Spoľahlivosť kondenzátorov sa dá zlepšiť pomocou správnych materiálov

Pri výbere kondenzátorov sú často také primárnymi faktormi, ktoré riadia výber technológie, vlastnosti ako objemová účinnosť, frekvenčná stabilita, teplotná charakteristika alebo ekvivalentný odpor. V týchto prípadoch môžu faktory pochopenia, ktoré ovplyvňujú životnosť, pomôcť inžinierom zabezpečiť, aby výrobok priniesol požadovanú spoľahlivosť.

Na druhej strane dlhá životnosť môže byť kľúčovou požiadavkou konečného produktu a nakoniec môže určiť výber zariadenia.

Procesy výroby kondenzátorov, ako je skríning alebo procesy na kontrolu čistoty materiálov alebo komponentov, môžu poskytnúť vyššiu istotu spoľahlivosti, ktorá umožňuje inžinierom znížiť počet kondenzátorov v obvode a tým znížiť veľkosť a náklady riešenia bez toho, aby sa ohrozila spoľahlivosť.

Vlastnosti kondenzátora

Napríklad kondenzátory vyrobené s metalizovaným polyesterom alebo polypropylénovým filmom majú dlhú životnosť. Vysokonapäťové alebo vysokoteplotné vlastnosti robia tieto zariadenia ideálne pre aplikácie, ako sú automobilová elektronika alebo predradníky, zatiaľ čo samo-hojenie pomáha prekonať účinky malých nečistôt v dielektriku, ktoré môžu viesť k poruchám skratu.
Na druhej strane, keďže tieto slabé miesta vyliečia, začne klesať celková dostupná kapacita a začína sa zvyšovať ekvivalentný sériový odpor (ESR). To určuje životnosť zariadenia. Použitie vysokokvalitných materiálov a dielektrických výrobných procesov môže minimalizovať nedostatky, ktoré vedú k pomalejšej rýchlosti sebautilitia.

V aplikáciách s alternatívnou energiou, kde je mimoriadne žiadúca nízka hodnota ESR na minimalizáciu energetických strát, je možné overiť prevádzkové životnosti niekoľkých desaťročí, dokonca aj keď sú kondenzátory prevádzkované pri teplotách 70 ° C alebo vyšších.

Hliníkové kondenzátory pokrývajú niekoľko rôznych typov konštrukcií, z ktorých každá má veľmi odlišnú životnosť. Napríklad kondenzátory s mokrým elektrolytom majú dobre definovaný a rozumný mechanizmus opotrebovania. Elektrolyt je mierne kyslý a v dôsledku toho bude časom narúšať dielektrikum.

Na druhej strane elektrolyt tiež poskytuje kyslík potrebný na opätovné rastu dielektrika. Preto je dôležité zvážiť "skladovateľnosť" elektrolytického kondenzátora z mokrého hliníka, ktorý nebol napájaný - či už na poličke alebo na doske.

Obrázok 1: MLCC X5R a X7R kombinujú BME na báze niklu a dopovaný dielektrický titaničitan bárnatý.

Zaujímavosťou je skutočnosť, že hliníkové kondenzátory s priemerom 30 mm alebo viac majú skôr neutrálnejšiu elektrolytickú, než kyslé, a preto môžu mať v relatívne miernych podmienkach trvanlivosť 2 až 4 roky. Tieto čísla sa samozrejme líšia podľa elektrolytu použitého v každej skupine výrobkov.

Pevné kondenzátory z "hliníkového polyméru" alebo "organického polyméru" majú na druhej strane veľmi odlišné životnosti.
Tieto zariadenia nemajú v konečnom produkte žiadny elektrolyt. Namiesto toho katóda je tuhý vodivý polymérny materiál. To má za následok mimoriadne dlhú prevádzkovú životnosť za menovitých podmienok, ktoré môžu byť blízke podmienkam iných pevných kondenzátorov.

Niektoré pracovné listy opisujú vytrvalosť týchto typov zariadení z hľadiska vlastností, ako je zmena kapacity, ESR a vzhľad po 1000 hodinách prevádzky.

Je dôležité poznamenať, že 1000 hodín nepredstavuje prevádzkovú životnosť kondenzátora. Toto vytrvalostné testovanie je skôr podobné typom zrýchleného testovania životnosti, ktoré sa zvyčajne používajú na kvalifikáciu pasívnych komponentov.

Čo sa týka komerčných keramických kondenzátorov, typický systém elektród je systém elektródy základného kovu (BME), pozri obrázok 1, ktorý primárne využíva nikel.

V porovnaní s predchádzajúcimi systémami elektród z ušľachtilých kovov (PME), BME umožňuje vyššiu napäťovú schopnosť. Populárne dielektrické prvky typu X7R a X5R sú dnes založené na titaničitanu bárnatého, s aditívami, ako je oxid manganičitý, ktoré koexistujú s chemikáliou BME a zabraňujú redukcii dielektrika procesmi spaľovania aplikovanými na kondenzátor počas výroby.

Zlepšenie dielektrického zloženia výrazne zvýšilo spoľahlivosť a životnosť keramiky.

Spoľahlivosť tantalového kondenzátora

Kondenzátory vyrobené z tantalového dielektrika majú mimoriadne dlhú prevádzkovú životnosť. Keďže idete o úplne pevné zariadenie, prakticky neexistuje mechanizmus opotrebovania.

Najčastejším zlyhaním zariadení na báze tantalu je tzv. "Zapnutie" poruchy. To sa môže vyskytnúť tam, kde sa použije krokové napätie a kondenzátor je schopný nakresliť veľký počiatočný prúd. To môže aktivovať chybu v dielektriku, čo môže spôsobiť poruchu prístroja v prípade, že dielektrikum sa nemôže hojiť.

Zariadenia na báze polyméru a tantalu ťažia z výraznej samoliečiteľnej schopnosti a sú známe ako robustné proti tomuto typu poruchy. Štúdie ukázali, že životnosť kapacitných prvkov môže byť v stovkách či dokonca tisícoch rokov. Toto je pravdepodobne oveľa dlhšie ako životnosť ostatných materiálov použitých pri kondenzátorovej konštrukcii, ako napríklad epoxidov.

Výrobcovia kondenzátorov majú tendenciu skontrolovať tantalové kondenzátory na identifikáciu potenciálne slabších zariadení tým, že v kontrolovanom poradí vykonajú testy, ako napríklad skúšky napätia a prúdových rázov.

Treba však poznamenať, že kondenzátory môžu byť oslabené napätím zavedeným v dôsledku nesúladu koeficientu tepelnej rozťažnosti (CTE) medzi materiálmi, ktoré sú súčasťou konštrukcie. Preto sú spätné podmienky spájkovania a počet reflow cyklov, ktorými je kondenzátor vystavený počas zostavovania konečného výrobku, môže ovplyvniť náchylnosť na zlyhanie zariadenia.

Na druhej strane, napätie zariadenia, vzhľadom na aplikované napätie, môže všeobecne ovplyvniť životnosť kondenzátora.

Z tohto dôvodu sa nedávny vývoj kondenzátorov typu polymér-tantal zameral na realizáciu vyšších napäťových hodnôt, ako napríklad 63V a vyšších, na použitie s bežne používanými napájacími napätiami, ako je 24V alebo 28V letecká lišta.

James C. Lewis je technický marketingový riaditeľ spoločnosti Kemet.