№5 / 2014 / статья 7

От 5000 часов: алюминиевые электролитические конденсаторы с большим сроком службы

Алексей Попов, Сергей Попов (г. Воронеж)

Нужны конденсаторы? Небольшого размера, электролиты, в алюминиевом корпусе, с усиленными выводами, со сроком службы 5000 часов и более? Известных производителей? КОМПЭЛ предлагает подобную продукцию от Yageo, Samwha и Hitachi AIC.

Алюминиевые электролитические конденсаторы (с жидким электролитом) нашли широкое применение в разнообразной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре. Они удачно сочетают высокие значения удельной электрической емкости, заряда, мощности и энергии при достаточно широком рабочем диапазоне температур, возможных значений номинальных напряжений и приемлемых паразитных параметрах при небольшой стоимости. Алюминиевые электролитические конденсаторы являются оптимальным накопителем энергии (емкостным фильтром) с низким полным сопротивлением для работы в диапазоне частот от нескольких десятков Гц до нескольких кГц или, соответственно, при длительности процессов от десятков микросекунд до единиц миллисекунд. Необходимость применения алюминиевых электролитических конденсаторов только при определенной полярности напряжения на них в большинстве случаев не создает особых проблем. По техническим характеристикам их могли бы потеснить танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы, а также полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы, но все эти варианты настолько дороже, что их применение остается нишевым.

При всех привлекательных качествах стандартных алюминиевых электролитических конденсаторов, ситуацию омрачают сравнительно частые отказы, к тому же, нередко имеющие весьма неприятные последствия: порча соседних компонентов, дорожек и маски печатной платы химически агрессивными компонентами электролита, КЗ силовых цепей и т.п. По некоторым данным, на долю алюминиевых электролитических конденсаторов приходится до 70% всех повреждений компьютеров и систем с компьютерными компонентами. Как следствие, нередко встречается подход, подразумевающий «презумпцию виновности» алюминиевых электролитических конденсаторов. Т.е. при любых неисправностях оборудования первоначально пытаются искать дефектные конденсаторы или даже прибегают к сплошной замене всех установленных алюминиевых электролитических конденсаторов на новые, и только если указанные меры не дали результата, проверяют другие возможные причины отказа. Поэтому весьма востребованы алюминиевые электролитические конденсаторы с увеличенным сроком службы и расширенным диапазоном рабочих температур.

Рис. 1. Последовательная схема замещения алюминиевого электролитического конденсатора

Рис. 1. Последовательная схема замещения алюминиевого электролитического конденсатора

Сначала следует определиться, что же понимается под сроком службы таких конденсаторов и чем он определяется, что считается отказом и как это проявляется в работе оборудования. Для этого надо рассмотреть основные параметры алюминиевых электролитических конденсаторов, а также их конструкцию и технологию изготовления. Упрощенная последовательная схема замещения алюминиевого электролитического конденсатора на переменном токе показана на рисунке 1. Здесь электрическая емкость С является целевым параметром, а эквивалентные последовательные сопротивление R и индуктивность L характеризуют неидеальность алюминиевого электролитического конденсатора как элемента электрической цепи. Сопротивление R отражает всю сумму активных потерь, имеющихся в конденсаторе. В основном это потери в электролите от протекания переменного тока и потери в диэлектрике при приложении переменного напряжения. Отношение полной активной мощности (потерь) на переменном токе частотой f к реактивной мощности характеризуется тангенсом угла потерь tgδ или, в англоязычной документации, фактором потерь DF:

tgδ=DF=2•π•f•R•C

Типичная зависимость tgδ от частоты в актуальном для алюминиевых электролитических конденсаторов диапазоне частот показана на рисунке 2. Вблизи нижней границы рабочего диапазона частот потери в электролите и в диэлектрике имеют примерно одинаковые величины. При заданной величине переменного тока по мере роста частоты потери в диэлектрике уменьшаются. Соответственно, возрастает вклад потерь в электролите в суммарную величину tgδ, и он растет почти пропорционально частоте. Нормирование tgδ обычно производят на удвоенной частоте питающей сети: 100 Гц или, чаще, 120 Гц. Если же нормируют эквивалентное последовательное сопротивление R, то это могут делать как на низкой частоте (120 Гц), так и на высокой – вплоть до 100 кГц. Номинальную емкость контролируют на частоте 120 Гц при температуре 20°С или 25°С, допустимый начальный разброс обычно составляет ±20%. При определении величины R через tgδ следует учитывать допуск на номинальную емкость конденсатора.

Рис. 2. Типичная зависимость tgδ от частоты в актуальном для алюминиевых электролитических конденсаторов диапазоне частот

Рис. 2. Типичная зависимость tgδ от частоты в актуальном для алюминиевых электролитических конденсаторов диапазоне частот

Данные о надежности и возможном сроке службы алюминиевых электролитических конденсаторов при определенных условиях работы могут быть получены при проведении соответствующих испытаний партии однотипных конденсаторов. Тестируемые конденсаторы помещаются в термостат, поддерживающий заданную температуру окружающей среды (воздуха). На них подается стабильное постоянное (обычно номинальное) напряжение правильной полярности и, в некоторых случаях, дополнительно пропускается переменный ток синусоидальной формы с заданными амплитудой и частотой. При этом переменная составляющая напряжения на конденсаторе должна быть меньше постоянной (чтобы не происходило переполюсовки), а в сумме они не должны превышать величину номинального напряжения тестируемых конденсаторов. С заданной периодичностью производится контроль текущих значений основных параметров конденсаторов: емкости, тангенса угла потерь и тока утечки. В случае ухода этих характеристик за установленные допустимые пределы, а также при обнаружении КЗ или обрыва, фиксируется отказ, и конденсатор снимается с испытаний. Если одновременно испытывать весьма большое количество алюминиевых электролитических конденсаторов, можно получить зависимость интенсивности потока отказов от времени проведения испытаний, которая будет иметь вид, подобный показанному на рисунке 4. Под интенсивностью отказов понимается относительное количество компонентов из общей величины тестируемой партии, отказывающих в единицу времени (обычно за 1 час).

Рис. 4. Зависимость интенсивности отказов алюминиевых электролитических конденсаторов от времени

Рис. 4. Зависимость интенсивности отказов алюминиевых электролитических конденсаторов от времени

Зависимость, изображенная на рисунке 4, имеет три характерных участка. В начале испытаний интенсивность отказов сравнительно велика, но достаточно быстро снижается со временем. Это происходит выход из строя экземпляров, которые имели какие-то серьезные дефекты в своей конструкции. После того, как потенциально ненадежные компоненты по большей части выявлены и изолированы от основной массы приборов, наступает сравнительно продолжительный период работы (испытаний), характеризующийся весьма малой величиной интенсивности отказов. Для хороших производителей в нормальных условиях могут быть достигнуты значения лучше, чем 1FIT – т.е. один отказ в час при испытаниях партии в миллиард конденсаторов. С повышением температуры интенсивность отказов увеличивается до уровней приблизительно 12FIT при 40°С и 250FIT при 85°С. Продолжительность второго интервала (рисунок 4) в условиях максимально допустимой температуры для тестируемых конденсаторов обычно составляет несколько тысяч часов. За это время откажет всего несколько конденсаторов, если на испытания поставлена партия 10000 штук. Тестирование партии существенно меньшей величины не позволит получить сколько-нибудь достоверные оценки интенсивности отказов и эффективного срока службы. Очевидно, подобные испытания являются достаточно дорогостоящими, поэтому их проведение в разнообразных условиях температуры окружающей среды, приложенного постоянного напряжения и протекающего переменного тока нецелесообразно. Приходится довольствоваться экстраполяцией результатов, полученных при наиболее жестких условиях и возможных режимах. В процессе работы (испытаний) алюминиевых электролитических конденсаторов происходит их постепенный износ, старение, и с некоторого момента времени все большая доля тестируемых конденсаторов, исходно не имевших в своей конструкции каких-либо дефектов, достигает состояния, соответствующего критериям отказа. Это соответствует переходу к третьему участку зависимости, изображенному на рисунке 4. Интенсивность отказов начинает неуклонно нарастать, что свидетельствует о достижении предельной величины эффективного срока службы для заданных условий применения (испытаний). Для определенности границу между участками зависимости 2 и 3, показанными на рисунке 4, можно провести при заданной доле отказавших конденсаторов, например, 0.1%, 1% или 7% от величины тестируемой партии. Хотя это не отменяет факта, что большинство конденсаторов может проработать до отказа существенно дольше, а некоторые из них – в несколько раз дольше.Конструктивно алюминиевый электролитический конденсатор состоит из двух слоев обработанной алюминиевой фольги, разделенных конденсаторной бумагой, свернутых в рулон и помещенных в алюминиевый корпус. Алюминиевую фольгу сначала подвергают электрохимической коррозии для образования на ее поверхности густой сети микроскопических туннелей, что увеличивает ее эффективную площадь (по сравнению с геометрической) в 60…200 раз – для высоковольтных и низковольтных конденсаторов соответственно. Затем фольгу, которая станет положительным (анодным) электродом, подвергают электрохимическому окислению. Пленка оксида алюминия является диэлектриком в алюминиевом электролитическом конденсаторе. Толщина наращиваемого слоя оксида алюминия определяется напряжением, при котором завершается процесс. Это напряжение, называемое напряжением формовки VF, задает толщину диэлектрика (примерно 1.2…1.5 нм/В) и номинальное напряжение конденсатора VR = (0.7…0.8)·VF. Удельная емкость анодного электрода обратно пропорциональна толщине оксидного слоя. Весьма малая его толщина, даже для конденсаторов с большим номинальным напряжением, в сочетании с достаточно высокой диэлектрической проницаемостью оксида алюминия и большой эффективной площадью электродов обеспечивает высокую удельную емкость алюминиевых электролитических конденсаторов. Катодная фольга обычно имеет лишь тонкий слой оксида, естественным образом образующийся на поверхности алюминия, поэтому емкость этого электрода в несколько раз больше анодного и не сильно влияет на результирующую емкость конденсатора. Однако вследствие малой толщины пленки оксида на катоде, алюминиевые электролитические конденсаторы не допускают изменения полярности подаваемого на них напряжения. Подготовленные анодная и катодная полосы фольги разделяются полосами тонкой конденсаторной бумаги. Эта слоеная конструкция, вместе с присоединенными к фольге выводами, сворачивается в рулон, образуя конденсаторный элемент. Он пропитывается рабочим электролитом и помещается в алюминиевый корпус с уплотнением зоны выводов резиновой прокладкой. На рисунке 3 представлены основные возможные первопричины и внешние проявления неисправностей алюминиевых электролитических конденсаторов. Наиболее характерными неисправностями являются значительная потеря емкости и увеличение tgδ, обусловленные изменением состава и частичной потерей электролита.

Рис. 3. Первопричины и внешние проявления отказов алюминиевых электролитических конденсаторов

Рис. 3. Первопричины и внешние проявления отказов алюминиевых электролитических конденсаторов

Основным параметром надежности алюминиевых электролитических конденсаторов является срок службы в заданных условиях работы, в течение которого конденсаторы практически не отказывают. Дополнительная важная характеристика – интенсивность отказов на большей части интервала срока службы. У хороших конденсаторов она должна быть не более нескольких сотен FIT при максимально допустимой температуре.

В соответствии с теоретическими предпосылками, следующими из закона Аррениуса, и представлениями о электрохимических процессах, происходящих в алюминиевых электролитических конденсаторах, а также по результатам обширных испытаний установлено, что срок службы главным образом определяется температурой наиболее нагретой области конденсатора. Для практических целей зависимость срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов от температуры удобно аппроксимировать показательной функцией. Обычно ее формулируют как «закон 10 градусов»: при увеличении температуры на 10°С срок службы снижается вдвое. Но это не является бесспорной истиной. Например, специалисты Hitachi AIC полагают, что изменение срока службы конденсаторов вдвое происходит при вариации их температуры всего на 7.5°С, и это подтверждают фактические данные о сроке службы в зависимости от температуры алюминиевых электролитических конденсаторов таких известных производителей как EPCOS, Cornell и ряда других. Все же применение закона 10 градусов в сторону понижения рабочей температуры относительно максимально допустимой, при которой нормируется срок службы, является консервативной оценкой и создает запас надежности, поэтому вполне оправдано в инженерной практике.

Температура внутри конденсатора зависит от температуры окружающей среды, саморазогрева протекающим через него переменным током и условий охлаждения. В реальной практике применения следует учитывать и возможность дополнительного нагрева конденсатора от близкорасположенных горячих компонентов с большим собственным тепловыделением: переизлучением, конвекцией горячего воздуха и теплопроводностью по печатной плате. Нередко именно эти факторы обуславливают резкое сокращение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов по сравнению с ожидаемыми величинами. На рисунках 5…7 показаны типовые зависимости деградации алюминиевых электролитических конденсаторов производства компании Yageo. Аналогичные характеристики для алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha приведены на рисунках 8…10. Конденсаторы деградируют приблизительно линейно с течением времени, возможно – с некоторым ускорением этих процессов в конце срока службы вследствие проявления целого клубка цепочек положительных обратных связей процессов, происходящих в них.

Рис. 5. Типичные зависимости изменений емкости в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo

Рис. 5. Типичные зависимости изменений емкости в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo

Рис. 6. Типичные зависимости увеличения коэффициента потерь в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo

Рис. 6. Типичные зависимости увеличения коэффициента потерь в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo

Рис. 7. Типичные зависимости изменений тока утечки в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo

Рис. 7. Типичные зависимости изменений тока утечки в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Yageo

Алюминиевые электролитические конденсаторы, выпускаемые компаниями Yageo, Samwha и Hitachi AIC и поставляемые в Россию компанией КОМПЭЛ, пользуются заслуженной популярностью благодаря хорошему соотношению технических характеристик и цен. В общем случае достижение большого срока службы более сложно обеспечить у малогабаритных конденсаторов, поэтому интересно познакомиться с достижением производителей в этой области. В таблице 1 представлены серии конденсаторов с однонаправленными выводами (radial) и сроком службы 5000 и более часов производства компании Yageo, а в таблице 2 – Samwha. Обращает на себя внимание разнообразие серий конденсаторов, позволяющих подобрать компоненты, оптимальные для определенных применений. В таблице 3 показаны серии алюминиевых электролитических конденсаторов со сроком службы от 5000 часов в корпусе с усиленными (заклепочными) выводами (snap-in), выпускаемые компаниями Yageo, Samwha и Hitachi AIC. Последние имеют подробные графические характеристики зависимости срока службы от температуры окружающей среды, токовой нагрузки и условий охлаждения.

Рис. 8. Типичные зависимости изменений емкости в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha

Рис. 8. Типичные зависимости изменений емкости в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha

Рис. 9. Типичные зависимости увеличения тангенса угла потерь в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha

Рис. 9. Типичные зависимости увеличения тангенса угла потерь в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha

Рис. 10. Типичные зависимости изменений тока утечки в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha

Рис. 10. Типичные зависимости изменений тока утечки в течение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов Samwha

Рис. 11. Зависимость срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов серии HU3 от температуры окружающей среды и относительной токовой нагрузки

Рис. 11. Зависимость срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов серии HU3
от температуры окружающей среды и относительной токовой нагрузки

 

На рисунке 11 приведены соответствующие зависимости для серий конденсаторов HU3. Большинство серий рассчитано на работу при температуре окружающей среды 105°С, а некоторые даже при 125, 130 и 155°С (правда, при 130°С и 155°С уже не удается обеспечить срок службы 5000 и более часов).

Таблица 1. Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов с выводами «radial» со сроком службы 5000 часов и более, выпускаемых компанией Yageo

Наименование Номинальное
напряжение, В
Диапазоны номинальных емкостей, мкФ Диапазон рабочих температур, °С Срок службы,
часы
Особенности
SD 160 56…330 -25…105 5000 Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций
200 56…270
250 33…180
400 22…100
420 22…100
450 22…82
SG 160 22…330 -40…105 5000 Применение в составе активных балластов
200 10…220
250 10…220
350 10…100
400 4.7…150
450 3,3…100 -25…105
SP 160 33…330 -40…105 10000 Большой срок службы; компактные размеры
200 22…150
400 6.8…68
450 3.3…47 -25…105

 

Таблица 2. Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов с выводами «radial» со сроком службы 5000 часов и более, выпускаемых компанией Samwha

Наименование Номинальное
напряжение, В
Диапазоны номинальных емкостей, мкФ Диапазон рабочих температур, °С Срок службы,
часы
Особенности
LZ 6.3 47…8200 -40…105 10000 Большой срок службы; низкий импеданс; высокий допустимый ток пульсаций
10 47…8200
16 47…4700
25 68…3300
35 47…2200
50 10…1000
ML 6.3 22…10000 -40…105 10000 Большой срок службы; ультранизкий импеданс; повышенное значение допустимого тока пульсаций; компактные размеры
10 22…10000
16 10…4700
25 10…3300
35 10…2200
50 10…1500
63 10…2200
100 10…470
WF 6.3 100…15000 -40…105 10000 Большой срок службы; низкий импеданс; повышенное значение допустимого тока пульсаций; для счетчиков электроэнергии
10 100…10000
16 47…6800
25 33…4700
35 33…3300
50 0,47…2200
63 10…1000
100 0,47…390
50 1…1200
63 10…1000
100 3.3…470
LQ 6.3 220…8200 -40…105 10000 Большой срок службы; низкий импеданс; повышенное значение допустимого тока пульсаций; компактные размеры; применение в светодиодных источниках света
10 150…5600
16 120…4700
25 68…3300
35 47…1800
50 27…1000
63 18…2200
80 12…1200
100 8,2…820
LY 10 100…330 -25…105 10000 Большой срок службы; компактные размеры; применение в светодиодных источниках света
16 47…330
25 33…220
35 33…220
50 1.0…100
RH 160 10…150 -40…105 5000 Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; для импульсных источников питания
200 6.8…130
250 6.8…220
350 1.0…150
400 1.0…180
450 2.2…180
500 10…100 -25…105
RU 160 10…150 -40…105 5000 Повышенное значение допустимого тока пульсаций; применение в импульсных источниках питания и в составе активных балластов
200 10…150
250 10…150
350 10…150
400 10…150
450 3.3…150
500 10…120 -25…105
BL 160 10…150 -25…105 10000 Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; для источников питания и адаптеров
200 10…150
250 6.8…100
350 6.8…82
400 4.7…100
450 4.7…150
500 10…68
BG 400 22…150 -25…105 10000 Большой срок службы, применение в источниках питания и адаптерах
450 22…150
BJ 160 10…220 -40…105 12000 Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; применение в источниках питания и адаптерах
200 10…220 -40…105
250 6.8…150
350 4.7…100 -25…105
400 4.7…100
450 4.7…100
500 10…100
ВК 160 4.7…47 -25…125 5000 Расширенный температурный диапазон; применение в ламповых источниках света
200 4.7…47
250 3.3…33
350 2.2…10
400 2.2…10
450 4.7…33
BD 400 22…100 -25…105 12000 Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций
450 22…100
BH 200 10…100 5000 Повышенное значение допустимого тока пульсаций, применение в источниках питания
250 10…82
350 3.3…68
400 2.2…33
LB 250 21…180 -40…105 5000 Большой срок службы; применение в низкопрофильных источниках питания
350 16…100 -25…105
450 16…100
500 16…60
PF 160 10…150 -40…105 10000 Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; высокая надежность; применение в составе активных балластов
200 10…150
250 10…150
275 22…150
PQ 400 22…150 -25…105 5000 Большой срок службы; повышенное значение допустимого тока пульсаций; применение в источниках питания и адаптерах
450 22…150
SJ 450 68…150 -25…85 8000 Большой срок службы; применение в источниках питания и адаптерах
500 47…82

 

Таблица 3. Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов в корпусе «snap-in» со сроком службы 5000 часов и более, выпускаемых компаниями Yageo, Samwha и Hitachi AIC

Производитель Наименование Номинальное
напряжение, В
Диапазоны номинальных емкостей, мкФ Диапазон рабочих температур, °С Срок службы, часы Особенности
Yageo LC 160 270…2200 -25…105 5000 Большой срок службы; расширенный температурный диапазон
180 270…1800
200 220…1500
250 150…1200
315 82…680
350 82…560
400 68…470
450 56…470
Samwha HY 160 270…1800 -40…105 7000 Большой срок службы; применение в промышленных источниках питания с высокой степенью надежности
200 270…1500
250 270…1200
350 82…560 -25…105
400 56…470
450 47…330
HL 10 12000…56000 -40…105 5000 Большой срок службы
16 8200…47000
25 5600…39000
35 3300…22000
50 1800…15000
63 12000…10000
80 820…5600
100 680…3900
160 220…1500
200 150…1500
250 120…1500
350 56…560 -25…105
400 47…470
450 56…390
Hitachi AIC HP3 16 6800…100000 -40…85 6000 Большой срок службы; стандартное исполнение
25 4700…33000
35 3300…33000
50 2200…15000
63 1500…15000
80 1000…12000
100 1000…6800
160 390…3300
180 330…1800
200 220…2700
250 220…2200
350 100…2200
400 82…2100
420 68…1500
450 56…1600
500 56…1200
HU3 16 4700…33000 -40…105 6000 Большой срок службы; стандартное исполнение; расширенный температурный диапазон
25 3300…33000
35 2200…22000
50 1500…15000
63 1000…10000
80 1000…6800
100 560…4700
160 330…1800
180 270…1800
200 220…2200
250 220…2200
350 82…1000
400 68…1500
420 47…470
450 47…1300
500 39…820
HL2 200 220…1500 -40…105 12000 Большой срок службы; компактные размеры
250 150…1500
400 47…1000
420 150…330
450 47…470
500 100…390
DH 400 100…680 -25…105 6000 Большой срок службы; хорошие характеристики заряда/разряда
450 82…560
HU 200 330…2200 -40…105 6000 Большой срок службы; компактные размеры
250 220…1800
400 120…1000 -25…105
420 100…820
450 100…820

 

Заключение

Алюминиевые электролитические конденсаторы с большим сроком службы и надежностью очень востребованы в современной радиоэлектронной аппаратуре. Разнообразие серий конденсаторов в сочетании с широким диапазоном значений номинальных емкостей и напряжений, а также со множеством вариантов габаритных размеров корпусов позволяет подобрать оптимальный компонент под требования определенного применения. Большая часть этих конденсаторов поставляется компанией КОМПЭЛ по весьма привлекательным ценам.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.