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WIKI COSA INFLUENZA LA DURATA DEL CONDENSATORE ELETTROLITICO?

Joe.V76

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6 Aprile 2021
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1 capacitor.JPG

Se si discutesse con un qualsiasi gruppo di ingegneri progettisti, si potrebbe rapidamente formulare l'opinione che il condensatore elettrolitico abbia una reputazione particolarmente dubbia. Questa visione non è stata certamente aiutata dalla cosiddetta "peste dei condensatori" che si è verificata nei primi anni del nuovo millennio. Una miscela di elettroliti difettosa utilizzata in questi tipi di condensatori ha portato a guasti prematuri dei dispositivi e, molto spesso, è stato fatto un "piccolo pasticcio" sulle PCB su cui sono stati saldati. A causa della natura di alto profilo dei prodotti che utilizzavano alcune marche di condensatori "difettati", questa è diventata un problema notevole. Per maggiori dettagli, si rimanda al link di Wikipedia.

https://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor_plague

Tuttavia, nonostante il problema della piaga dei condensatori (che Wikipedia ha riportato come dovuto a un fallito tentativo di spionaggio industriale che ha portato all'uso di una formula errata dell'elettrolita), questo articolo si concentra sull'aiutare il progettista a capire come ottenere molti più anni di utile vita da un condensatore elettrolitico. La linea di fondo è che si ottiene quello per cui si paga e, piaccia o no, i condensatori elettrolitici sono una necessità in molti progetti.

Quali sono le cause del guasto del condensatore elettrolitico?

Il meccanismo principale che causa il degrado e il guasto dei condensatori elettrolitici è la lenta evaporazione dell'elettrolita nel tempo e, naturalmente, peggiora a temperature più elevate. Ciò si traduce in una minore capacità e una maggiore “effective series resistance” ESR. È un po' un circolo vizioso perché quando l'ESR aumenta, aumenta anche qualsiasi effetto di auto-riscaldamento dovuto alle correnti di ripple. Ciò può quindi portare a significativi aumenti di temperatura localizzati che possono accelerare ulteriormente il problema. In passato, questo ha indotto alcune aziende ad implementare una manutenzione pianificata, in cui i condensatori elettrolitici vengono sostituiti con componenti sostitutivi ogni periodo pianificato, in particolare quando il sistema viene utilizzato in applicazioni critiche.
Specifiche del condensatore
Spesso si nota che un condensatore elettrolitico avrà una vita dichiarata, come 5000 ore. Useremo il datasheet TDK (in precedenza EPCOS) come esempio di come interpretare queste informazioni:

2 capacitor.JPG

In rosso l'area interessata asserisce che un condensatore di 8 mm di diametro avrà 5000 ore di vita utile. È una vita di soli 208 giorni, che a prima vista è un valore molto basso. Tuttavia, tale cifra si riferisce a una temperatura di esercizio di 105 °C. Se la temperatura di esercizio fosse inferiore di 10 °C, a 95 °C, la durata raddoppierebbe. Raddoppierà per ogni diminuzione di 10 °C al di sotto dei 105 °C. Quindi, se la temperatura ambiente di funzionamento di un condensatore in un particolare circuito è mantenuta al di sotto di 55 °C, è possibile utilizzare la seguente formula per calcolare la durata effettiva:

Vita utile effettiva = [Durata a 105 °C] ∙2x

Dove "x" è (105 °C – T attuale)/10. Ad una temperatura di 55 °C, "x" = 5, e quindi la durata utile si estende da 5.000 ore a 105 °C a 32 x 5000 ore a 55 ° C. per cui sono 18 anni.

Cosa significa la "durata utile" di un condensatore?

Per quanto riguarda la scheda tecnica di cui sopra, la colonna evidenziata a destra informa che la capacità può degradare dal suo valore originale fino a un valore che può essere inferiore fino al 40% durante la vita utile del componente. Quindi, se si adopera un condensatore da 1000 μF, potrebbe essere che il suo valore iniziale più basso sia 800 μF in base alla tolleranza del 20% del dispositivo specificata nella scheda tecnica. Di conseguenza, alla fine della sua "vita utile", lo scenario peggiore è che potrebbe essere sceso al 60% di questo valore iniziale di 800 μF, che è solo 480 μF.

Fattore di dissipazione

Per il dispositivo B41888, la scheda tecnica ci dice che "tan δ" potrebbe aumentare di un fattore tre volte nel corso della vita. Tan è il fattore di dissipazione, o il rapporto tra ESR e reattanza capacitiva, e non deve essere confuso con la tangente di perdita. Per riferimento, è anche l'inverso del fattore Q. Con un dispositivo B41888 da 35 volt, tan δ è indicata come 0,12 a 120 Hz. Un condensatore da 1000 μF ha una reattanza di 1,326 Ω a 120 Hz, il che significa che l'ESR è 0,159 Ω.

Questa è la cifra per un condensatore di esattamente 1000 μF, ma abbiamo visto che potrebbe arrivare fino a 0,199 Ω per un condensatore che si trova all'estremità inferiore dell'intervallo di tolleranza iniziale (ovvero 800 μF). Alla fine del suo ciclo di vita, abbiamo visto che la capacità potrebbe essere solo di 480 μF, quindi ne consegue che l'ESR potrebbe aumentare

a 0,332 Ω. Infine, poiché tan δ può degradarsi di un fattore tre volte superiore nel corso della vita, l'ESR potrebbe potenzialmente aumentare fino a 0,995 Ω.

Altri fattori che influenzano la durata del condensatore elettrolitico
Corrente di ripple
3 capacitor.JPG

La durata di vita del B41888 presuppone che funzioni a onda sinusoidale pura. Nondimeno i datasheet riportano anche questo utile grafico applicabile per un condensatore di 8 mm di diametro:

Se si sceglie di operare al 50% della corrente di ripple nominale (0,5 sull'asse Y), equivale a funzionare a una temperatura ambiente locale inferiore di 3 °C. Questo è un potenziale aumento del 23% della durata della vita e, a volte, ogni piccolo extra può contare. Se dovesse essere necessario superare i limiti della corrente di ripple, si potrebb ottenere le informazioni di cui si necessita dal grafico riportato. Ad esempio, se si utilizza il componente al 50% in più rispetto alla corrente di ripple nominale a 65 °C, si otterrebbero comunque 100.000 ore di vita utile, come si otterrebbe operando a metà della corrente di ripple nominale a 71 °C. È importante notare che la parte oscurata del grafico è un'area vietata se non si desidera danneggiare il componente.

Tensione operativa del condensatore

È possibile ottenere un discreto aumento della durata della vita quando la tensione operativa è inferiore alla tensione nominale massima. La stima più prudente è che la durata della vita raddoppia quando il componente viene utilizzato al 50% della tensione nominale. Naturalmente, diventa proporzionalmente più piccolo man mano che la tensione operativa si avvicina alla tensione nominale massima.

la scheda tecnica

Ci sono molte informazioni utili nella scheda tecnica. Ad esempio, per il condensatore B41888 su cui ci siamo concentrati qui, l'estratto della scheda tecnica indica che sebbene il dispositivo con un diametro di 8 mm abbia una durata di 5.000 ore, un dispositivo con un diametro di 12,5 mm (o superiore) ne ha il doppio a 10.000 ore. Se il valore target della capacità consente una scelta di diametro e si dispone di spazio sulla scheda, sarebbe vantaggioso scegliere una parte più grande per migliorare la durata. Ad esempio, se scegli un componente da 100 μF, un componente da 35 volt che funziona a 30 volt, si otterranno buoni vantaggi in termini di durata selezionando invece la parte da 63 volt.

La parte a 35 volt ha un diametro di 8 mm, mentre la parte a 63 volt è di 10 mm. Tuttavia, la parte da 10 mm ha una durata di 7.000 ore, che potrebbe raddoppiare fino a 14.000 ore semplicemente facendola funzionare al 48% della tensione nominale. La parte da 8 mm ha una durata di 5.000 ore che aumenterebbe solo a 5833 ore se utilizzata a 30 volt. Quindi, un aumento del diametro relativamente piccolo di 2 mm offre un aumento significativo della durata della vita.

Un'altra considerazione è la relazione tra la frequenza di ripple e la valutazione della corrente di ripple. Ad esempio, se il progetto richiede un componente da 1000 μF, 35 volt, il foglio dati ti dirà che ha una corrente di ripple nominale a 105 °C di 2,459 A, ma questa è a 100 kHz specificati. Quindi, se l'applicazione viene eseguita a una frequenza inferiore, è necessario utilizzare il grafico sottostante per determinare l'effetto:

4 capacitor.JPG

A basse frequenze, come 120 Hz, la corrente di ripple nominale è solo il 65% del valore a 100 kHz. Ciò significa che per la corretta valutazione della durata di vita in un'applicazione a 120 Hz, si è fermi ad una corrente di ripple nominale più limitata; di soli 1,598 A.

“Tassi di guasto” del condensatore

Non confondere il graduale degrado delle prestazioni di un condensatore elettrolitico durante la sua durata prevista come qualcosa che ha a che fare con i “tassi di guasto” o MTBF. Il guasto improvviso e inaspettato di qualsiasi componente elettronico è diverso da come il componente potrebbe "invecchiare". Un condensatore elettrolitico avrà un MTBF misurato in milioni di ore. Anche se questo può essere degradato sia dalla quantità di energia che immagazzina sia dalla sua temperatura operativa ambientale.

NOTE:

MTBF definizione

L’indicatore MTBF (Mean Time Between Failures) esprime una misurazione statistica del tempo medio atteso tra due malfunzionamenti. Rappresenta dunque il tempo medio tra il verificarsi di un guasto e l’inizio di quello successivo.

Grazie anticipatamente a tutti quelli che vorranno leggere, aggiungere, modificare o puntualizzare questo piccolo scritto.

Joe.





 
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