Elektrolytische en polymeerhybride condensatoren hebben bijna hetzelfde ontwerp: ze bestaan uit een kathodezijde en een anodezijde, en beide zijn gemaakt van aluminiumfolie. De anodefilm wordt geoxideerd om een aluminiumoxidelaag te vormen, die het diëlektricum vormt. De twee films worden opgerold met behulp van een isolatiepapier om het opgerolde element (P1, P2) te vormen.
P1
P2. Basisontwerp van elektrolytische en polymeercondensatoren
Het verschil tussen de twee condensatoren is het materiaal dat wordt gebruikt in het vulproces, waar de naam vandaan komt: elektrolytische condensatoren zijn gevuld met een elektrolyt, terwijl hybride polymeercondensatoren een polymere elektrolyt of een combinatie van vaste en vloeibare polymeren gebruiken.
Beide condensatoren bieden veel voordelen, zoals een klein formaat maar een hoge capaciteitswaarde, lage kosten en geschiktheid voor een breed scala aan ontwerpen, zoals SMD-, THT- of snap-in-ontwerpen.
Polymeerhybride condensatoren hebben een hogere rimpelstroomcapaciteit dan elektrolytische condensatoren, evenals een lagere interne weerstand bij lage temperaturen en een stabielere capaciteit bij hoge frequenties. Het nadeel van beide condensatortechnologieën is hun beperkte levensduur. Tijdens bedrijf zal de elektrolyt of het vloeibare polymeer krimpen (P3).
P3. Het elektrolyt of vloeibare polymeer diffundeert tijdens bedrijf, wat de levensduur van de condensator verkort.
De Arrhenius-vergelijking kan de levensduur van de condensator ruwweg schatten.
De grootste factor die de levensduur van elektrolytische en polymeerhybride condensatoren beïnvloedt, is de kerntemperatuur van de condensator, die stijgt met de omgevingstemperatuur en het niveau van de toegepaste rimpelstroom. Bovendien kan mechanische spanning als gevolg van hoge rimpelstroom de oxidelaag beschadigen, wat resulteert in een zelfherstellend effect dat extra elektrolyt verbruikt. Zelfgenezing is het vermogen van elektrolytische condensatoren en hybride polymeercondensatoren om de oxidelaag te herstellen door een chemische reactie tussen de elektrolyt en aluminium. Elektrolytkrimp kan ook leiden tot verslechtering van elektrische parameters zoals capaciteit en parameters zoals equivalente serieweerstand (ESR) en verliesfactor.
Het einde van de levensduur is meestal het stadium waarin niet aan de gegevensbladparameters (meestal de toename van het capaciteitsverlies en het verliesfactorpercentage) wordt voldaan.
Bij het identificeren van condensatorproducten die voldoen aan de elektrische parameters tijdens de beoogde werking van het eindproduct, kan de gebruiker de Arrhenius-vergelijking gebruiken voor een eerste evaluatie. Zoals getoond in P4 is de levensduur als functie van de diffusiecoëfficiënt grotendeels analoog aan de Arrhenius-vergelijking. Als vuistregel kan het dus als volgt worden uitgedrukt: een verlaging van de bedrijfstemperatuur van 50 graden F (10 graden) verdubbelt de levensduur.
P4. Zowel de Arrhenius-vergelijking als de empirische methode laten zien dat een verlaging van de bedrijfstemperatuur van 50 graden F (10 C)
verdubbelt de levensduur van de condensator, wat zorgt voor bijna consistente resultaten
De Arrhenius-vergelijking biedt slechts een ruwe richtlijn, omdat er geen rekening wordt gehouden met het significante effect van rimpelstroom op het zelfverhittingseffect.
Om een nauwkeurige waarde voor de levensduurberekening te verkrijgen, wordt aanbevolen dat de gebruiker samenwerkt met de juiste condensatorleverancier. Voor deze berekening moet de klant een taakprofiel verstrekken met de werkelijke bedrijfsuren in het relevante temperatuurbereik.
P5. Voorbeeldtaakprofiel laat zien welke parameters de leverancier nodig heeft om de levensduur nauwkeurig te berekenen
Elke leverancier hanteert voor zijn eigen producten een aparte berekening, waarin temperatuurprofielen en rimpelstroombelastingen zijn meegenomen. Daarom kunnen leveranciers de taakprofielen van de klant gebruiken voor gedetailleerde levensduurberekeningen.
Dit voorkomt ook het gebruik van overgespecificeerde en duurdere condensatoren.
Het vergroten van het oppervlak van het koellichaam is een goede manier om de warmteafvoer te verbeteren en zo de levensduur van de condensator te verlengen. Zo kan actieve koeling door het gebruik van ventilatoren of water voor een betere warmteafvoer zorgen. Gebruikers kunnen dit type koelconcept in overweging nemen bij het verifiëren van componenten en het berekenen van de levensduur.
Ook de aansluiting van het koelelement op de condensator speelt een belangrijke rol.
Het koelelement direct aansluiten op het onderdeel is vaak effectiever dan het aan de andere kant van het bord te plaatsen. Bovendien moet rekening worden gehouden met de randeenheid van de condensator, omdat deze tegelijkertijd warmte uitstraalt en absorbeert via de pinnen, vooral als vermogenshalfgeleiders of andere warmtegenererende componenten in de buurt zijn geïnstalleerd. Indien empirische gegevens (bijv. temperatuur, stroom, spanning en frequentie) beschikbaar zijn, kan deze warmte-inbreng worden meegenomen in de levensduurberekening.
Als de gebruiker thermisch geleidende pasta's of pads gebruikt, is hun thermische weerstand de beslissende factor. Hoe lager de waarde, hoe hoger het thermisch rendement. Als het koelelement elektrisch geïsoleerd moet worden, moet een isolerende thermische pasta of een geschikt soldeerkussen worden gekozen.
Indien de gebruiker zijn eigen berekeningen of simulaties wenst uit te voeren, kunnen bij de leverancier thermische weerstandsmodellen worden verkregen van de kern van de condensator (wikkelelement) tot de poten en het pakket.
Als de warmteafvoer en de thermische weerstand van de bovenkap of PCB naar het koelelement volledig worden begrepen, kan extra warmteafvoer of -toevoer worden afgeleid. Zodra de mogelijke warmteafvoer is geverifieerd, kan de leverancier het gebruik van hogere rimpelstromen voor de printlay-out toestaan, op voorwaarde dat de door de leverancier gespecificeerde maximale rimpelstroom niet wordt overschreden, omdat dit een mechanische belasting van de condensator zou veroorzaken.
P6. Thermisch equivalent schakelschema van condensator:
Bij het selecteren van een condensatorproduct wordt aanbevolen om de Arrhenius-vergelijking te gebruiken om de initiële richtwaarden te bepalen. Door gebruik te maken van het taakprofiel kan de levensduur van de voor de toepassing geselecteerde condensator nauwkeurig worden berekend, waarbij ook rekening wordt gehouden met de mate van zelfopwarming veroorzaakt door de rimpelstroom. Om de levensduur van de condensator te maximaliseren, dient de gebruiker mogelijke koelconcepten te onderzoeken en de leverancier of distributeur tijdens de ontwikkelingsfase te betrekken.