Надежность и срок эксплуатации электролитических конденсаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

на тему: «Надежность и срок эксплуатации электролитических конденсаторов»

1. Надежность и срок эксплуатации

Существует несколько способов определения надежности электролитических конденсаторов:

- Тест на «выносливость», Endurance test. Методика описана в стандарте IEC60384-4. В процессе тестирования конденсатор работает при максимальном приложенном напряжении и максимально допустимой температуре, при этом контролируются значения емкости, ESR и тока утечки. Тест останавливается при превышении допустимого порога одного из параметров. В зависимости от типов испытуемых конденсаторов допускается «уход» основных параметров не более чем в 7% выборки.

- Время эксплуатации, Useful life. Параметр, характеризующий время эксплуатации, определен стандартом DIN IEC60384-4 (Германия). Процедура тестирования аналогична предыдущей, но, помимо максимального постоянного напряжения и максимальной температуры, присутствуют выбросы напряжения, приводящие к дополнительному внутреннему нагреву конденсатора.

При чтении документации различных производителей электролитических конденсаторов приходится сталкиваться со множеством различных наименований параметров надежности. При этом зачастую термины оказываются перемешаны или переопределены. Так, встречаются «load life», «useful life», «endurance», «life expectancy», «operational life», «service life». В дополнение к расхождениям в терминологии некоторые производители допускают применение иных стандартов тестирования и иное определение параметров его проведения, что делает весьма сложным «прямое» сравнение характеристик надежности.

долговечность электрический параметр конденсатор

К сожалению, на сегодняшний день нет единого стандарта для проведения тестирования параметров надежности и срока эксплуатации электролитических конденсаторов. Существует лишь рекомендация комитета стандартизации США EIA IS-749, в которой определена методика тестирования времени эксплуатации электролитического конденсатора, установленного в схеме непосредственно после основного выпрямителя. Пока иное не определено отраслевыми стандартами, Jianghai публикует все параметры проводимых тестов и их результаты в основной документации на конденсаторы.

Таким образом, документация на конденсаторы Jianghai позволяет получить «прозрачную» картину всех параметров тестирования надежности и срока эксплуатации выбранной группы конденсаторов.

Чтобы обеспечить разработчиков необходимыми инструментами для расчета параметров надежности, Jianghai приводит соответствующие диаграммы с базовыми параметрами (температура и импульсные токи). В дополнение предлагается более полная математическая модель, в которой учитывается рабочее напряжение. Применение этих двух инструментов для определения параметров надежности является достаточным для большинства приложений. В случае особых применений (когда конденсаторы эксплуатируются у максимально допустимых границ температуры, в присутствии нерегулярных импульсных токов большой величины или в особом конструктивном исполнении) первичная оценка с помощью диаграмм и моделирования может оказаться неверной. В любом случае, для уточнения пригодности конденсаторов для конкретного приложения рекомендуется обратиться в службу технической поддержки Jianghai.

Жидкий электролит внутри конденсатора является основной причиной ограничения срока эксплуатации и сказывается на постоянном изменении электрических параметров конденсатора во времени [1]. Электрохимическая деградация параметров, ускоряющаяся с ростом температуры и напряжения, может быть оценена с помощью полуэмпирической модели срока эксплуатации (lifetime).

Jianghai приводит графические диаграммы коэффициента срока эксплуатации (рис. 5) в зависимости от температуры и импульсных токов для всех серий на основании математической модели. На этих диаграммах серая область отображает совокупность характеристик, при которых возможно закипание электролита. Работа в «серой» области допустима только после согласования всех параметров с производителем конденсатора.

С другой стороны, математическая модель срока эксплуатации дает оценку времени работы конденсатора в выбранном приложении. Исходными параметрами модели являются данные из документации на конденсатор и параметры эксплуатации, такие как температура окружающей среды, импульсные токи и диапазон прилагаемого в процессе эксплуатации напряжения. В случае применения принудительного охлаждения максимально допустимые импульсные токи должны быть также уточнены. Структура модели срока эксплуатации:

Lx = L0xK_TxK_RxK_v,

где L_x -- искомый срок эксплуатации;

L₀ -- исходный срок эксплуатации при номинальном импульсном токе и максимальной температуре (берется из документации);

K_T -- температурный фактор (определяемый температурой окружающей среды);

K_R -- фактор импульсного тока, связанный с внутренним нагревом конденсатора;

K_v -- фактор напряжения, связанный с рабочим напряжением в процессе эксплуатации.

Температурный фактор K_T

Срок эксплуатации электролитического конденсатора связан с температурой окружающей среды правилом «10 Кельвинов», широко применяемым в отрасли: снижение температуры окружающей среды на 10 К приводит к увеличению срока эксплуатации в два раза [1, 3, 4, 6, 9]. Формула для расчета K_T = 2(^I0-^I*^a)/10K, где T₀ -- максимально допустимая температура; T_a -- максимальная температура в выбранном приложении.

Импульсный ток

Jianghai оценивает вклад импульсных токов, приводящих к внутреннему нагреву конденсатора, по следующей формуле:

K_R = K/i*^ATc/^10K,

где A = 1-(I_a/I₀)²; I_a -- импульсный ток в выбранном приложении;

I₀ -- номинальный импульсный ток при максимально допустимой температуре;

ДТ₀ -- приращение температуры внутри конденсатора (ДТ₀ = 5 K при Т₀ = 105 °С и ДТ₀ = 10 K при T₀ = 85 °С);

K -- эмпирический фактор надежности (при Т₀ = 105 °С: I>I₀, K = 4; I<I₀, K = 2; при Т₀ = 85 °С K = 2).

Фактор напряжения K_V

Для малых конденсаторов с радиальным исполнением выводов основным фактором, определяющим срок эксплуатации, являются потери в электролите, обусловленные температурным режимом (на основании математической модели -- уравнении Аррениуса). Таким образом, фактор напряжения K_v для малых конденсаторов принимается равным 1.

Для средних и больших конденсаторов (с выводами под клеммы или под винт) значение приложенного напряжения сказывается на сроке эксплуатации, поскольку присутствие напряжения ниже максимального значения облегчает нагрузку на диэлектрик. С другой стороны, чем выше приложенное напряжение и чем оно ближе к максимально допустимому значению, тем больше расходуется электролита на «самоизлечение» микродефектов в диэлектрике. Таким образом, рабочее напряжение ниже максимально допустимого значения может существенно продлить срок жизни конденсатора [4].

Jianghai оценивает величину вносимого фактора напряжения для конденсаторов с клеммами и под винт на основании эмпирической формулы. Значения напряжения менее половины максимального значения редко применяются на практике, поэтому они не учтены в данной модели. По сравнению с моделями других производителей, Jianghai использует значения n = 3 и n = 5, что является средними или умеренными величинами (рис. 6):

где U_R -- максимальное напряжение;

U_A -- рабочее напряжение; n -- коэффициент, определяемый как:

0,5<(U_A/U_r)<0,8 -- n = 3,

0,8<(!7_А/1у<или = 1-- n = 5.

2. Пример оценки срока эксплуатации конденсатора

Следующий пример показывает, каким образом могут быть применены диаграммы и математическая модель для определения срока эксплуатации конденсатора.

Допустим, что конденсатор серии CD_297_ BB на 390 мкФ, 400 В, с максимальной рабочей температурой 105 °С и корпусом 35x45 мм эксплуатируется при температуре окружающей среды 55 °С при импульсном токе 2,51 А RMS на частоте 20 кГц. Рабочее напряжение равно номинальному 400 В, поэтому на срок эксплуатации влияют только импульсный ток и температура. Охлаждение происходит естественным путем за счет конвекции и рассеяния.

Документация на конденсатор содержит значение номинального импульсного тока при 120 Гц и 105 °С, равное 1,27 А RMS, а коэффициент корректировки от частоты равен 1,4 для частот выше 10 кГц и напряжения 315-450 В. Срок эксплуатации для номинальных значений из документации составляет 7000 ч.

Отношение рабочего импульсного тока, с поправкой на частоту, к номинальному импульсному току:

IJk = (2,51Ar_ms/1,4)/(1,27Ar_ms) = 1,41.

Из диаграммы срока эксплуатации (рис. 7) находим значение коэффициента, связанного с рабочей температурой и импульсным током, который равен 16.

Проведем оценку срока эксплуатации конденсатора в выбранном приложении:

L_X = L₀x16 = 7000x16 = 112 000 ч, или ~13 лет.

В другом случае воспользуемся математической моделью и сравним полученные значения: Lx = L₀xKtxKrxK_v,

где L_g = 7000 ч, T₀ = 105 °C, T_a = 55 °C, K = 4, la = 2,51 Ar_MS/1,4=1,79 Arms, /0 = 1,27 Arms, AT₀ = 5 K, U_r = U_a -- n = 5,

L_X = 7000x32x0,5x1 = 112 000 ч, или 13 лет.

Результат, полученный с помощью диаграмм и математического расчета, совпал.

Заключение

Алюминиевые электролитические конденсаторы очень часто определяют срок эксплуатации электронных устройств. Хорошее понимание основных технических параметров и особенностей данных компонентов необходимо для эффективного проектирования электронной техники с гарантированной надежностью и сроком эксплуатации.

Электрические и температурные параметры электролитических конденсаторов являются определяющими для оценки надежности и срока эксплуатации всего изделия. Разработчикам аппаратуры доступно два способа оценки надежности: с помощью графических диаграмм и с помощью расчета.

Применимость оценочных значений, полученных при расчете или из диаграмм, и показатели надежности будут определяться еще и спецификой конкретного приложения. Наиболее достоверные результаты оценки надежности будут получены только после консультации с производителем, после подтверждения расчетов и условий эксплуатации с его стороны (особенно для «тяжелых» условий применения).

Приведенный пример показывает метод оценки надежности в конкретных, типичных условиях эксплуатации конденсатора.

Список использованной литературы

1. http://www.jianghai-europe.com/

2. Петропавловский В.С., Хухлович З.В., Трухина И.О. Состояние и проблемы развития конденсаторов с оксидным диэлектриком за рубежом. Обзоры по электронной технике. Сер.

3. Радиодетали и радиокомпоненты, 2001. М., ЦНИИ «Электроника»

4. Справочник по электрическим конденсаторам /Под ред. И.И. Четверткова, В.Ф. Смирнова - М. Радио и связь 1983.

Размещено на Allbest.ru