СРОК СЛУЖБЫ КОНДЕНСАТОРОВ
Конденсатор является одним из наиболее часто используемых элементов в радиоэлектронике. Несмотря на развитие технологий, ни одна цифровая схема не обходится без конденсаторов, в основном из-за всплесков тока, возникающих при переключении миниатюрных КМОП-транзисторов в ее структуре. Правильно подобранная мощность, включаемая в цепь питания схемы, обеспечивает эти переключения энергией, одновременно снижая эмиссию помех и обеспечивая бесперебойную работу. Без конденсаторов не будут работать (или будут со значительным ухудшением параметров), преобразователи напряжения, стабилизаторы, усилители, автогенераторы и многие другие узлы.
История создания конденсатора
Изобретение конденсатора приписывают немецкому ученому Эвальду Георгу фон Клейсту, который сделал его в 1745 году. Затем упоминание об этом изобретении, а возможно, и более подробное его описание перешли в Лейденский университет, к профессору Питеру ван Мусшенбруку. Он разработал свой вариант изобретения, который до сих пор присутствует во многих школьных физических лабораториях под названием «лейденский цилиндр».
Именно этот цилиндр, а не прототип Клейста, сейчас считается первым электрическим конденсатором.
Те конденсаторы использовались в основном для экспериментов с еще непонятым электричеством, а также для производства спецэффектов для использования в различных представлениях. Только Франклин отнесся к ним серьезно, отметив, что плоские поверхности, разделенные стеклянным диэлектриком, накапливают электричество не хуже лейденской бутылки. Опираясь на собственный опыт, он изготовил плоский конденсатор, который назвал квадратом Франклина. Но первооткрывателем практического применения конденсаторов был Майкл Фарадей, который попытался с помощью конденсатора «запомнить» электроны, образовавшиеся в ходе его экспериментов. Многочисленные попытки привели к разработке конденсатора, сделанного из большой масляной бочки.
Формула электрической емкости плоского конденсатора хорошо известна ещё со школы. Напомним, что в знаменателе произведение относительной диэлектрической проницаемости на площадь поверхности, а в числителе — расстояние между пластинами.
Таким образом, чем больше диэлектрическая проницаемость и меньше расстояние между пластинами, тем большую емкость будет иметь конденсатор. Хотя формула емкости многократно сложенного цилиндрического конденсатора иная, по-сути его емкость будет зависеть от тех же факторов. Поэтому технологическая гонка в области улучшения параметров конденсаторов в основном касается материалов, используемых для пластин, их выводов и диэлектрического слоя.
В девяностые годы были в основном отечественные твердотельные и электролитические конденсаторы, хотя импортные тоже встречались. В то же время начали использовать SMD конденсаторы, изначально в профессиональной аппаратуре и в основном для фильтрации питания из-за отсутствия выводов в виде проводов, которые для тока достаточно высокой частоты представляют собой индуктивность и портят схемные параметры. Но чаще использовались конденсаторы для сквозной сборки, названия которых зависят от типа диэлектрика. Это были слюдяные, керамические и электролитические конденсаторы.
Танталовые конденсаторы хотя и доступны, но из-за высокой цены по сравнению с электролитическими конденсаторами применялись относительно редко. В те годы их недостатками было также небольшое – по сравнению с электролитическими конденсаторами – напряжение пробоя. Ну и знаменитые “каэмки”, которые из-за дороговизны материалов, позже почти все ушли на переработку.
Да, возможности полупроводниковых схем растут стремительными темпами, но следует также отметить, что производители пассивных компонентов тоже совершенствуют свою продукцию и современные конденсаторы имеют гораздо лучшие электрические параметры, а также гораздо меньшие габариты.
Многослойные конденсаторы MLCC
Английская аббревиатура MLCC рядом с названием означает многослойный керамический конденсатор. Он состоит из множества одиночных конденсаторов, уложенных друг на друга и соединенных параллельно. Сырьем для производства таких конденсаторов обычно служат суспензии тонкоизмельченного диоксида титана (TiO2) или титаната бария (BaTiO3) с добавками Zr, Nb, Co или Sr.
Целью здесь является получение частиц с размером менее 10 нм. Эти суспензии смешиваются со специальным связующим компонентом и перерабатываются в керамические пленки, толщина которых составляет всего несколько тысячных долей миллиметра.
Современный конденсатор MLCC может иметь диэлектрический слой толщиной до 1/1000 мм, а количество слоев может превышать тысячу.
Толщина отдельных слоев зависит от степени фрагментации и особенностей зернистости керамических частиц. В настоящее время наблюдается тенденция к все меньшему и меньшему масштабу, что заставляет искать новые материалы и способы их измельчения. Емкость современных конденсаторов MLCC достигает 100 мкФ. Но необходимо учитывать, что чем выше емкость, тем тоньше диэлектрический слой и, следовательно, ниже напряжение пробоя.
Конденсаторы MLCC можно использовать при температуре 150 градусов, а специальные версии даже до 200°С. Высокая термостойкость достигается за счет соответствующих диэлектриков: X8R, X8L и X9U (200°С).
Их использование гарантирует хороший температурный коэффициент. Изменения емкости в максимальном диапазоне температур составляют: X8R ±15 %, X8L +15…-40 %, X9U +15…-56 %. Очевидно, что при более низкой температуре получаются лучшие параметры, например около -7,5% при 125°С. Также растет число компонентов, оптимизированных для функций, которые они должны выполнять в конкретном устройстве. Для них может потребоваться, например, чрезвычайно низкая паразитная индуктивность и, кроме того, четко определенные характеристики постоянного и переменного тока.
Примерно за 30 лет в области конденсаторов MLCC были достигнуты значительные успехи. По сравнению с 1980-ми годами, когда они были запущены в серийное производство, конденсатор миниатюризировался в 100 раз! Например конденсатор емкостью 100 нФ, который обычно использовался для фильтрации питания в 1980-х годах, был размещен в корпусе 3216, а в настоящее время его можно легко приобрести даже в корпусе 0603!
Танталовые конденсаторы
Где-то 30 лет назад если и использовали танталовые конденсаторы, то в основном малой емкости (порядка единиц мФ) и сквозной сборки.
Они имели характерный каплевидный корпус, чаще всего красного и синего цвета.
Танталовые электролитические конденсаторы имеют твердофазный электролит. В настоящее время, в основном благодаря технологии сборки SMT и значительному удешевлению, они приобрели большую популярность и используются гораздо чаще и охотнее, чем 30 лет назад. Применяются в основном в силовых цепях, отличаются стабильностью параметров, долговечностью и малыми габаритами.
В современных танталовых конденсаторах используются полимерные катоды для снижения последовательного сопротивления (ESR), эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) и обеспечения дальнейшей миниатюризации. При использовании высококачественных танталовых порошков эти конденсаторы значительно превосходят по своим параметрам конденсаторы изготовленные по другим технологиям, особенно типовые электролитические.
В обычных танталовых конденсаторах в качестве катода используется спеченный диоксид марганца (MnO2). Этот недорогой полупроводниковый материал является самовосстанавливающимся, что обеспечивает надежность, но при высокой температуре из-за большого содержания кислорода может воспламеняться, поэтому с середины девяностых годов ведутся работы по замене MnO2 проводящими полимерами.
Их значительно более высокая электропроводность приводит к более низкому ESR, что в сочетании с устранением опасности воспламенения способствует увеличению уровня затрат на эту технологию.
Полимерные танталовые конденсаторы отличаются от обычных только со стороны катода. Полимерный слой не содержит кислорода, поэтому риск воспламенения при перегрузке практически исключен. В результате полимерные танталовые конденсаторы обеспечивают большую надежность. Эта технология также позволяет получить повышенное номинальное напряжение (до 125 В). Кроме того, использование полимеров исключает пьезоэлектрический эффект и склонность к растрескиванию.
Производители предлагают различные типы танталовых конденсаторов, оптимизированные для целевого применения. Различные производственные серии специализированы по-разному, например, с точки зрения снижения ESR, миниатюрных размеров корпуса, получения повышенной надежности (военная, автомобильная или медицинская серия), снижения тока утечки в приборах с батарейным питанием или достижения устойчивости к повышенным температурам.
Конденсаторы с уменьшенным ESR обеспечивают больший КПД в импульсных устройствах и лучшую фильтрацию помех питания.
Материал катода и процесс его формирования оказывают существенное влияние на величину ESR. Как уже упоминалось, значительное снижение ESR было достигнуто заменой MnO2 проводящим полимером. Для дальнейшего улучшения этого параметра железо-никелевый сплав (сплав 42), используемый для производства металлического свинцового каркаса, был заменен на медь. Электропроводность меди примерно в 100 раз выше, чем у сплава 42, поэтому, например, ESR танталового полимерного конденсатора Vishay 100 мкФ 6,3 В в корпусе «А» (EIA 3216) с обычной выводной рамкой составляет 70 мОм при 25°С и частоте 100 кГц, а с медным каркасом при сохранении тех же параметров окружающей среды около 40 мОм.
Преимущество полимерных танталовых конденсаторов определяется и их сроком службы – он практически не ограничен. В отличие от алюминиевых электролитических конденсаторов с постепенно высыхающим жидким электролитом, они полностью состоят из твердых тел и поэтому сохраняют свои свойства на протяжении всего срока службы.
В полимерных танталовых конденсаторах практически отсутствуют ограничения по сроку службы, вытекающие из применяемой технологии, а на долговечность самих конденсаторов влияет температура окружающей среды, последовательное сопротивление и возникающие в конденсаторе потери мощности.
При использовании обычных электролитических или танталовых конденсаторов, обычно сразу несколько из них включают параллельно для уменьшения ESR. Полимерные танталовые конденсаторы позволяют достичь желаемого значения всего одним компонентом. В результате можно изготовить устройство с меньшими габаритами и уменьшить количество его компонентов.
Пленочные конденсаторы
Технология изготовления плёночных (фольгированных) конденсаторов также изменилась с появлением новых материалов. Габариты конденсаторов уменьшились, параметры значительно улучшились.
Металлизированные пленочные конденсаторы обычно используются для защиты от кондуктивных помех и для фильтрации напряжения питания полупроводниковых компонентов с питанием от постоянного тока.
Обычно конденсаторы «X2» для сети используются в фильтрах приборов, питающихся непосредственно от сети. Они обеспечивают множество преимуществ, в том числе низкий коэффициент рассеяния Df, практически не зависящий от температуры и частоты.
Из-за меньших габаритов фольгированных конденсаторов они быстрее стареют, что проявляется снижением емкости. Основная причина – электрическая дуга (коронный эффект – внутренняя ионизация), вызывающая испарение металлического покрытия. Дополнительными факторами, снижающими надежность, являются повышенная температура и влажность.
Производители конденсаторов хорошо осведомлены об этом риске и предлагают пленочные конденсаторы не обладающие эффектом коронного разряда. Они имеют специальную структуру препятствующую образованию электрической дуги, и изготовлены из материалов повышенной прочности. Кроме того, такие конденсаторы могут содержать встроенные RC-цепи, что позволяет избежать ионизации и обеспечивает повышенную надежность.
Электролитические конденсаторы
До недавнего времени электролитические конденсаторы были единственными, обладающими достаточной емкостью для использования в энергосистемах. Ведь четверть века назад большой популярностью пользовались блоки питания выполненные на базе сетевых трансформаторов, которые сегодня встречаются довольно редко – им на смену пришли импульсные преобразователи. А основными элементами трансформаторного блока питания являются выпрямительный мост и фильтрующий конденсатор большой емкости в зависимости от потребляемого тока.
Обычно в таких блоках питания ставили конденсаторы емкостью от 1000 до 10 000 мкФ. Сегодня встретить такую большую емкость в БП уже редкость. Помнится, раньше отказы электролитических конденсаторов были частой причиной выхода из строя оборудования, а сегодня ели они и случаются, то намного реже.
Преобразователи постоянного тока в постоянный (DC-DC) и прогрессирующая миниатюризация электронных устройств установили новые требования к технологии электролитических конденсаторов.
Первое — возможное низкое сопротивление ESR, второе — повышенная рабочая температура. Современные электролитические конденсаторы не только меньше по размерам, но и могут использоваться при температуре 100°С. Также есть серии выдерживающие до 150°С. Поэтому стоит использовать новые типы электролитических конденсаторов, которые не теряют своих функциональных параметров в течение более длительного периода времени и выдерживают повышенные температуры. Они не только имеют больший срок службы (до 20 000 часов при 100°С), но и дешевле в покупке.
В электролитическом конденсаторе пластины отличаются друг от друга. Одна из них представляет собой металлический электрод — обычно алюминиевый, а другая — электролитический электрод. Диэлектрический слой создается при приложении напряжения – в алюминиевом конденсаторе это оксид алюминия. Как известно из уроков физики, при явлении электролиза на аноде выделяются иные вещества, чем на катоде. Поэтому для электролитического конденсатора важна полярность напряжения на обкладках.
Ионисторы
Наконец, нельзя не заметить нового члена семейства электролитических конденсаторов – суперконденсатора (ионистора). В начале 1950-х годов инженеры начали эксперименты с использованием электродов из пористого активированного угля для топливных элементов и электрических батарей. Активированный уголь представляет собой электрический проводник, который характеризуется пористой, «губчатой» структурой с сильно развитой удельной поверхностью.
В 1957 г. Беккер разработал «низковольтные электролитические конденсаторы с углеродным пористым электродом». Он предположил, что энергия запасается в них в виде заряда в углеродных порах, подобно вытравленной фольге электролитических конденсаторов. В то время механизм двойного слоя не был известен.
Ранние электрохимические конденсаторы состояли из двух алюминиевых пластинок фольги, покрытых активированным углем, в качестве электродов, пропитанных электролитом и разделенных тонким слоем пористого изолятора.
Эта модель обеспечила конденсатор емкостью 1 фарад, что значительно больше чем у электролитических конденсаторов тех же размеров.
Эта модель обеспечила конденсатор емкостью 1 фарад, что значительно больше чем у электролитических конденсаторов тех же размеров.Суперконденсаторы используются в качестве заменителей батарей, обеспечивающих питание памяти, работу часов RTC и так далее. Они характеризуются большой емкостью — до нескольких сотен фарад — и относительно низким напряжением пробоя — обычно около 2,5 В. Их охотно используют из-за очень долгого срока службы. Их электроды не деградируют даже после многих тысяч циклов, как в случае с батареями. Более того, батарея, независимо от типа, имеет ограниченный срок службы, так как накопление энергии в ней происходит в соответствии с химическими изменениями электродов, вызывающими их деградацию. Так что на технологию суперконденсаторов возлагаются большие надежды. Есть мнение, что в будущем эти конденсаторы могут полностью заменить аккумуляторы. Хотя почему в будущем? Это происходит уже сейчас…
Срок службы силовых пленочных конденсаторов
Гнеушев Олег — oleg.
[email protected]
№ 2’2015
PDF версия
Один из самых распространенных радиоэлементов в любом электронном устройстве — конденсатор. Конденсаторы бывают электролитические, керамические, пленочные, танталовые и т.д. Каждый из этих типов обладает рядом достоинств и недостатков, что и определяет область их применения и распространенность. В статье подробно рассматриваются силовые пленочные конденсаторы.
Низкая цена и доступность приводят к широкому распространению электролитических и керамических конденсаторов. Однако они подходят не для всех целей. Так, например, высокие токи утечки не позволяют использовать электролиты в измерительных цепях, а применение керамических конденсаторов ограничено из-за высокого значения диэлектрической абсорбции. Очень часто именно пленочные конденсаторы благодаря низкому tgd, малой абсорбции, минимальным токам утечки, высокой надежности и длительным срокам службы являются оптимальным выбором для решения определенных задач.
Устройство пленочных конденсаторов
Пленочные конденсаторы представляют собой конструкцию с диэлектриком из пленки.
В процессе производства на диэлектрическую пленку напыляют металлический слой (металлопленочные конденсаторы) либо напрессовывают фольгу (фольговые конденсаторы) (рис. 1а).
Рис. 1. Устройство конденсатора
В самом простом случае полученную пленку сворачивают в рулон (рис. 1б) — такая конструкция проста в изготовлении, но имеет большую паразитную индуктивность. С целью снижения индуктивности конденсаторы для высокочастотных приложений изготавливают в виде многослойного стека-пачки (рис. 1в), что, по сути, является множеством параллельно соединенных конденсаторов.
Большинство типов конденсаторов при разовых перегрузках выходят из строя безвозвратно и по факту являются «одноразовыми». Одно из главных отличий пленочных конденсаторов от конденсаторов других типов — способность к самовосстановлению, что позволяет им выдерживать множественные броски тока и напряжения, в несколько раз превышающие номинальные параметры конденсатора.
Это свойство делает пленочные конденсаторы самыми надежными и долго живущими из всех типов конденсаторов, поэтому такие конденсаторы нашли широкое распространение как в слаботочной, так и в силовой электронике.
Неудивительно, что производителей пленочных конденсаторов очень много. Практически все они заявляют сходные параметры и сроки службы своей продукции, хотя часто даже внешне, по габаритам, пленочные конденсаторы с одинаковыми заявленными параметрами различаются очень сильно, еще сильнее может отличаться цена на них. На практике же многие производители электроники имели возможность убедиться, что срок службы и надежность, казалось бы, одинаковых пленочных конденсаторов отличается в разы, некоторые их них выходят из строя через несколько месяцев, а другие служат верой и правдой долгие годы.
Основные факторы, влияющие на срок службы пленочных конденсаторов
Рассмотрим более подробно силовые пленочные конденсаторы. Срок службы пленочного конденсатора зависит от количества и энергии случившихся микропробоев, которые происходят чаще в процессе эксплуатации и износа конденсатора.
Каждый случай самовосстановления приводит к небольшому снижению емкости конденсатора. Для силовых конденсаторов DC срок жизни определяется временем, за которое емкость снизилась на 3% от первоначального значения, этот критерий устанавливается стандартом IEC 61071.
Рассмотрим способность пленочных конденсаторов к самовосстановлению (рис. 2). Если при перенапряжении произошел пробой диэлектрика, то через место пробоя начинает протекать ток, который будет разогревать металлическую пленку около места пробоя. Постепенно разогреваясь, металл расплавляется и испаряется. В результате диэлектрическая прочность восстанавливается.
Рис. 2. Самовосстановление диэлектрической прочности пленочного конденсатора
Вследствие того, что постепенно снижается площадь металлизации, происходит также и снижение площади контактов внутренних соединений конденсатора, поэтому растет фактор потерь tgd по мере старения конденсатора. Количество и энергия микропробоев в конденсаторе зависит от накапливаемой деградации (износа) диэлектрика.
Основные факторы, влияющие на скорость деградации диэлектрика, — влажность и электрическая напряженность поля в диэлектрике. Эти факторы действуют в течение всего срока нормальной эксплуатации конденсатора. Зависимость срока службы от температуры описывается законом Аррениуса и имеет экспоненциальную форму (рис. 3).
Рис. 3. График срока службы пленочного конденсатора в зависимости от температуры
Зависимость срока службы конденсатора от напряженности поля в диэлектрике показана на рис. 4.
Рис. 4. График срока службы пленочного конденсатора в зависимости от напряженности поля в диэлектрике
Чтобы конденсатор прослужил заданное время, очевидно, что допустимая температура должна быть увязана с рабочим напряжением: рабочее напряжение должно быть ниже при высокой температуре окружающей среды и, соответственно, разрешенное рабочее напряжение может быть выше при низкой температуре (рис. 5).
Рис.
5. График зависимости рабочего напряжения пленочного конденсатора от температуры окружающей среды
Общая формула для оценки срока службы силовых пленочных конденсаторов выглядит следующим образом:
где L0 = 100 000 ч; T0 = 70 °C; AC = 13; VSF = 16.
Надежность
Надежность, согласно IEEE (Институт инженеров электротехники и электроники), — это способность компонента выполнять требуемую функцию в установленных условиях определенный период времени. Введение понятия интенсивности отказов — это способ оцифровать надежность компонента. Это частота, с которой компонент отказывает, и время между отказами — обратная величина — MTBF. Параметр Failure In Time (FIT) для серии компонентов показывает ожидаемое количество отказов за 109 ч работы.
Для конденсаторов, сделанных по разным технологиям, значение FIT отличается. Так, для сухих (газонаполненных) конденсаторов FIT = 100, для маслонаполненных и конденсаторов с компаундным заполнением FIT = 200.
Методика проверки надежности силовых пленочных конденсаторов
Как было показано выше, пленочные конденсаторы очень надежны и способны выдерживать большие перегрузки, сохраняя при этом работоспособность. Однако при одних и тех же условиях некоторые конденсаторы работают на пределе возможностей — происходят частые микропробои, через несколько месяцев они теряют емкость и выходят из строя, а другие конденсаторы работают надежно на протяжении десяти и более лет. Во многих сферах применения срок службы силовых конденсаторов имеет принципиальное значение.
Каким же образом можно проверить надежность силовых конденсаторов, если они выдерживают многократные перегрузки и не «умирают» быстро? Для этого применяют специальную методику ускоренного старения конденсаторов, описанную в международном стандарте IEC 61881-1.
Для конденсаторов DC-применения проводят один из тестов. Конденсатор помещают в специальную камеру с повышенной температурой:
- прикладывают 1,3 номинального напряжения конденсатора в течение 500 ч при температуре +70 °С;
- если требуется более быстрое получение результата, прикладывают 1,4 номинала напряжения в течение 250 ч при температуре +70 °С.
Критерием прохождения теста является падение емкости конденсатора менее чем на 3%. Сравнительные тесты по этой же методике проводят для определения надежности и срока службы конденсаторов, сделанных по разным технологиям, или конденсаторов разных производителей.
Для конденсаторов AC-применения проводят аналогичные тесты:
- прикладывают 1,25 номинального напряжения конденсатора в течение 500 ч при температуре +70 °С;
- если требуется более быстрое получение результата, прикладывают 1,35 номинала напряжения в течение 250 ч при температуре +70 °С.
Критерий прохождения теста — падение емкости конденсатора менее чем на 3%.
Падение емкости на 3% на первый взгляд не кажется критичным. Но дело в том, что процесс старения происходит по экспоненциальному закону, соответственно, быстро ускоряется. Поэтому очень полезно для оценки того, насколько хорошо конденсатор справился с условиями ускоренных тестов, дополнительно контролировать изменение tgd.
Этот параметр характеризует износ внутренней структуры конденсатора в процессе эксплуатации. Критерием выхода конденсатора из строя является увеличение значения tgd в 1,5 раза по сравнению с измеренным перед тестом первоначальным показателем.
Результаты тестов, полученные в течение нескольких недель, дают четкое представление о надежности тех или иных пленочных конденсаторов разных производителей, и дают возможность уже на этапе разработки спрогнозировать надежную работу оборудования на протяжении длительного времени.
Что влияет на срок службы электролитического конденсатора?
Если вы поговорите с группой инженеров-конструкторов, у вас может быстро сложиться мнение, что электролитический конденсатор имеет особенно сомнительную репутацию. Этой точке зрения определенно не способствовала так называемая «конденсаторная чума», случившаяся в первые несколько лет нового тысячелетия. Неправильная смесь электролитов, используемая в этих типах конденсаторов, приводила к преждевременному выходу устройства из строя, и довольно часто на печатные платы, на которые они были припаяны, наносился «небольшой беспорядок».
Из-за громкого характера товаров, в которых использовались определенные марки «зачумленных» конденсаторов, это стало большой новостью. См. эту ссылку в Википедии, если вы хотите увидеть более подробную информацию.
Однако, несмотря на проблему конденсаторной чумы (о которой Википедия сообщила, что она связана с неудачной попыткой промышленного шпионажа, в результате которой была использована неправильная формула электролита), эта статья сосредоточена на том, чтобы помочь разработчику понять, как получить еще много лет срока службы электролитического конденсатора. Мы не будем слишком 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.
Основным механизмом, вызывающим деградацию и выход из строя электролитических конденсаторов, является медленное испарение электролита с течением времени, и, конечно, это усугубляется при более высоких температурах.
Это приводит к более низкой емкости и более высокому эффективному последовательному сопротивлению (ESR). Это немного порочный круг, потому что с ростом ESR увеличивается и любой эффект самонагрева из-за пульсирующих токов. Затем это может привести к значительному локальному повышению температуры, что может еще больше усугубить проблему. В прошлом это побудило некоторые компании внедрить правило планового обслуживания, при котором электролитические конденсаторы заменялись подходящими сменными компонентами каждые несколько лет, особенно когда система используется в критически важных приложениях.
Характеристики конденсатора
Часто можно увидеть, что для электролитического конденсатора указан срок службы, например 5000 часов. Мы собираемся использовать таблицу данных TDK (ранее EPCOS) в качестве примера того, как интерпретировать эту информацию. Это техническое описание относится к конденсатору B41888, и именно его я использовал в довольно ответственных продуктах с ожидаемым длительным сроком службы.
Резюме таблицы данных выглядит следующим образом:
Я выделил соответствующую область красным цветом. Это говорит вам, что конденсатор диаметром 8 мм дает 5000 часов полезного срока службы. Это жизнь всего 208 дней, что, на первый взгляд, очень мало. Однако это значение относится к рабочей температуре 105 °C. Если бы рабочая температура была на 10 °C ниже, то при 95 °C, то продолжительность жизни удвоится. Она будет удваиваться на каждые 10 °C понижения ниже 105 °C. Таким образом, если рабочая температура конденсатора в конкретной цепи поддерживалась ниже 55 °C, вы можете использовать следующую формулу для расчета фактического срока службы:
Фактический срок службы = [Срок службы при 105 °C] ∙2x
Где «x» равно (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°С. Сейчас 18 лет, и это намного практичнее.
Что означает «полезный срок службы» конденсатора?
Что касается приведенного выше технического описания, выделенный справа столбец информирует вас о том, что емкость может ухудшиться по сравнению с исходным значением до значения, которое может быть на 40 % ниже в течение срока службы компонента.
Таким образом, если вы выберете конденсатор емкостью 1000 мкФ для своей конструкции, вы можете ожидать, что его минимальное начальное значение составит 800 мкФ, исходя из 20-процентного отклонения устройства, указанного в техническом описании. Следовательно, в конце «срока полезного использования» в наихудшем сценарии он может упасть до 60% от исходного значения в 800 мкФ, что составляет всего 480 мкФ. Как разработчик, только вы можете сказать, обеспечит ли это адекватную производительность вашего продукта в конце срока службы. Крайне важно, чтобы вы, как дизайнер, учитывали этот фактор деградации.
Коэффициент рассеивания
Для устройства B41888 в техническом описании указано, что «загар» может увеличиться в три раза в течение срока службы. Tan — это коэффициент рассеяния или отношение ESR к емкостному реактивному сопротивлению, и его не следует путать с тангенсом угла потерь. Для справки, это также обратная величина добротности. Для устройства B41888 с номинальным напряжением 35 вольт тангенс составляет 0,12 при 120 Гц.
Конденсатор емкостью 1000 мкФ имеет реактивное сопротивление 1,326 Ом на частоте 120 Гц, что означает, что ESR составляет 0,159.Ом.
Это значение для конденсатора емкостью ровно 1000 мкФ, но мы видели, что оно может достигать 0,199 Ом для конденсатора, находящегося в нижней части начального допустимого диапазона (т. е. 800 мкФ). Мы видели, что в конце срока службы емкость может составлять всего 480 мкФ, и отсюда следует, что ESR может возрасти до 0,332 Ом. Наконец, поскольку загар может ухудшиться в три раза в течение срока службы, ESR потенциально может увеличиться до 0,995 Ом.
Вы начали разработку с конденсатора номинальной емкостью 1000 мкФ (с ESR 0,159Ом), и теперь вы можете получить конденсатор емкостью 480 мкФ с ESR около 1 Ом. Сможет ли ваша конструкция справиться с этим? Как это повлияет на производительность? Подсказка — инструменты моделирования — ваш союзник в этой ситуации; используйте их, чтобы увидеть эффекты.
Пульсирующий ток Значение срока службы B41888 предполагает, что он работает при полном пульсирующем токе.
Однако вы также найдете этот полезный график в техпаспорте, который применим для конденсатора диаметром 8 мм:
Если вы решили работать при 50 % номинального тока пульсаций (0,5 по оси Y), это эквивалентно работе при местной температуре окружающей среды, которая на 3 °C ниже. Это потенциальное увеличение продолжительности жизни на 23%, а иногда каждый дополнительный бит может иметь значение. Если вам нужно расширить границы пульсаций тока, вы также можете получить необходимую информацию из этого графика. Например, если вы запустите компонент на 50 % выше номинального номинального тока пульсаций при 65 °C, вы все равно получите 100 000 часов полезного срока службы, как при работе с половиной номинального тока пульсаций при 71 °C. Важно отметить, что затемненная часть графика является запретной зоной, если вы не хотите повредить компонент.
Рабочее напряжение конденсатора Вы можете значительно увеличить срок службы, когда рабочее напряжение ниже максимального номинального напряжения.
По самым скромным оценкам, срок службы удваивается, когда компонент работает при 50% номинального напряжения. Конечно, оно становится пропорционально меньше по мере приближения рабочего напряжения к максимальному номинальному напряжению. Я видел менее консервативные оценки, но в связи с отсутствием каких-либо данных в информации производителя, позволяющих предположить обратное, я бы посоветовал вам придерживаться этой линейной зависимости и не ожидать дальнейшего улучшения срока службы, кроме удвоения.
В техпаспорте содержится много полезной информации. Например, для конденсатора B41888, на котором мы здесь остановились, в выдержке из таблицы данных указано, что хотя устройство диаметром 8 мм имеет срок службы 5000 часов, устройство диаметром 12,5 мм (или больше) имеет удвоенный срок службы — 10000 часов. Если ваше целевое значение емкости позволяет выбрать диаметр и у вас есть место на плате, было бы выгодно выбрать деталь большего размера, чтобы увеличить срок службы.
Например, если вы выбрали 100 мкФ, 35-вольтовый компонент, который вы намеревались использовать при напряжении 30 вольт, вы получите хороший срок службы, выбрав вместо него компонент с номинальным напряжением 63 вольта.
Деталь на 35 В имеет диаметр 8 мм, а деталь на 63 В — 10 мм. Тем не менее, срок службы 10-мм детали составляет 7000 часов, и этот срок можно удвоить до 14000 часов, просто запустив ее при 48% номинального напряжения. 8-миллиметровая деталь имеет срок службы 5000 часов, который увеличился бы только до 5833 часов при работе от напряжения 30 вольт. Таким образом, относительно небольшое увеличение диаметра на 2 мм значительно увеличивает срок службы.
Еще одним соображением является взаимосвязь между частотой пульсаций и номинальным током пульсаций. Например, если для вашей конструкции требуется компонент на 1000 мкФ, 35 В, в техническом описании указано, что номинальный ток пульсаций при 105 °C составляет 2,459.ампер, но это на заданной частоте 100 кГц. Таким образом, если приложение работает на более низкой частоте, вы должны использовать приведенный ниже график для определения эффекта:
На низких частотах, таких как 120 Гц, номинальный ток пульсаций составляет всего 65% от значения на 100 кГц.
. Это означает, что для правильной оценки срока службы в приложении с частотой 120 Гц вы ограничены более ограниченным номинальным током пульсаций всего 1,598 ампер.
Интенсивность отказов конденсаторов
Не принимайте постепенное ухудшение характеристик электролитических конденсаторов в течение ожидаемого срока службы как что-либо, связанное с частотой отказов или MTBF. Внезапный и неожиданный отказ любого электронного компонента отличается от того, как компонент может «стареть». Конечно, если схема, которую вы разработали, перестает работать из-за старения электролитического конденсатора, это, безусловно, неисправность устройства с точки зрения пользователя. Однако ошибка дизайнера заключается в том, что он не понимает, как со временем производительность компонента естественным образом ухудшается. Другими словами, это ошибка конструкции, а не неисправность компонента.
Среднее время безотказной работы электролитического конденсатора измеряется в миллионах часов.
Хотя это может ухудшиться как из-за количества энергии, которое он хранит, так и из-за его рабочей температуры окружающей среды, он все еще очень далек от того, чтобы приблизиться к гораздо более низкому сроку службы компонента.
Зачем вообще использовать электролитические конденсаторы?
Если у электролитов есть такие проблемы, почему они так широко используются? Есть несколько причин, но главной из них является возможность получить высокое номинальное напряжение с высокой емкостью, что обычно требуется в конструкциях источников питания. Из-за химического состава электролитов нет другого типа компонентов, который обеспечивает такое же сочетание высокой емкости и высокого напряжения. С другими компонентами деталь либо становится физически огромной, либо нужно размещать огромное количество деталей параллельно.
В одном из прошлых проектов мне нужно было использовать 20 соединенных параллельно электролитических конденсаторов (3300 мкФ, 35 вольт), чтобы создать существенное устройство накопления энергии в новой конструкции.
Я упоминаю об этом, потому что это поможет вам понять разницу между сроком службы и MTBF. Схема получала зарядный ток низкого уровня в миллиамперах, но подвергалась спорадическим импульсам тока нагрузки, которые измерялись в амперах.
Что касается всего срока службы устройства хранения, я полностью ожидаю, что параллельные компоненты со временем будут изнашиваться одинаково. Другими словами, ожидается, что срок службы всех 20 компонентов будет таким же, как срок службы одного устройства. Однако для MTBF значение одного устройства необходимо разделить на 20, поскольку компоненты подключены параллельно, и любой из 20 компонентов может выйти из строя, что приведет к отказу устройства.
Где найти надежные запчасти для конденсаторов
Проблема конденсаторной чумы, о которой мы упоминали в начале этой статьи, рассматривается как «правильный отказ» (т. его срок службы. Является ли капающий кран неисправностью в вашей ванной? Ответ, очевидно, «нет», просто обычно это происходит из-за нормального износа, чего и следовало ожидать.
Если вам нужно найти сверхнадежные детали с длительным сроком службы электролитических конденсаторов, используйте панель поиска производителя в Altium Designer®. Вы также можете использовать платформу Altium 365™ для поиска компонентов, находящихся в производстве, управления проектными данными и передачи файлов производителю. Мы только коснулись того, что можно сделать с помощью Altium Designer в Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта, чтобы получить более подробное описание функций, или посетить один из вебинаров по запросу.
Срок годности и хранение конденсаторов
Во многих электронных устройствах конденсаторы являются компонентами, ограничивающими срок службы. В то время как срок службы конденсатора зависит как от электрических факторов, так и от факторов окружающей среды, срок годности в основном определяется условиями хранения.
Срок хранения большинства конденсаторов зависит от факторов окружающей среды, таких как влажность, температура и атмосферное давление.
Воздействие на конденсаторы суровых условий может существенно повлиять на их электрические свойства или даже полностью повредить их. Влияние факторов окружающей среды на срок годности конденсаторов варьируется в зависимости от химического состава и конструкции конденсатора. Алюминиевые электролитические конденсаторы очень чувствительны к факторам окружающей среды, особенно к высоким температурам.
Конденсаторы содержат химические материалы, и воздействие на некоторые из них высоких температур ускоряет химические реакции. Подсчитано, что для алюминиевых электролитических конденсаторов повышение температуры на 10°C может удвоить скорость химических реакций. Постепенное испарение электролита при воздействии на эти конденсаторы высоких температур вызывает уменьшение емкости и увеличение тангенса угла потерь (tan δ/DF). Как правило, воздействие на конденсаторы неблагоприятных условий окружающей среды приводит к ухудшению их электрических характеристик.
Срок годности алюминиевых электролитических конденсаторов
Алюминиевые электролитические конденсаторы в основном используются в приложениях, требующих высоких значений емкости.
Они обычно используются для фильтрации приложений в импульсных источниках питания. Срок службы таких устройств зависит от этих конденсаторов.
На характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов сильно влияют суровые условия окружающей среды. Электрические характеристики, на которые влияет длительное хранение этих конденсаторов без зарядки, — это эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), ток утечки и емкость. ESR и ток утечки увеличиваются, а емкость уменьшается. Тем не менее изменения невелики, если эти конденсаторы хранятся при комнатной температуре. Современные алюминиевые электролитические конденсаторы имеют более длительный срок хранения, обычно около 2 лет, по сравнению с их предшественниками.
Для алюминиевых электролитических конденсаторов изменения ESR, емкости и тока утечки вызваны химической реакцией между пленкой оксида алюминия и электролитом. Хранение этих конденсаторов при высоких температурах ухудшает качество герметизирующего материала.
Когда этот материал ослаблен, может происходить рассеивание электролита, что влияет на электрические характеристики конденсатора.
Изменение характеристик алюминиевых электролитических конденсаторов при их длительном хранении также может быть вызвано проникновением электролита в оксидную пленку. Это основная причина изменения тока утечки. Скорость разрушения пленки оксида алюминия зависит от времени и температуры.
При хранении алюминиевых электролитических конденсаторов важно следить за тем, чтобы они не подвергались воздействию влаги. Высокая влажность ускоряет окисление выводных проводов/клемм. Это ухудшает паяемость конденсатора. Помимо влаги, также необходимо следить за тем, чтобы эти компоненты не подвергались воздействию ультрафиолетовых лучей, озона, масла и излучений. Воздействие таких условий на конденсаторы приводит к порче резиновых торцевых уплотнений. Ослабление торцевых уплотнений снижает общую надежность алюминиевых электролитических конденсаторов.
Важно знать срок хранения алюминиевых электролитических конденсаторов перед их использованием.
Пленка оксида алюминия конденсатора может быть восстановлена путем приложения напряжения к компоненту. Этот процесс восстановления испорченной оксидной пленки конденсатора известен как риформинг конденсатора. Желательно не использовать конденсаторы, пролежавшие в магазине длительное время.
Срок годности танталовых конденсаторов
Танталовые конденсаторы имеют длительный срок годности. Электрические характеристики этих конденсаторов не изменяются при длительном хранении. В отличие от алюминиевых электролитических конденсаторов танталовые конденсаторы обладают большей стабильностью, и их емкость не уменьшается со временем.
Многие исследования показали, что танталовые конденсаторы можно хранить в течение длительного периода времени с небольшим изменением электрических характеристик или без такового. Однако небольшое изменение тока утечки происходит, когда танталовый конденсатор хранится в течение длительного периода времени. Условия хранения определяют изменения, происходящие в танталовых конденсаторах.
Хранение танталовых конденсаторов при высоких температурах может привести к значительному изменению тока утечки. Однако нормальный ток утечки восстанавливается, когда на устройство кратковременно подается напряжение. При хранении этих конденсаторов при низких температурах наблюдаются небольшие изменения тока утечки или их отсутствие. При хранении танталовых конденсаторов желательно следовать инструкциям по хранению, предоставленным производителем.
Срок годности керамических конденсаторов
Срок годности керамических конденсаторов во многом определяется способом упаковки и условиями хранения.
В отличие от алюминиевых электролитических конденсаторов, диэлектрический материал многослойных керамических конденсаторов (MLCC) не разрушается при кратковременном хранении конденсатора. Однако длительное хранение многослойных конденсаторов для поверхностного монтажа может привести к старению диэлектриков (диэлектрики класса II), проблемам с пайкой и ухудшению качества ленты и катушки.
При длительном хранении керамических конденсаторов медленный процесс окисления может привести к ухудшению состояния клемм. Хранение керамических конденсаторов на открытом воздухе или воздействие на них газообразного хлора или диоксида серы ускоряет процесс окисления. Окисление выводов влияет на паяемость многослойных керамических конденсаторов.
Емкость керамических конденсаторов, изготовленных из диэлектриков класса II, таких как X7R, Z5U и Y5U, со временем уменьшается. Это уменьшение емкости, также известное как старение, является функцией времени и не зависит от условий хранения. Чтобы остановить старение, диэлектрик нагревают до температуры выше точки Кюри.
Керамические конденсаторы следует хранить при температуре и влажности, указанных производителем. Перед использованием конденсатора следует проверить рекомендуемый срок годности, дату получения, а также осмотреть выводы.
Заключение
Для большинства конденсаторов срок годности в значительной степени определяется условиями хранения. Электрические характеристики хранимых конденсаторов изменяются в основном в зависимости от условий хранения, особенно температуры и влажности. Для некоторых конденсаторов, таких как алюминиевые электролитические конденсаторы, температура хранения определяет скорость химических реакций. Алюминиевые электролитические конденсаторы, которые хранятся при высоких температурах, теряют емкость быстрее, чем те, которые хранятся при низких температурах. Воздействие влаги на конденсаторы ускоряет окисление выводных проводов/клемм. Это окисление клемм ухудшает паяемость. Перед использованием конденсатора важно проверить время его получения.