Teljesítményelektronikai ötletek – 49

Mi az: kicsi, olcsó, nagy kapacitású – és ha valami elromlik, ő az első számú gyanúsított? A találós kérdésre minden elektronikai szakember tudja a választ: ez az elektrolitkondenzátor, amely mindemellett alig megkerülhető szereplője a beültetett NyÁK-lapoknak. Robert Kollman ezúttal az alumínium elektrolitkondenzátorokról osztja meg tapasztalatait.

Kerüljük el az alumínium elektrolitkondenzátorok szokásos csapdáit

Az alumínium electrolitkondenzátorok a tápegységek „népszerű” alkatrészei, elsősorban alacsony áruknak tulajdoníthatóan. Mindazon­által élettartamuk véges, és egyaránt érzékenyek a magas és alacsony hőmérsékleti szélsőségekre. Az alumínium elektrolitkondenzátorok fémfóliából készült fegyverezetei között egy elektrolittal átitatott papírréteg foglal helyet. Ez az elektrolit párolog a kondenzátor élettartama során, amelynek következtében annak elektromos tulajdonságai megváltoznak. A kondenzátor meghibásodásának látványos kísérőjelensége a tokozat belsejében megnövekedett nyomás miatti felpúposodás, sőt felhasadás, amely utóbbi esetben éghető vagy korrozív gáz is kiszabadulhat.
Az elektrolit párolgásának sebessége erősen függ a kondenzátor hőmérsékletétől. Az üzemi hőmérséklet minden 10 °C-os csökkenése megkétszerezi a kondenzátor várható élettartamát. A kondenzátorok élettartam-adatait ezért a maximális megengedett üzemi hőmérsékleten történő használatra adják meg. Tipikus érték az 1000 óra 105 °C-os hőmérsékletnél. Ez problémát okozhat az olyan alkalmazásokban, amelynél követelmény a hosszú élettartam, mint például az 1. ábrán látható ledes fényforrásban, amelytől gyakran 25 000 üzemórányi működést várunk el. Hogy erre a hosszú élettartamra esély legyen, a kondenzátor hőmérsékletének nem szabad meghaladni a 65 °C-t. Ez különösen akkor jelent nagy kihívást, ha a kondenzátor környezeti hőmérséklete az ilyen alkalmazásokban akár a 125 °C-t is elérheti. Beszerezhetők olyan kondenzátorok is, amelyek megengedett maximális hőmérséklete magasabb, de a legtöbb esetben a ledes fényforrások élettartamát leginkább mégis az alumínium elektrolitkondenzátor korlátozza (1. ábra).

1.ábra Ez a 105 °C-os üzemi hőmérsékletre specifikált kondenzátor valószínűleg nem éri meg azt a 23 évet, amit a fényforrás gyártója állít termékéről

Ez az élettartam–hőmérséklet összefüggés komoly hatással van arra, hogyan kell a kondenzátor üzemi feszültségét a névleges maximális értéknél kisebbre választani. Az első ötletünk az lehetne, hogy válasszunk a szükségesnél nagyobb névleges üzemi feszültségű kondenzátort a dielektrikum meghibásodási valószínűségének csökkentése érdekében. Ha viszont ezt tesszük, a kondenzátornak nagyobb lesz az ekvivalens soros ellenállása (Equivalent Series Resistance – ESR) is. Ez megnöveli a kondenzátorban keletkező teljesítményveszteséget és ezáltal annak hőmérsékletét. A magasabb hőmérsékleten pedig nagyobb a meghibásodás valószínűsége, rövidebb az élettartam. A gyakorlatban az alumínium elektrolitkondenzátorokat célszerű úgy megválasztani, hogy a feszültségük a névleges érték 80%-a körül legyen.
Az alacsony hőmérséklet is az ESR jelentős növekedésével jár, amint az a 2. ábrán is látható. Az ellenállás ‑40 °C-on akár egy nagyságrenddel is meghaladhatja az üzemi hőmérsékleten mérhető értéket. Ez többféle módon is kihat a tápegység minőségi jellemzőire. Ha a kondenzátort egy kapcsolóüzemű tápegység kimenetén alkalmazzuk, a kimeneti egyenfeszültség hullámossága akár egy nagyságrenddel is megnövekedhet. Az ESR növekedése kihat a szabályozóhurok működésére is, mivel a hurokerősítés akár egy nagyságrenddel nagyobb is lehet azon a zérushelyen, amelynek frekvenciáját az ESR és a kimeneti kapacitás határozza meg. Ennek eredménye egy instabil, oszcillációkra hajlamos tápegység lehet. Annak érdekében, hogy ehhez a nagy hőmérsékletfüggő változáshoz alkalmazkodni tudjunk, a szabályozóhurok teljesítőképességben jelentős kompromisszumokat kell vállalnunk a szobahőmérsékletű, vagy annál melegebb környezetben való működtetéskor.

2. ábra  Az ESR alacsony hőmérsékleten jelentősen megnövekszik

Összegzés

Az alumínium elektrolitkondenzátorok rendszerint a legolcsóbb választást jelentik. Ugyanakkor tisztában kell lennünk azokkal a hátrányaival is, amelyek negatív hatással lehetnek a végtermék minőségére. Figyelembe kell vennünk, hogy a várható élettartam az üzemi hőmérséklet függvénye. Megfelelő mértékben kell megválasztani azt is, hogy a névleges maximális feszültség alatt mekkora legyen az üzemi feszültség, hogy a legkisebb hőtermelésű és egyben maximális élettartamú megoldást megtaláljuk. Végül pedig meg kell értenünk, hogy az ESR értéktartományától függ a szabályozóhurok helyes működése, valamint az, hogy a tápegység teljesíti-e a kimeneti feszültség hullámosságának specifikációját.

A sorozat következő részében egy kisteljesítményű, offline flyback tápegységet teszünk vizsgálat tárgyává.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: