Spolehlivost kondenzátorů lze zlepšit správnými materiály

Při výběru kondenzátorů jsou často jako primární faktory, které ovlivňují výběr technologií, vlastnosti jako objemová účinnost, stabilita kmitočtu, teplotní nebo ekvivalentní odporové řady. V těchto případech mohou pochopení faktorů ovlivňujících životnost pomoci inženýrům zajistit, aby produkt poskytoval požadovanou spolehlivost.

Na druhou stranu může být dlouhá provozní životnost klíčovým požadavkem konečného produktu a nakonec může určit výběr zařízení.

Procesy výroby kondenzátorů, jako je screening nebo procesy pro kontrolu čistoty materiálů nebo součástí, mohou poskytnout vyšší jistotu spolehlivosti, která umožňuje inženýrům snížit počet kondenzátorů v obvodu, a tím snížit velikost a náklady řešení bez ohrožení spolehlivosti.

Vlastnosti kondenzátoru

Například kondenzátory vyrobené s metalizovaným polyesterem nebo polypropylenovým filmem mají dlouhou životnost. Vysokonapěťové nebo vysokoteplotní vlastnosti činí tato zařízení ideální pro aplikace, jako je automobilová elektronika nebo předřadníky, zatímco samo-hojení pomáhá překonat účinky malých nečistot v dielektriku, které mohou vést k poruchám zkratu.
Na druhé straně, protože tyto nedostatky léčí, celková dostupná kapacita začíná klesat a ekvivalentní sériový odpor (ESR) začíná růst. Tím se nakonec řídí životnost zařízení. Použití vysoce kvalitních materiálů a dielektrických výrobních procesů může minimalizovat vady, které vedou k pomalejšímu rychlému samoléčení.

V aplikacích s alternativní energií, kde je nízká hodnota ESR obzvláště žádoucí minimalizovat ztráty energie, je možné ověřit provozní životnost několika desetiletí, i když jsou kondenzátory provozovány při teplotách 70 ° C nebo vyšších.

Hliníkové kondenzátory pokrývají řadu různých typů konstrukcí, z nichž každá má velmi odlišnou životnost. Kondenzátory s mokrým elektrolytem mají například dobře definovaný a srozumitelný mechanizmus opotřebení. Elektrolyt je mírně kyselý a v důsledku toho zhoršuje dielektrikum.

Na druhou stranu elektrolyt také poskytuje kyslík potřebný k opětovnému růstu dielektrika. To je důvod, proč je důležité zvážit "životnost" elektrolytického kondenzátoru z mokrého hliníku, který nebyl poháněn - ať už na polici nebo na desce.

Obrázek 1: MLCC X5R a X7R kombinují BME na bázi niklu a dopovaný dielektrikum titaničitanu barnatého.

Zajímavostí je, že hliníkové kondenzátory o průměru 30 mm nebo více mají tendenci mít spíše neutrální elektrolytické než kyselé vlastnosti, takže mohou mít relativně mírné trvanlivost po dobu dvou až čtyř let. Tyto údaje se samozřejmě liší podle elektrolytu používaného v každé skupině výrobků.

Pevné kondenzátory "hliníkového polymeru" nebo "organického polymeru" mají na druhé straně velmi odlišné životnosti.
Tato zařízení nemají v hotovém výrobku žádný elektrolyt. Místo toho katoda je pevný vodivý polymerní materiál. Výsledkem je výjimečně dlouhá provozní životnost za jmenovitých podmínek, které mohou být blízké podmínkám jiných pevných kondenzátorů.

Některé datové listy popisují vytrvalost těchto typů zařízení z hlediska vlastností, jako je změna kapacity, ESR a vzhled po 1000 hodinách provozu.

Je důležité poznamenat, že 1000 hodin nepředstavuje životnost kondenzátoru. Toto vytrvalostní testování je spíše podobné typům zrychlených testů života, které se typicky používají pro kvalifikování pasivních komponent.

Pokud jde o komerční keramické kondenzátory, typický elektrodový systém je systém elektroda základního kovu (BME), viz obr. 1, který využívá především nikl.

Ve srovnání se staršími systémy elektroda s drahými kovy (PME) umožňuje BME vyšší napěťové schopnosti. Populární dielektriky typu X7R a X5R jsou dnes založeny na titaničitanu barnatého, s přísadami, jako je oxid manganičitý, které koexistují s chemikálií BME a zabraňují redukci dielektrika způsoby vypalování aplikovanými na kondenzátor během výroby.

Zlepšení dielektrické kompozice výrazně zvýšilo spolehlivost a životnost keramiky.

Spolehlivost tantalového kondenzátoru

Kondenzátory vyrobené s tantalovým dielektrikem mají mimořádně dlouhou životnost. Jako zcela pevné zařízení neexistuje prakticky žádný mechanismus opotřebení.

Nejběžnější selhání zařízení založených na tantalu je tzv. "Zapnutí" selhání. To může nastat tam, kde je aplikováno krokové napětí a kondenzátor je schopen čerpat velký počáteční proud. To může aktivovat poruchu v dielektriku, což může způsobit selhání přístroje v případě, že se dielektrik nemůže vyléčit.

Zařízení s polymerem a tantalom mají zřetelnou schopnost samoléčebného účinku a jsou známy jako silné proti tomuto typu selhání. Studie ukázaly, že životnost kapacitních prvků může trvat stovky nebo dokonce tisíce let. To je pravděpodobně podstatně delší než životnost jiných materiálů používaných při konstrukci kondenzátorů, například epoxidů.

Výrobci kondenzátorů mají tendenci monitorovat tantalové kondenzátory pro identifikaci potenciálně slabších zařízení použitím testů, jako jsou testy napětí a proudového rázu v řízeném pořadí.

Je však třeba poznamenat, že kondenzátory mohou být oslabeny napětím zavedeným v důsledku nesouladu mezi teplotou roztažitelnosti (CTE) mezi jednotlivými materiály, a tím dochází ke změně podmínek pájení a počtu cyklů přetavování, kterými je kondenzátor vystaven během sestavení konečného výrobku. náchylnost k selhání zařízení.

Naproti tomu napěťové zatížení zařízení vzhledem k aplikovanému napětí může obecně ovlivnit životnost kondenzátoru.

Z tohoto důvodu se nedávný vývoj polymer-tantalových kondenzátorů soustředil na realizaci vyšších jmenovitých napětí, například 63V a vyšších, pro použití s ​​běžně používanými napájecími napětími, jako je 24V nebo 28V avionika.

James C. Lewis je technický marketingový ředitel, Kemet.