طول عمر خازن الکترولیت
در صنعت برق و الکترونیک خازن ها یک عنصر مهم به حساب می آیند؛ خازن یک قطعه الکترونیکی است که برای ذخیره‌سازی بار الکتریکی استفاده می‌شود و از دو صفحه فلزی تشکیل شده است که به‌وسیله یک لایه عایق از یکدیگر جدا شده‌اند. بار الکتریکی در دو صفحه فلزی خازن ذخیره می‌شود و ظرفیت خازن به میزان این بار الکتریکی بستگی دارد. برای مثال، در مدارهای فلیپ‌فلاپ، خازن برای ذخیره‌سازی اطلاعات استفاده می‌شود و در مدارهای فیلتر، خازن برای جداسازی سیگنال‌های فرکانس بالا و پایین از یکدیگر استفاده می‌شود.
خازن الکترولیتی (Electrolytic Capacitor) نوعی خازن الکتریکی است که بر پایه اصل الکترولیتی کار می‌کند. الکترولیت‌ها موادی هستند که قادرند جریان الکتریکی را هدایت کنند. خازن الکترولیتی دارای دو الکترود (مثبت و منفی) و یک لایه الکترولیتی بین آنها است.
در خازن الکترولیتی، یک الکترود از فلزی مثل آلومینیوم ساخته شده و به عنوان الکترود مثبت (Anode) شناخته می‌شود. الکترولیت در اطراف الکترود مثبت وجود دارد و باعث ایجاد خازن الکترولیتی می‌شود. الکترود دیگر نیز به عنوان الکترود منفی (Cathode) شناخته می‌شود و معمولاً از یک لایه اکسید فلزی مانند محصولات منیزیم ساخته می‌شود.
خازن الکترولیتی به دلیل استفاده از الکترولیتی با خواص الکتریکی خوب، دارای ظرفیت بالا و حجم کوچکی است. این نوع خازن‌ها در برخی از کاربردهای الکترونیکی، مانند منابع تغذیه، مدارات تقویت صوتی و سایر مدارات الکترونیکی با فرکانس پایین و متوسط استفاده می‌شوند.
تنوع ساخت خازن ها بسیار زیاد بوده و هر نوع خازن با توجه به نوع کارکرد، با تکنولوژی های ابداعی خاص و مواد مخصوصی ساخته می شوند تا نیاز هر نوع مداری را برطرف کنند.
در این مقاله به متغیرها و محاسباتی که طول عمر خازن های الکترولیتی را تعیین میکنند، خواهیم پرداخت:
خازن های الکترولیتی جز قطعات اساسی منابع تغذیه AC-DC هستند. آنها حاصل ضرب ولتاژ در ظرفیت بالا (CV) و مقاومت سری معادل کم (ESR) را در ابعاد کم حجم فراهم می کنند که به جرات می‌توان گفت هیچ المان دیگری وجود ندارد که بتواند این کار را با صرفه انجام دهد.
عمر مفید این خازن های الکترولیتی به طور فزاینده‌ای یک پارامتر کلیدی در منابع تغذیه خصوصا منابع تغذیه سوییچینگ است. تقاضای چگالی برق در حال افزایش و خازن های الکترولیتی تنها المانی در منابع تغذیه هستند که فرسوده می‌شوند. بنابراین، نوع خازن الکترولیتی استفاده شده در طراحی، عمر مفید منبع تغذیه را تعیین می‌کند. توپولوژی و ریپل جریان اعمال شده، طراحی PCB، طول عمر خازن، ریتینگ درجه حرارت خازن و اثر گرمایش محیط از یک محصول به محصول دیگر متفاوت است. همچنین ممکن است در شرایط ورودی کم و زیاد خط تغییر کنند. اثرات گرمایش خارجی می‌تواند بیشتر از اثرات گرمایش داخلی موثر باشد، به خصوص در طراحی های فشرده امروزی.
عمر واقعی به افزایش دما بستگی دارد که ممکن است هنگام نصب منبع تغذیه در کاربرد مشخص اتفاق بیفتد.
مشخصات کاربردی و نیاز شما عامل دیگری است که میانگین دمای کارکرد در طول عمر تجهیزات و ساعات استفاده در روز را مشخص می کند.
طراحان خازن های الکترولیتی هنگام تعیین طول عمر محصولات خود، همه این عوامل را در نظر می‌گیرند.
در ادامه نگاهی به محاسباتی که طراحان با آن کار میکنند، خواهیم داشت:
طول عمر خازن الکترولیت در دمای نامی:
تولیدکنندگان خازن های الکترولیتی طول عمر طراحی را در حداکثر درجه حرارت نامی محیط که معمولاً ۱۰۵ درجه سانتی گراد است، تعیین می کنند.
این طول عمر طراحی می تواند از ۱۰۰۰ ساعت تا ۱۰ هزار ساعت یا بیشتر متغیر باشد. هرچه طول عمر طراحی بیشتر باشد، ماندگاری اجزا در یک کاربرد معین و دمای محیط بیشتر می شود.
تولیدکنندگان محاسباتی را برای تعیین طول عمر در کاربردهای مشخص ارائه می‌دهند. این محاسبات براساس معادله آرنیوس برای مشخص کردن میزان واکنش وابسته به دما هستند. این معادله مشخص می‌کند که به ازای هر ۱۰ درجه افزایش دما، سرعت واکنش دو برابر می شود. این بدان معناست که طول عمر برای هر ۱۰ درجه کاهش دما دو برابر می‌شود، بنابراین یک خازن دارای طول عمر نامی ۵۰۰۰ ساعت در ۱۰۵ درجه سانتیگراد دارای طول عمر ۱۰۰۰۰ ساعت در ۹۵ درجه سانتیگراد و ۲۰۰۰۰ ساعت در ۸۵ درجه سانتیگراد است.این منحنی عمر مفید را در برابر دمای محیط ترسیم می کند:
L=طول عمر تخمینی براساس ساعت
L0=طول عمر در دمای نامی براساس ساعت
Tmax=دمای نامی براساس درجه سانتی گراد
Ta=دمای محیط براساس درجه سانتی گراد
ریپل جریان و فرکانس عملیاتی
همینطور که دمای محیط و اثرات گرمایش محلی بر طول عمر خازن اثر می‌گذارند ، ریپل جریان اعمال شده، هسته خازن را بیشتر گرم می کند. فرآیندهای سوئیچینگ و اصلاح در بخش ورودی و خروجی منبع تغذیه، جریان های ریپل دار تولید می‌کند. که این جریان ها باعث اتلاف توان در خازن الکترولیتی می‌شوند.
مقدار و فرکانس این جریان های دارای ریپل به توپولوژی طراحی شده تا حد زیادی بستگی دارد و از هر طراحی به طراحی دیگر متفاوت است. توان تلف شده در خازن با استفاده از میزان موثر یا RMS جریان دارای ریپل و ESR یا مقاومت سری خازن در فرکانس عملکردش تعیین می شود.
مزیت سیستم های خنک کننده
منبع تغذیه محصور شده با فن های خنک کننده خاص خود، در صورت استفاده صحیح، کمتر در معرض پایان طول عمر خازن های الکترولیتی خود هستند.
جدول زیر عمر تخمینی خازن ها را با طول عمر نامی ۲۰۰۰ و ۵۰۰۰ ساعت که توسط سازنده مشخص شده است را در دماهای مختلف نشان می دهد. هنگام تبدیل ساعات کار به سالهای عملکرد فرض بر این بوده که منبع تغذیه دائم درحال کار است. تجهیزاتی با مشخصات نیازی کمتر، مانند هشت تا ده ساعت در روز، پنج روز در هفته که کار می کنند؛ طبیعتا از جدول پایین طول عمر مفید بیشتری دارند.
متغیرهای دیگر که ممکن است طول عمر در کاربردهای مختلف را اثر بگذارد
تولیدکنندگان منبع تغذیه (معمولا به غیر از چینی ها!) برای اطمینان از کافی بودن طول عمر محصول، قوانینی برای کاهش درجه بندی طراحی اعمال می کنند. طول عمر خازن، به ویژه در محیط های همرفت یا خنک کننده طبیعی ، باید بیشتر براساس نصب خاص ارزیابی شود. اندازه گیری جریان های دارای ریپل اعمال شده به صورت دائمی عملی نیست، اما اندازه گیری دمای عملیاتی موثر نشان دهنده عمر مفید است. درصورتی که شما دارای یک شرکت هستین، اپراتورها می‌توانند دمای مورد را اندازه گیری کرده و معادله آرنیوس و مشخصات ساعت عملکرد را برای محاسبه دقیق طول عمر استفاده کنند.
