Z życia elektronika – #17 – Czas życia, lifetime kondensatorów elektrolitycznych

Na rozgrzewkę:

We wpisie przybliżę Ci sposób wyznaczania czasu życia (lifetime) kondensatorów elektrolitycznych. Co prawda, raczej nie będziesz liczył lifetime w prywatnych projektach, lecz na pewno spotkasz się z tym pojęciem w pracy zawodowej.

Zakres wpisu:

  • Od czego zależy czas życia kondensatora
  • Równania czasu życia
  • Przykładowe obliczenia czasu życia

Od czego zależy czas życia kondensatora:

Na czas życia kondensatora składa się kilka czynników:

  • Temperatura: wzrost temperatury przyspiesza zachodzenia reakcji chemicznej, co powoduje zmniejszanie pojemności i wzrost ESR (tutaj pisałem o modelu kondensatora). Zwykle zwiększenie temperatury o 10°C przyspiesza dwa razy czas zachodzenia reakcji.
  • Napięcie przyłożone do kondensatora: jeśli napięcie pracy jest stale wyższe od jego napięcia znamionowego, powoduje to wzrost prądu upływu, który przyczynia się do wzrostu temperatury kondensatora.
  • Prąd tętnień (ripple current): z racji, że elektrolity mają dużo wyższy ESR niż pozostałe kondensatory, należy zwrócić uwagę, jakiego tętnienia prądu spodziewasz się w projektowanym układzie, ponieważ ma to bezpośredni wpływ na czas życia kondensatora. W nocie katalogowej jest podawany maksymalny prąd tętnień RMS. Należy tak dobrać kondensator, aby prąd ten był wyższy niż spodziewany w układzie. Prąd tętnień podawany jest przy określonej wartości częstotliwości:

Jeśli spodziewamy się prądu tętnień o innej częstotliwości niż w dokumentacji należy, przeliczyć nominalny prąd (I1) dla spodziewanej częstotliwości (I2). Musimy uwzględnić tutaj założenie, że wzrost temperatury spowodowany przez tętnienia prądu jest taki sam, przy jednej jak i drugiej częstotliwości. Z tym założeniem można skorzystać z następującej zależności:

Reasumując, straty mocy w kondensatorze, zależą od ESR, prądu tętnień, przyłożonego napięcia, oraz prądu upływu. Z racji, że prąd upływu jest bardzo mały porównując do prądu tętnień, można go pominąć:  

Równania czasu życia:

Równania czasu życia kondensatorów, nawet tego samego producenta różnią się między sobą współczynnikami, dlatego, że zależą one od pola powierzchni kondensatora, ESR, zdolności odprowadzania ciepła. Poniższe równanie dotyczy dużych kondensatorów, jest w nim uwzględniona zmiana czasu życia pochodząca od temperatury jak i od prądu tętnień.

Ln (h) – estymowany czas życia kondensatora

Lo (h) – znamionowy czas życia kondensatora podawany przez producenta, z uwzględnieniem pracy w znamionowej temperaturze jak i ze znamionowymi tętnieniami prądu

To (˚C) – maksymalna temperatura pracy kondensatora

Tn (˚C) – temperatura otoczenia kondensatora

Δtn – wzrost temperatury wewnętrznej w temperaturze otoczenia Tn z uwzględnieniem aktualnych tętnień prądu


to – wzrost temperatury wewnętrznej kondensatora w temperaturze otoczenia To z uwzględnieniem maksymalnych tętnień prądu Im

K – współczynnik przyspieszenia wzrostu temperatury z powodu tętnień prądu

Kolejne równanie tym razem dotyczy małych kondensatorów elektrolitycznych np. w obudowach SMD:

W powyższym równaniu nowym parametrem jest tylko α. Jest to, jak podaje producent, stała życia. W celu uzyskania wartości należy skontaktować się z producentem lub wyznaczyć na podstawie wyników z kalkulatora umieszczonego na stronie: 

https://www.nichicon.co.jp/english/products/lifetime/dc.html?sr=UWJ

Przykładowe obliczenia czasu życia:

Projektując urządzenie zakładamy lub dostajemy od klienta profil temperatur pracy, uwzględniając procentowo wszystkie temperatury dostaniesz informacje czy dobrany przez Ciebie kondensator spełnia wymagania.  

Załóżmy, że mamy następujące wymagania:

Sprawdzając poprawny dobór kondensatora powinieneś obliczyć stosunek wymaganego czasu życia do obliczonego czasu życia dla każdej temperatury osobno, następnie dodać wszystko i pomnożyć przez 100. Jeśli wartość będzie większa od 100 należy poszukać kondensatora o lepszych parametrach.

Mała uwaga, obliczając czas życia dla poszczególnych temperatur otoczenia należy jeszcze dodać podgrzewanie się urządzenia na skutek strat mocy, czyli finalny wzór będzie wyglądał następująco:

Na końcu przedstawiam wykres obliczonego czasu życia dla kolejnych temperatur: z podgrzewaniem i bez podgrzewania:

Jeśli chcesz sprawdzić swoje obliczenia, wielu producentów oferuje na stronach kalkulatory:

  • Chemicon: https://nuls1.chemi-con.co.jp/uflcalc/main/main
  • Nichicon: https://www.nichicon.co.jp/english/products/lifetime/

[1] https://www.tme.eu/Document/ae138aadd527533cf71765d672e57f77/e-uwx.pdf

[2] https://www.nichicon.co.jp/english/products/pdf/aluminum.pdf

Autor artykułu
Mateusz Pluta

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *