная справа колонка информирует вас о том, что емкость может снизиться от ее первоначального значения до значения, которое может быть на 40% ниже за полезный срок службы компонента. Таким образом, если вы выберете конденсатор на 1000 мкФ для вашего дизайна, вы можете ожидать, что его наименьшее начальное значение будет 800 мкФ, исходя из указанной в техническом описании допуска устройства в 20%. Следовательно, в конце его «полезного срока службы» худший сценарий заключается в том, что он может упасть до 60% от этого начального значения 800 мкФ, что составляет всего 480 мкФ. Как дизайнер, только вы можете сказать, обеспечит ли это адекватную производительность в конце срока службы вашего продукта. Критически важно, чтобы вы, как дизайнер, учитывали этот фактор деградации.

Коэффициент рассеяния

Для устройства B41888 техническое описание сообщает нам, что «tan» может увеличиться в три раза за срок службы. Tan это коэффициент рассеяния или отношение ESR к емкостному реактивному сопротивлению, и его не следует путать с углом потерь. Для справки, это также обратное значение Q-фактора. С номинальным напряжением устройства B41888 35 вольт, tan указан как 0.12 на частоте 120 Гц. Конденсатор на 1000 мкФ имеет реактивное сопротивление 1.326 Ом на частоте 120 Гц, что означает, что ESR составляет 0.159 Ом.

Это значение для конденсатора ровно 1000 мкФ, но мы видели, что оно может быть таким высоким, как 0.199 Ом для конденсатора, находящегося в нижнем пределе начального диапазона допуска (то есть 800 мкФ). В конце срока службы мы видели, что емкость может составлять только 480 мкФ, и следовательно, ESR может возрасти до 0.332 Ом. Наконец, поскольку tan может ухудшиться в три раза за срок службы, ESR может потенциально увеличиться до 0.995 Ом. 

Вы начали свой дизайн с конденсатора, номинально на 1000 мкФ (с ESR 0.159 Ом), и теперь вы можете закончить с конденсатором, который составляет 480 мкФ с ESR около 1 Ом. Сможет ли ваш дизайн справиться с этим? Как это повлияет на производительность? Подсказка - инструменты симуляции являются вашим союзником в этой ситуации; используйте их, чтобы увидеть эффекты.

Другие факторы, влияющие на срок службы электролитических конденсаторов

Пульсирующий ток

Показатель срока службы B41888 предполагает его работу при полном пульсирующем токе. Однако в техническом описании вы также найдете этот полезный график, который применим для конденсатора диаметром 8 мм:

Если вы решите работать при 50% от номинального пульсирующего тока (0,5 по оси Y), это эквивалентно работе при локальной окружающей температуре на 3 °C ниже. Это потенциальное увеличение срока службы на 23%, и иногда каждая маленькая дополнительная возможность может иметь значение. Если вам нужно увеличить пульсирующий ток, вы также можете получить необходимую информацию из этого графика. Например, если вы работаете с компонентом на 50% выше номинального пульсирующего тока при 65 °C, вы все равно достигнете 100 000 часов полезного срока службы, как если бы вы работали при половине номинального пульсирующего тока при 71 °C. Важно отметить, что затемненная часть графика является зоной, в которую лучше не заходить, если вы не хотите повредить компонент.

Рабочее напряжение конденсатора

Можно достичь приличного увеличения срока службы, если рабочее напряжение ниже максимально допустимого напряжения. Самая консервативная оценка заключается в том, что срок службы удваивается, когда компонент работает при 50% от номинального напряжения. Конечно, это увеличение становится пропорционально меньше, по мере приближения рабочего напряжения к максимально допустимому. Я видел менее консервативные оценки, но в отсутствие каких-либо данных в информации производителя, указывающих на обратное, я бы советовал придерживаться этой линейной зависимости и не ожидать дальнейшего улучшения срока службы сверх его удвоения.

Читайте техническое описание

В техническом описании содержится много удобной информации. Например, для конденсатора B41888, на котором мы сосредоточились здесь, извлечение из технического описания указывает, что хотя устройство диаметром 8 мм имеет срок службы 5000 часов, устройство диаметром 12,5 мм (или больше) имеет удвоенный срок службы - 10 000 часов. Если ваша целевая величина емкости позволяет выбрать диаметр и у вас есть место на плате, было бы полезно выбрать более крупную деталь для улучшения срока службы. Например, если вы выбрали компонент на 100 мкФ, 35 вольт, который вы собирались использовать при 30 вольтах, выбор компонента на 63 вольта принесет хорошие выгоды по сроку службы. Компонент на 35 вольт имеет диаметр 8 мм, в то время как компонент на 63 вольта - 10 мм. Однако у 10-миллиметровой детали срок службы составляет 7000 часов, и он может удвоиться до 14 000 часов, просто работая при 48% от номинального напряжения. У 8-миллиметровой детали срок службы составляет 5000 часов, который увеличится только до 5833 часов при работе при 30 вольтах. Таким образом, относительно небольшое увеличение диаметра на 2 мм дает значительное увеличение срока службы.

Еще одним важным аспектом является взаимосвязь между частотой пульсаций и номинальным током. Например, если ваша разработка требует компонент на 1000 мкФ, 35 вольт, то в техническом описании вы найдете, что он имеет номинальный ток пульсаций при 105 °C равный 2.459 ампер, но это при указанной частоте 100 кГц. Таким образом, если приложение работает на более низкой частоте, вам необходимо использовать график ниже, чтобы определить влияние:

На низких частотах, таких как 120 Гц, номинальный ток пульсаций составляет только 65% от значения на 100 кГц. Это означает, что для корректной оценки срока службы в приложении на 120 Гц, вам доступен ограниченный номинальный ток пульсаций всего в 1.598 ампер.

Коэффициенты отказа конденсаторов

Не путайте постепенное ухудшение производительности электролитического конденсатора за предполагаемый срок его службы с коэффициентами отказа или MTBF. Внезапный и неожиданный отказ любого электронного компонента отличается от того, как компонент может "стареть". Конечно, если схема, которую вы спроектировали, перестает работать из-за старения электролитического конденсатора, это является отказом устройства с точки зрения пользователя. Однако, отказом разработчика является не признание того, как производительность компонента естественно ухудшается со временем. Другими словами, это отказ в дизайне, а не отказ компонента.

У электролитического конденсатора MTBF измеряется миллионами часов. Хотя это значение может ухудшаться как из-за количества накопленной энергии, так и из-за окружающей рабочей температуры, оно все равно на порядок выше, чем гораздо более низкий реальный срок службы компонента.

Почему вообще использовать электролитические конденсаторы?

Если у электролитов есть такие проблемы, почему они так широко используются? Существует несколько причин, но главной среди них является возможность получения высоких напряжений при больших емкостях, которые обычно требуются в конструкциях блоков питания. Благодаря химии электролитов, нет другого типа компонентов, который давал бы такое же сочетание высокой емкости и высокого напряжения. С другими компонентами часть либо становится физически огромной, либо требуется разместить параллельно огромное количество деталей.

В одном из прошлых проектов мне потребовалось использовать 20 параллельно соединенных электролитических конденсаторов (3,300 мкФ, 35 вольт) для создания значительного устройства накопления энергии в недавней разработке. Я упоминаю об этом, потому что это поможет вам понять разницу между сроком службы и MTBF. Схема получала низкий ток заряда в миллиамперах, но подвергалась спорадическим импульсам нагрузочного тока, измеряемым в амперах.

Что касается всего срока службы устройства хранения, я полностью ожидаю, что параллельные компоненты будут деградировать одинаково со временем. Другими словами, срок службы всех 20 компонентов предполагается таким же, как срок службы одного устройства. Однако для MTBF значение для одного устройства необходимо будет разделить на 20, поскольку компоненты соединены параллельно, и любой из 20 может выйти из строя из-за короткого замыкания, что приведет к выходу устройства из строя.

Где найти надежные детали для конденсаторов

Проблема с конденсаторами, о которой мы упоминали в начале этой статьи, рассматривается как «правильный отказ» (то есть, связанный с частотой отказов) и не то же самое, что износ компонента за его срок службы. Является ли капающий кран в вашей ванной комнате неисправностью? Ответ очевиден - "нет", это обычно связано с нормальным износом, который следует ожидать.

Когда вам нужно найти ультранадежные детали с долгим сроком службы электролитических конденсаторов, используйте Панель Поиска Производителя в Altium Designer®. Вы также можете использовать платформу Altium 365™ для поиска деталей, находящихся в производстве, управления данными вашего проекта и передачи файлов вашему производителю. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете проверить страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по Запросу.