Kondensatory aluminiowe są często spotykanym elementem zasilaczy. Stanowią najbardziej odpowiedni element do realizacji takich funkcji, jak przechowywanie energii oraz filtracja dolno- i górnoprzepustowa. Te zastosowania wymagają dużych pojemności i wysokiej mocy maksymalnej, którą oferują kondensatory aluminiowe za rozsądną cenę.

Niestety kondensatory aluminiowe są jednocześnie elementami najbardziej zawodnymi. Czas pracy kondensatora aluminiowego wpływa na czas pracy całego zasilacza. Oznacza to, że projektant musi  dołożyć wszelkich starań podczas obliczania parametrów kondensatora, aby wybrać najbardziej odpowiedni model dla swego urządzenia. Wybór kondensatora stanowi też kompromis między ceną a jakością: poza elementami magnetycznymi kondensatory aluminiowe są często najdroższymi częściami zasilacza. Celem projektanta układu zasilania jest zatem wybór modelu, który zapewnia oczekiwaną żywotność produktu bez niepotrzebnego zwiększania kosztu urządzenia.

Niezawodność aluminiowego kondensatora elektrolitycznego jest typowo określana przez oczekiwany czas bezawaryjnej pracy. Czynniki, które wpływają na żywotność aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych to między innymi wilgotność, drgania i ciepło przenoszone przez ścieżki na płytce drukowanej. Istnieją jednak trzy kolejne czynniki, których wpływ na czas życia jest większy: temperatura otoczenia, prąd tętnień i przyłożone napięcie.

Najważniejsze wskazówki stosowania aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych mówią, że temperatura pracy, prąd tętnień i przyłożone napięcie powinny pozostać poniżej dopuszczalnych wartości.

Ten artykuł pokazuje, jak oszacować wpływ zmian warunków pracy na żywotność układu. Stanowi dla inżynierów przewodnik pomagający wydłużyć czas życia kondensatorów aluminiowych w dowolnym zastosowaniu. Najnowsza generacja kondensatorów dla układów zasilania dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów i rozwiązań projektowych może wydłużyć czas pracy 15-krotnie w szerokim zakresie warunków pracy. Układy te nie są jednocześnie tak drogie, jak modele sprzedawane jako elementy o wysokiej niezawodności.

Przyczyny awarii kondensatorów aluminiowych

Kondensatory aluminiowe realizują wiele różnych funkcji, w zależności od umiejscowienia w obwodzie. Jako bufor na wejściu przetwornika AC-DC, kondensator aluminiowy dostarcza energię, gdy napięcie wejściowe jest zbyt niskie lub przechowuje energię, gdy jest zbyt wysokie. Jako bufor wyjściowy, kondensator stanowi filtr i pochłania prąd cewki.

Podczas pracy kondensatory te mogą ulec awarii z różnych powodów:

• Poważne awarie, kiedy kondensator ulega całkowitemu zniszczeniu z powodu zwarcia lub rozwarcia.
• Degradacja oznacza sytuację, w której kondensator nadal pracuje, ale jego parametry ulegają pogorszeniu. Przykładowo pojemność może zmaleć z biegiem czasu. Taka zmiana może być akceptowalna lub niedopuszczalna w zależności od zastosowania. Jeśli nie jest dopuszczalna, w praktyce oznacza to awarię urządzenia.

Zwarcie elektrod może powstać na skutek oddziaływania mechanicznego, pod wpływem przeciążenia, drgań lub naprężeń na wyprowadzeniach. Może również zaistnieć na skutek zjawisk elektrycznych, takich jak impuls o wartości przekraczającej maksymalną dopuszczalną wartość.

Jest wiele możliwych przyczyn rozwarcia. Przykładowo podczas montażu kondensator może być poddany działaniu zbyt dużej siły, przez co połączenie okładki z przewodnikiem może być wygięte lub uszkodzone. Niebezpieczne są również wysokie temperatury – zarówno podczas pracy w temperaturze wyższej, niż dopuszczalna, jak i przenoszenia przez płytkę układu ciepła, które prowadzi do odparowania elektrolitu z kondensatora. Także narażenie kondensatora na nadmierne tętnienia prądu powoduje wzrost temperatury we wnętrzu, co wysusza elektrolit.

Obniżenie pojemności i wzrost strat mocy z powodu wysokiej rezystancji szeregowej następuje w kilku przypadkach:

• Przyłożone jest ciągłe napięcie o przeciwnej polaryzacji
• Kondensator jest narażony na bardzo dużą liczbę cykli ładowania i rozładowania
• Wartość przyłożonego prądu przekracza maksymalny dopuszczalny poziom tętnień prądu.

Optymalizacja warunków pracy

Standardowe testy obciążeniowe wykonywane dla kondensatorów polegają na przyłożeniu maksymalnego dopuszczalnego napięcia i temperatury. Typowo mierzą one czas obniżenia pojemności kondensatora o 20% lub 30% w stosunku do wartości początkowej, wzrost tangensa strat do 200% lub 300% wartości początkowej (miara stratności dielektryka) lub wzrost prądu upływu do 200%. Liczony jest czas do wystąpienia pierwszego z tych zjawisk.

Te standardowe testy stanowią szybki, choć niedokładny sposób porównania pracy konkurencyjnych urządzeń. Jednak niekoniecznie dają informację związaną z wymaganiami konkretnego zastosowania. Zatem aby zoptymalizować stosunek żywotności do ceny i znaleźć najlepszy kondensator do konkretnego modelu zasilacza, projektant musi obliczyć oczekiwany czas życia kondensatora na podstawie testów w warunkach odpowiadających pracy urządzenia.

Przed rozpoczęciem testów warto zastanowić się, w jaki sposób warunki pracy zasilacza można zmienić, aby zmniejszyć ryzyko uszkodzenia kondensatorów aluminiowych umieszczonych w układzie. Charakterystyki elektryczne aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych są bardziej wrażliwe na temperaturę, niż w kondensatorach innych typów. Jest tak, ponieważ właściwości płynnego elektrolitu znajdującego się w aluminiowych kondensatorach, takie jak przewodność i lepkość, silnie zależą od temperatury.

W celu zmniejszenia wpływu temperatury na urządzenie projektant musi zrozumieć przepływ ciepła w jego wnętrzu. Zostało to pokazane na rysunku 1. Wewnątrz przerywanego konturu wszystkie materiały mają temperaturę złącza T_j. Poza konturem panuje temperatura otoczenia T_α. Ciepło wytwarzane w obrębie konturu jest przenoszone na zewnątrz na skutek konwekcji, promieniowania i przewodzenia.

Jeśli projektant może poprawić odpływ ciepła z kondensatora, oczekiwany czas życia kondensatora ulegnie wydłużeniu. Z teorii Arrheniusa wynika, że żywotność kondensatora aluminiowego podwaja się wraz ze spadkiem temperatury otoczenia o 10ºC. Obniżenie temperatury o taką wartość ma bezpośredni wpływ na żywotność obliczaną przez projektanta w przypadku, gdy ciepło generowane przez straty rezystancji, na przykład układy zegara, jest pomijalne.

Rys.1. Trzy sposoby ulatniania się ciepła z kondensatora w zasilaczu

Zależność czasu życia od temperatury jest opisana następującym wzorem:

Gdzie:

• L to oczekiwany czas życia w godzinach
• L₀ to czas życia w temperaturze maksymalnej
• T_max to temperatura maksymalna
• T_a to temperatura otoczenia

Przykładowe czasy życia obliczone za pomocą tego wzoru zostały przedstawione na wykresie 2.

Wykres 2. Obliczony czas życia różnych kondensatorów w szerokim zakresie temperatury otoczenia

To równanie trzeba zmodyfikować w przypadku aluminiowych kondensatorów stosowanych w zasilaczach, ponieważ istotnym czynnikiem są również straty rezystancji. Wpływ tętnień prądu na czas życia można obliczyć w następujący sposób:

Gdzie:

ΔT_j0 oznacza wzrost temperatury pod wpływem tętnień prądu w stopniach Celsjusza. Jest to maksymalna różnica temperatur między wnętrzem a zewnętrzną obudową kondensatora. Wartość ta zależy od materiałów użytych do budowy kondensatora. Nie ma łatwego sposobu na wyznaczenie tego parametru, zatem producenci dostarczają go na żądanie. Każda seria kondensatorów, a czasem również kondensatory różniące się wielkością w obrębie danej serii, będą miały różne wartości parametru ΔT_j0.

ΔT_j0 to wzrost temperatury wynikający z tętnień prądu [ºC] wyrażony wzorem

gdzie:

• I_100kHz to rzeczywisty prąd tętnień na częstotliwości 100 kHz
• I₀ to nominalny prąd tętnień na częstotliwości 100 kHz

Warto pamiętać, że w przypadku przekroczenia poziomu ΔT_j > 20 projektant powinien skontaktować się z producentem układów w celu dalszej konsultacji.

Czas życia oszacowany za pomocą powyższych wzorów zawiera margines błędu i nie jest wartością gwarantowaną przez producenta. Zatem producenci kondensatorów aluminiowych zalecają zachowanie dużego marginesu bezpieczeństwa między obliczoną wartością i żądanym czasem pracy. Ponadto jeśli obliczenia wskazują na oczekiwany czas życia dłuższy, niż 15 lat, producenci zalecają ograniczenie oczekiwanego czasu do 15 lat.

Tabela 1  pokazuje przykładowe obliczenia dla układu z serii kondensatorów aluminiowych NRZJ oferowanych przez NIC Components, modelu NRZJ182M35V12.5X35. Parametry wymienione w karcie katalogowej to:

• T_max = 105ºC
• L₀ = 1000 godzin
• I₀ = 4,12 A

Obliczenia zostały wykonane dla przyjętej temperatury otoczenia 95ºC. Firma NIC Components podała wartość parametru ΔT_j0 dla temperatury 7ºC.

Tabela 1. Obliczony czas życia dla kondensatora  NRZJ182M35V12.5X35 firmy NIC Components

Lepsze osiągi specjalistycznych kondensatorów do zasilaczy

Porównanie czasu życia aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych dedykowanych zasilaczom, takich jak seria NRZJ, z kondensatorami ogólnego przeznaczenia pokazuje znaczną różnicę żywotności w układzie konwertera AC-DC lub DC-DC. Specjalistyczne kondensatory dla zasilaczy można zdobyć u dostawców takich, jak Nichicon czy Vishay, jak również NIC Components. Porównanie elementów znajduje się w tabeli 2.

Wymienieni producenci oferują miniaturowe kondensatory pracujące w szerokim zakresie temperatur. Cechują się one długim czasem pracy, odpornością na wysokie prądy tętnień i niską impedancją. Niektóre spełniają standard AEC-Q200 potrzebny w zastosowaniach motoryzacyjnych.

Nichicon ma w ofercie serie PS, CS, PH, PX, PW oraz PA. NIC Components oferuje serie NRZJ oraz NRE-JL, a Vishay serie 150 RMI oraz 136 RVI.

Tabela 2. Porównanie kondensatorów aluminiowych o pojemności 3.300 uF i napięciu dopuszczalnym 35 V

Jest już jasne, że porównanie czasu życia pomaga projektantowi wybrać najlepszy element do danego zastosowania. Jeśli jednak nie można znaleźć modelu, który miałby wymagane parametry i cenę, projektant może rozważyć użycie chłodzenia, aby wydłużyć czas pracy tańszego kondensatora o słabszych parametrach.

Podstawową metodą chłodzenia kondensatora jest montaż w pustej przestrzeni. Naturalna cyrkulacja powietrza zapewni chłodzenia wystarczające w większości zastosowań.

Jeśli to nie wystarczy, radiator może poprawić odprowadzanie ciepłą z układu. Najpopularniejszym typem radiatora jest aluminiowy element dołączany do obudowy kondensatora.

Powyższe rozważania pokazują, że niezależnie od modelu kondensatora użytego do budowy zasilacza projektant może zapewnić wymagany czas życia układu. Polega to na regulacji temperatury, prądu tętnień oraz przyłożonego napięcia zgodnie z ograniczeniami określonymi przez producenta.