Kondensatory hybrydowe elektrolityczne i polimerowe mają prawie taką samą konstrukcję: składają się ze strony katodowej i anodowej, a obie są wykonane z folii aluminiowej. Film anody jest utleniany, tworząc warstwę tlenku glinu, która tworzy dielektryk. Dwie folie są zwijane za pomocą papieru izolacyjnego w celu utworzenia zwiniętego elementu (P1, P2).
P1
P2. Podstawowa konstrukcja kondensatorów elektrolitycznych i polimerowych
Różnica między dwoma kondensatorami polega na materiale użytym w procesie napełniania, od którego pochodzi nazwa: kondensatory elektrolityczne są wypełnione elektrolitem, natomiast polimerowe kondensatory hybrydowe wykorzystują elektrolit polimerowy lub kombinację polimerów stałych i ciekłych.
Obydwa kondensatory mają wiele zalet, takich jak małe rozmiary, ale wysoka wartość pojemności, niski koszt i przydatność do szerokiej gamy konstrukcji, takich jak SMD, THT czy konstrukcje typu snap-in.
Polimerowe kondensatory hybrydowe mają wyższą pojemność prądową tętnienia niż kondensatory elektrolityczne, a także niższą rezystancję wewnętrzną w niskich temperaturach i bardziej stabilną pojemność przy wysokich częstotliwościach. Wadą obu technologii kondensatorów jest ich ograniczona żywotność. Podczas pracy elektrolit lub ciekły polimer skurczy się (P3).
P3. Elektrolit lub ciekły polimer dyfunduje podczas pracy, co skraca żywotność kondensatora.
Równanie Arrheniusa może z grubsza oszacować żywotność kondensatora.
Największym czynnikiem wpływającym na żywotność elektrolitycznych i polimerowych kondensatorów hybrydowych jest temperatura rdzenia kondensatora, która rośnie wraz z temperaturą otoczenia i poziomem przyłożonego prądu tętnienia. Ponadto naprężenia mechaniczne spowodowane wysokim prądem tętnienia mogą uszkodzić warstwę tlenku, powodując efekt samoleczenia, który zużywa dodatkowy elektrolit. Samonaprawianie to zdolność kondensatorów elektrolitycznych i polimerowych kondensatorów hybrydowych do przywracania warstwy tlenku poprzez reakcję chemiczną między elektrolitem a aluminium. Skurcz elektrolitu może również prowadzić do pogorszenia parametrów elektrycznych, takich jak pojemność i parametry, takie jak równoważna rezystancja szeregowa (ESR) i współczynnik strat.
Koniec życia jest zwykle etapem, w którym parametry arkusza danych (zwykle wzrost strat pojemności i procent współczynnika strat) nie są spełnione.
Podczas identyfikacji produktów kondensatorów, które spełniają parametry elektryczne podczas docelowej pracy produktu końcowego, użytkownik może użyć równania Arrheniusa do wstępnej oceny. Jak pokazano na P4, żywotność jako funkcja współczynnika dyfuzji jest w dużej mierze analogiczna do równania Arrheniusa. Tak więc, z reguły, można to wyrazić w następujący sposób: obniżenie temperatury roboczej o 10 stopni F o 10 stopni podwaja żywotność.
P4. Zarówno równanie Arrheniusa, jak i metoda empiryczna pokazują, że spadek temperatury roboczej o 50 stopni F (10 C)
podwaja żywotność kondensatora, zapewniając niemal spójne wyniki
Równanie Arrheniusa jest jedynie przybliżoną wskazówką, ponieważ nie uwzględnia znaczącego wpływu tętnienia prądu na efekt samonagrzewania.
W celu uzyskania dokładnej wartości do obliczenia żywotności zaleca się, aby użytkownik współpracował z odpowiednim dostawcą kondensatorów. Ta kalkulacja wymaga od klienta dostarczenia profilu zadań z wyszczególnieniem rzeczywistych godzin pracy w odpowiednim zakresie temperatur.
P5. Przykładowy profil zadania pokazuje, jakich parametrów potrzebuje dostawca, aby dokładnie obliczyć żywotność
Każdy dostawca stosuje oddzielne obliczenia dla swoich produktów, które obejmują profile temperatur i prądy tętniące. Dlatego dostawcy mogą korzystać z profili zadań dostarczonych przez klienta do szczegółowych obliczeń żywotności.
Zapobiega to również stosowaniu przesadnie określonych i droższych kondensatorów.
Zwiększenie powierzchni radiatora to dobry sposób na poprawę rozpraszania ciepła, a tym samym wydłużenie żywotności kondensatora. Na przykład aktywne chłodzenie za pomocą wentylatorów lub wody może zapewnić lepsze odprowadzanie ciepła. Użytkownicy mogą wziąć pod uwagę ten rodzaj koncepcji chłodzenia podczas weryfikacji komponentów i obliczania żywotności.
Kluczową rolę odgrywa również połączenie elementu chłodzącego z kondensatorem.
Podłączenie elementu chłodzącego bezpośrednio do komponentu jest często bardziej efektywne niż umieszczenie go po drugiej stronie płytki. Ponadto należy wziąć pod uwagę jednostkę peryferyjną kondensatora, ponieważ jednocześnie promieniuje i pochłania ciepło przez styki, zwłaszcza jeśli w pobliżu zainstalowane są półprzewodniki mocy lub inne elementy generujące ciepło. Jeśli dostępne są dane empiryczne (np. temperatura, prąd, napięcie i częstotliwość w stanie włączenia), to doprowadzone ciepło można uwzględnić w obliczeniach żywotności.
Jeśli użytkownik stosuje pasty lub podkładki przewodzące ciepło, decydującym czynnikiem jest ich odporność termiczna. Im niższa wartość, tym wyższa sprawność cieplna. Jeżeli element chłodzący wymaga izolacji elektrycznej, należy wybrać izolującą pastę termiczną lub odpowiednią podkładkę lutowniczą.
Jeśli użytkownik chce wykonać własne obliczenia lub symulacje, modele rezystancji termicznej można uzyskać od dostawcy od rdzenia kondensatora (elementu uzwojenia) do nóg i pakietu.
Jeśli rozpraszanie ciepła i opór cieplny od górnej pokrywy lub płytki drukowanej do elementu chłodzącego są w pełni zrozumiałe, można wywnioskować dodatkowe rozpraszanie lub dostarczanie ciepła. Po zweryfikowaniu możliwego rozpraszania ciepła dostawca może zezwolić na zastosowanie wyższych prądów tętnienia dla układu płytki, pod warunkiem, że maksymalny prąd tętnienia określony przez dostawcę nie zostanie przekroczony, ponieważ spowodowałoby to mechaniczne obciążenie kondensatora.
P6. Schemat obwodu zastępczego kondensatora
Przy wyborze produktu kondensatorowego zaleca się, aby do określenia początkowych wartości orientacyjnych użyć równania Arrheniusa. Korzystając z profilu zadania, można dokładnie obliczyć żywotność kondensatora wybranego do aplikacji, co uwzględnia również stopień samonagrzewania spowodowanego tętnieniem prądu. Aby zmaksymalizować żywotność kondensatorów, użytkownik powinien zbadać możliwe koncepcje chłodzenia i zaangażować dostawcę lub dystrybutora w fazie rozwoju.