I condensatori elettrolitici e ibridi polimerici hanno quasi lo stesso design: sono costituiti da un lato del catodo e un lato dell'anodo ed entrambi sono realizzati in pellicola di alluminio. Il film anodico viene ossidato per formare uno strato di ossido di alluminio, che forma il dielettrico. I due film vengono arrotolati utilizzando una carta isolante per formare l'elemento a spirale (P1, P2).
P1
P2. Progettazione di base di condensatori elettrolitici e polimerici
La differenza tra i due condensatori è il materiale utilizzato nel processo di riempimento, da cui deriva il nome: i condensatori elettrolitici sono riempiti con un elettrolita, mentre i condensatori ibridi polimerici utilizzano un elettrolita polimerico o una combinazione di polimeri solidi e liquidi.
Entrambi i condensatori offrono molti vantaggi, come dimensioni ridotte ma valore di capacità elevato, basso costo e idoneità per un'ampia gamma di design, come design SMD, THT o snap-in.
I condensatori ibridi polimerici hanno una capacità di corrente di ripple maggiore rispetto ai condensatori elettrolitici, nonché una resistenza interna inferiore alle basse temperature e una capacità più stabile alle alte frequenze. Lo svantaggio di entrambe le tecnologie dei condensatori è la loro durata limitata. Durante il funzionamento, l'elettrolita o il polimero liquido si restringe (P3).
P3. L'elettrolita o il polimero liquido si diffonde durante il funzionamento, riducendo la durata del condensatore.
L'equazione di Arrhenius può stimare approssimativamente la vita utile del condensatore.
Il fattore più importante che influisce sulla durata dei condensatori elettrolitici e ibridi polimerici è la temperatura interna del condensatore, che aumenta con la temperatura ambiente e il livello di corrente di ripple applicata. Inoltre, lo stress meccanico dovuto all'elevata corrente di ripple può danneggiare lo strato di ossido, determinando un effetto autorigenerante che consuma elettrolita aggiuntivo. L'autoguarigione è la capacità dei condensatori elettrolitici e dei condensatori ibridi polimerici di ripristinare lo strato di ossido attraverso una reazione chimica tra l'elettrolita e l'alluminio. Il restringimento dell'elettrolita può anche portare al deterioramento di parametri elettrici come la capacità e parametri come la resistenza in serie equivalente (ESR) e il fattore di perdita.
La fine del ciclo di vita è solitamente la fase in cui i parametri della scheda tecnica (di solito l'aumento della perdita di capacità e la percentuale del fattore di perdita) non vengono soddisfatti.
Quando si identificano prodotti di condensatori che soddisfano i parametri elettrici durante il funzionamento target del prodotto finale, l'utente può utilizzare l'equazione di Arrhenius per una valutazione iniziale. Come mostrato in P4, la vita utile in funzione del coefficiente di diffusione è in gran parte analoga all'equazione di Arrhenius. Pertanto, come regola pratica, può essere espresso come segue: una riduzione di 50 gradi F (10 gradi) della temperatura di esercizio raddoppia la durata.
P4. Sia l'equazione di Arrhenius che il metodo empirico mostrano che una diminuzione della temperatura di esercizio di 50 gradi F (10 C)
raddoppia la durata del condensatore, fornendo risultati pressoché costanti
L'equazione di Arrhenius fornisce solo una guida approssimativa, poiché non tiene conto dell'effetto significativo della corrente di ripple sull'effetto di autoriscaldamento.
Per ottenere un valore accurato per il calcolo della durata, si consiglia all'utente di collaborare con il fornitore di condensatori appropriato. Questo calcolo richiede al cliente di fornire un profilo dell'attività che dettaglia le ore di funzionamento effettive nell'intervallo di temperatura pertinente.
P5. Il profilo dell'attività di esempio mostra i parametri necessari al fornitore per calcolare con precisione la durata
Ogni fornitore utilizza un calcolo separato per i propri prodotti, che include profili di temperatura e carichi di corrente di ripple. Pertanto, i fornitori possono utilizzare i profili delle attività forniti dal cliente per calcoli dettagliati della durata.
Ciò impedisce anche l'uso di condensatori sovraspecificati e più costosi.
Aumentare la superficie del dissipatore di calore è un buon modo per migliorare la dissipazione del calore e quindi prolungare la vita del condensatore. Ad esempio, il raffreddamento attivo tramite l'uso di ventole o acqua può garantire una migliore dissipazione del calore. Gli utenti possono prendere in considerazione questo tipo di concetto di raffreddamento durante la verifica dei componenti e il calcolo della durata.
Anche il collegamento dell'elemento di raffreddamento al condensatore gioca un ruolo chiave.
Collegare l'elemento di raffreddamento direttamente al componente è spesso più efficace che posizionarlo sull'altro lato della scheda. Inoltre, è necessario considerare l'unità periferica del condensatore, poiché irradia e assorbe calore contemporaneamente attraverso i pin, soprattutto se nelle vicinanze sono installati semiconduttori di potenza o altri componenti che generano calore. Se sono disponibili dati empirici (ad es. temperatura, corrente, tensione e frequenza nello stato di attivazione), questo apporto di calore può essere incorporato nel calcolo della durata.
Se l'utente utilizza paste o tamponi termicamente conduttivi, la loro resistenza termica è il fattore decisivo. Più basso è il valore, maggiore è l'efficienza termica. Se l'elemento di raffreddamento deve essere isolato elettricamente, è necessario selezionare una pasta termica isolante o un pad di saldatura adatto.
Se l'utente desidera eseguire i propri calcoli o simulazioni, i modelli di resistenza termica possono essere ottenuti dal fornitore dal nucleo del condensatore (elemento di avvolgimento) alle gambe e al pacchetto.
Se la dissipazione del calore e la resistenza termica dal coperchio superiore o PCB all'elemento di raffreddamento sono completamente comprese, è possibile dedurre un'ulteriore dissipazione o alimentazione del calore. Una volta verificata l'eventuale dissipazione del calore, il fornitore può consentire l'utilizzo di correnti di ripple più elevate per il layout della scheda, a condizione che non venga superata la corrente di ripple massima specificata dal fornitore, in quanto ciò imporrebbe un carico meccanico sul condensatore.
P6. Schema del circuito equivalente termico del condensatore
Quando si seleziona un prodotto condensatore, si consiglia di utilizzare l'equazione di Arrhenius per determinare i valori guida iniziali. Utilizzando il profilo dell'attività, è possibile calcolare con precisione la durata del condensatore selezionato per l'applicazione, che tiene conto anche del grado di autoriscaldamento causato dalla corrente di ripple. Per massimizzare la durata del condensatore, l'utente dovrebbe studiare possibili concetti di raffreddamento e coinvolgere il fornitore o il distributore durante la fase di sviluppo.