header

                                                                      

Levensduur schatten van elektrolytische condensatoren

Aluminium elektrolytische condensatoren (elco's of elcaps) zijn essentieel voor het functioneren van uiteenlopende elektronische circuits. De levensduur van die circuits is dikwijls direkt afhankelijk van de levensduur van de alco's. Dit artikel beschijft de constructie van de elco en belicht termen als, ESR rimpelstroom, zelfopwarming, chemische stabiliteit en betrouwbaarheid. ook wordt gekeken naar de mogelijkheden om de levensduur te schatten.


Aluminium elektrolytische condensatoren bestaan uit een sterk opgeruwde anodefolie,
bedekt met een dunne diëlektrische laag en een precies passende kathode,
de elektrolytische vloeistof. De vloeibare elektrolyt maakt deze opbouw bijzonder:

• De stroom loopt dank zij bewegende ionen. Temperatuurverhoging vermindert de viscositeit en verlaagt de elektrische weerstand (ESR).


• Het kookpunt van de elektrolyt begrenst de maximaal toelaatbare zelfopwarming die wordt veroorzaakt door rimpelstroom en omgevingstemperatuur.


• Elektrolytverliezen, veroorzaakt door elektrochemisch zelfherstel en uitdroging, verminderen de levensduur van elektrolytische condensatoren [7]. Equivalente serieweerstand ESR De ESR (‘equivalent series resistance’) maakt een eenvoudige berekening mogelijk van de thermische verliezen die
optreden tijdens het functioneren van elco’s [1]. De ESR (figuur 2) is de som van een constante
(bij benadering), een frequentieafhankelijk deel en een temperatuurafhankelijk deel [2]:


ESR = Ro + Rd + Re


Ro is het ohmse deel (folie, verbindingspunten en soldeeraansluitingen), Rd het frequentieafhankelijke deel (diëlektrische laag (figuur 3a, [3])), en Re de temperatuurafhankelijke weerstand
(elektrolyt en papier (figuur 3b)). Om betrouwbare ontwerpen te verkrijgen moet bij het kiezen van elektrolytische condensatoren niet worden uitgegaan van de nominale waarden van de
ESR, maar van de maximum waarden. Rimpelstroom; Meestal is op een gelijkspanning eenwisselspanning of rimpel gesuperponeerd. Deze veroorzaakt een rimpelstroom en zelfopwarming van de elco.


Omdat stroom met elke frequentie bijdraagt aan de zelfopwarming [8], moetende RMS-waarden (root mean square) van de opgegeven rimpelstromen worden bekeken:

 

form 1.JPG
Aluminium elektrolytische condensatoren (‘elco’s’ of ‘elcaps’) zijn essentieel voor het functioneren van uiteenlopende elektronische circuits. Delevensduur van die circuits is dikwijls direct afhankelijk van de levensuur van de elco’s [9]. Dit artikel beschrijft de constructie van elco’s en belicht gerelateerde termen als ESR, rimpelstroom, zelfopwarming, chemische
stabiliteit en betrouwbaarheid. Ook wordt gekeken naar twee tools voor het schatten van de levensduur van elco’s.

Levensduur schatten van elektrolytische condensatoren Grafisch hulpmiddel en rekenmodel door
Dr. ARNE ALBERTSEN, JIANGHAI EUROPE GmbH.

Passieve componenten fig 1t4.JPG

Ia is de RMS-waarde van alle rimpelstromen, If1 … Ifn zijn de RMS-waarden van de rimpelstromen met frequenties f1 ... fn, Ff1 … Ffn is een stroomcorrectiefactor
voor frequenties f1 ... fn waarbij f0 = referentiefrequentie van de nominale rimpelstroom.

form2.JPG

 

De correctiefactoren voor de stromen zijn afkomstig van de frequentieafhankelijkheid van de ESR en worden opgegeven in de datasheets. 

 

Zelfopwarming van elco’s 

In werking stijgt de temperatuur van de elco boven de omgevingstemperatuur. In stabiele toestand komt het toegevoerde vermogen Pel overeen met
het warmtevermogen Pth dat aan de omgeving wordt gedissipeerd. Pel = Pth


De belangrijkste koelmechanismen voor elco’s zijn straling en convectie. Warmtegeleiding is meestal maar heel gering. Hoe goed de elco warmte kan afstralen is afhankelijk van het oppervlaktemateriaal
van de component. Dekleur van de elco speelt geen rol. 

De bijdrage van convectie aan het totale koeleffect kan worden verbeterd door geforceerde koeling [5]. De individuele equivalente thermische weerstanden van elk koelingsmechanisme kunnen worden samengevoegd tot een enkele thermische weerstand Rth.

De kerntemperatuur Tc kan worden beschreven als: 

form 4.JPG


De gecombineerde interne thermische weerstanden liggen in de orde van De meting van de oppervlaktetemperatuur Ts op de bodem van de behuizing van de elco (de ‘can’) geeft een
goede benadering van de kerntemperatuur
Tc voor radiale en kleine ‘snap-in’ elco’s (can-diameters ≤ 25 mm). Voor grotere can-afmetingen wordt een rechtstreekse meting van de kerntemperatuur aanbevolen. Jianghai heeft
daarvoor op aanvraag elco’s met thermokoppels.


Chemische stabiliteit


Elektrolytsystemen zijn multi-compound mengsels, en het is absoluut vereist dat zij chemisch stabiel zijn. Een goede indicator voor chemische stabiliteit is de zogeheten ‘shelf life’ (rechterkolom
in tabel 1). In tegenstelling tot de gebruikelijke opslag van elco’s bij matige temperatuur, is de shelf life test een veeleisende versnelde levensduurtest die de componenten blootstelt aan hun maximale temperatuur, zonder dat een spanning is aangelegd. Een hoge shelf life waarde is een goede
indicator voor de chemische stabiliteit, de zuiverheid van materialen en een goede productiekwaliteit.


Betrouwbaarheid en levensduur. 

De aan elkaar verwante eigenschappen ‘ betrouwbaarheid’ en ‘ levensduur’ geven antwoord op vragen als ‘hoeveel elco’s zullen er falen gedurende het gebruik
van mijn toepassing?’ en ‘hoe lang zullen de elco’s in mijn toepassing blijven leven?’

Het kenmerkende tijdsverloop voor de betrouwbaarheid van elco’s volgt de zogeheten badkuipkromme [6]. De uitval (failure rate of FIT rate) λ geeft het aantal fouten per tijdseenheid (FIT = ‘failures in time’ in 10-9 failures/uur). De badkuipkromme in figuur 4 toont drie duidelijk verschillende segmenten:

tabel 1.JPG

Figuur 1: De opbouw van een elektrolytische condensator.
Figuur 2: Vervangschema van een elco.
Figuur 3a: ESR versus frequentie. Figuur 3b: ESR versus temperatuur.
Figuur 4: FIT rate versus tijd.

1. De ‘early failure’ periode (afnemende FIT rate λ);
2. De periode binnen de normale levensduur beschrijft het optreden van willekeurige fouten (constante     FIT rate λ);
3. Het laatste segment ontstaat door slijtage en veranderingen buiten de acceptabele limieten aan het einde van de reguliere levensduur – of daarna (toenemende FIT rate λ). Tegen het eind van het productieproces worden alle elco’s onderworpen aan ‘post-forming’ (vergelijkbaar met een burn-in). Vroeg optredende fouten in de toepassing zijn daardoor uitzonderlijk;

Voor de rest van dit artikel gaan we ervan uit dat de elco werkt in het deel van de badkuipkromme waar de willekeurige fouten optreden. Het einde van de levensduur is bereikt als bepaalde parameters vooraf gedefinieerde limieten overschrijden. Het is gangbare praktijk om bij het ontwerpen van eenapplicatie toe te staan dat een bepaald deel van de componenten buiten deze limieten valt.

Bij het vergelijken van datasheets van verschillende elcofabrikanten, blijkt dat veel terminologie niet consistent wordt gebruikt. Je ziet aanduidingen als ‘load life’, ‘useful life’, ‘endurance’, ‘life expectancy’,
‘operational life’, en ‘service life’. Naast verschillende limieten die het eind van de levensduur definiëren, gebruiken sommige fabrikanten zelfs verschillende standaarden om te accepteren dat een deel van de geteste componenten buiten het gespecificeerde gebied valt. Dat alles maakt een vergelijking van de verschillende levensuurwaarden van verschillende leveranciers
bijzonder moeilijk.
Op dit moment bestaan er geen valide standaarden die kunnen worden gebruikt om een exacte definitie van de termen en hun betekenis te verkrijgen. Jianghai kiest ervoor om alle relevante definities en testcondities te vermelden in de datasheet (tabel 1).

 

Levensduurdiagram en -model

tabel2.JPG

Om gebruikers te voorzien van hulpmiddelen om de levensduur van elco’s te schatten, heeft Jianghai levensduurdiagrammen en een levensduurmodel ontwikkeld. Het levensduurdiagram kijkt
naar de belangrijkste parameters (temperatuur, rimpelstroom) en geeft een grafisch beeld van toelaatbare combinaties van deze parameters. Het levensduurmodel houdt ook rekening met de invloed van de daadwerkelijk tijdens de levensduur gebruikte spanning. De levensduurdiagrammen (figuur 5) kijken niet naar combinaties van rimpelstroom en omgevingstemperatuur
die kunnen leiden tot temperaturen die te dicht bij, of zelfs boven, het kookpunt van de elektrolyt komen.

Zulke belastingcondities mogen alleen worden gebruikt in overleg met Jianghai. De invoer voor het levensduurmodel bestaat uit type specifieke parameters uit de datasheet met toepassing specifieke
parameters als omgevingstemperatuur, rimpelstroombelasting en de aangelegde spanning tijdens gebruik [4]. In geval van geforceerde koeling moet de waarde voor de rimpelstroom dienovereenkomstig worden aangepast.

Voorbeeld levensduurschatting

Het volgende voorbeeld dient als illustratie van een praktische toepassing van het levensduurdiagram en het levensduurmodel. Stel dat een 105 °C elco, type 390 μF, 400 V, 35 x 45 mm uit de snap-in serie
CD_297_BB van Jianghai werkt bij een omgevingstemperatuur Ta = 55 °C en een rimpelstroom van 2,51 Arms bij 20 kHz. De werkspanning is gelijk aan de opgegeven spanning van 400 V, zodat alleen de omgevingstemperatuur en de rimpelspanning meetellen in de levensduurschatting. De koeling gebeurt
in dit voorbeeld door vrije convectie en straling. De datasheet geeft een nominale rimpelstroom aan van IR = 1,27 Arms bij 120 Hz en 105 °C en een frequentiecorrectiefactor van 1,4 voor frequenties boven
10 kHz en spanningen van 315 ~ 450 V. De levensduur (‘useful life’) wordt dan gespecificeerd als L0 = 7000 uur bij nominale belasting condities.

De verhouding tussen de werkelijk rimpel IA en de nominale rimpelstroom IR wordt dan berekend als
Uit het levensduurdiagram (figuur 5), halen we een benaderde waarde voor de ‘lifetime multiplier’ van 16 op het snijpunt van omgevingstemperatuur en rimpelstroomverhouding. De schatting voor ‘useful life’ voor deze elco in deze toepassingen en onder de genoemde
omstandigheden is: LX = L0 × 16 = 7000 u × 16 = 112 000 uur ≅ 13 jaar

Figuur 5: De lifetime multiplier wordt gevonden op het snijpunt van de parameters van de condensator in werking. Tabel 1: Complete definitie van testcondities en toegelaten marge

 

Passieve componenten

Als alternatief kan de levensduur ook worden geschat door het gebruiken van het numerieke levensduurmodel: Invullen van de waarden Het resultaat van de numerieke schatting komt dus overeen met het resultaat van de grafische oplossing met het levensduurdiagram. Kortom;

Aluminium elektrolytische condensatoren bepalen vaak de levensduur van elektronische producten. Een grondige kennis van enkele van de belangrijke parameters en verouderingsconcepten van deze componenten is nodig om te kunnen komen tot een betrouwbaar elektronicaontwerp met eenvoorspelbare levensduur.


Kenmerkende elektrische en thermische eigenschappen van elco’s zijn hier belicht, evenals de definities voor betrouwbaarheid en levensduur. Er zijn twee methoden beschikbaar voor het
schatten van de levensduur: een grafische methode (het levensduurdiagram) en een numerieke berekening (het levensduurmodel). De bruikbaarheid van de modellen en hun resultaten is afhankelijk van het specifieke product en de toepassing waarin het wordt gebruikt. Het is uiteraard altijd mogelijk de leverancier te consulteren voor begeleiding bij het ontwerpproject en het
bevestigen van schattingen.

 

Referenties en geraadpleegde literatuur.


[1] Both, J., Aluminium-Elektrolytkondensatoren,
Teil 1 - Ripplestrom und Teil 2- Lebensdauerberechnung,
BC Components, 10 februari 2000
[2] Gasperi, M. L., A Method for Predicting the
Expected Life of Bus Capacitors, IEEE Industry
Applications Society, Annual Meeting, New Orleans,
Louisiana, 5 ... 9 oktober 1997
[3] Mirsky, G., Determining end-of-life, ESR, and
lifetime calculations for electrolytic capacitors
at higher temperatures, EDN, 20 augustus
2008
[4] Parler, S.G., Deriving Life Multipliers for Aluminum
Electrolytic Capacitors, IEEE Power Electronics
Society Newsletter, vol. 16, no.1, 11 ...12,
february 2004
[5] Parler, S.G., Thermal Modeling of Aluminum
Electrolytic Capacitors, IEEE Industry Applications
Society Conference, oktober 1999
[6] Stiny, L., Handbuch passiver elektronischer
Bauelemente, Franzis Verlag, Poing, 2007
[7] Thiesbürger, K.H., Der Elektrolytkondensator,
Roederstein, Landshut, 1991
[8] Van de Steeg, T., Selecting electrolytic capacitors
for power supplies, Dataweek Electronics
& Communications Technology, uitgave 28 februari
2001
[9] Venet, P., A. Lahyani, G. Grellet, A. Ah-Jaco,
Influence of aging on electrolytic capacitors
function in static converters: Fault prediction
method, Eur. Phys. J. AP 5, 71-83 (1999)


Read More

Afdrukken E-mailadres

JoomImages

  • Collectie 1967_46
  • Fotograaf: Aristona
  • Categorie: ARISTONA 1967
  • Downloads: 87
  • Omschrijving: Collectie 1967
  • NL-RenkumHuijsWatanuki20180126BuizenRadioPhilipsOctrNr9296-13405ModS53A-OnderkantCO_2815x1351
  • Fotograaf: Marcel Lk
  • Categorie: BUIZENRADIO'S TOT 1940
  • Downloads: 0
  • Omschrijving: Philips MG/KG Radio. Met zijcontactbuizen; met 8 zendervoorkeuzeknoppen
  • Grundig 4067-19 revisie
  • Fotograaf: H. van t Kruis
  • Categorie: Grundig 4067
  • Downloads: 0
  • Omschrijving: Revisie van een Grundig 4067

JoomTreeview