Електролітичні та полімерні гібридні конденсатори мають майже однакову конструкцію: вони складаються з катодної та анодної сторони, і обидві виготовлені з алюмінієвої плівки. Анодна плівка окислюється з утворенням шару оксиду алюмінію, який утворює діелектрик. Дві плівки згорнуті в рулон за допомогою ізоляційного паперу для формування згорнутого елемента (P1, P2).
P1
P2. Принципова конструкція електролітичних і полімерних конденсаторів
Різниця між двома конденсаторами полягає в матеріалі, який використовується в процесі заповнення, звідки і походить назва: електролітичні конденсатори заповнені електролітом, тоді як полімерні гібридні конденсатори використовують полімерний електроліт або комбінацію твердих і рідких полімерів.
Обидва конденсатори пропонують багато переваг, таких як малий розмір, але висока ємність, низька вартість і придатність для широкого діапазону конструкцій, таких як SMD, THT або конструкції з оснащенням.
Полімерні гібридні конденсатори мають вищу ємність пульсаційного струму, ніж електролітичні конденсатори, а також менший внутрішній опір при низьких температурах і більш стабільну ємність на високих частотах. Недоліком обох конденсаторних технологій є обмежений термін служби. Під час роботи електроліт або рідкий полімер буде стискатися (Р3).
P3. Електроліт або рідкий полімер під час роботи дифундує, що скорочує термін служби конденсатора.
Рівняння Арреніуса може приблизно оцінити термін служби конденсатора.
Найбільшим фактором, що впливає на термін служби електролітичних і полімерних гібридних конденсаторів, є температура серцевини конденсатора, яка підвищується разом із температурою навколишнього середовища та рівнем струму пульсацій. Крім того, механічне навантаження через високі пульсації струму може пошкодити оксидний шар, що призведе до ефекту самовідновлення, який споживає додатковий електроліт. Самовідновлення — це здатність електролітичних конденсаторів і полімерних гібридних конденсаторів відновлювати оксидний шар за допомогою хімічної реакції між електролітом і алюмінієм. Звуження електроліту також може призвести до погіршення електричних параметрів, таких як ємність, і таких параметрів, як еквівалентний послідовний опір (ESR) і коефіцієнт втрат.
Кінець терміну експлуатації зазвичай є стадією, на якій параметри технічного паспорта (зазвичай збільшення втрати ємності та відсоток коефіцієнта втрат) не виконуються.
Під час ідентифікації конденсаторів, які відповідають електричним параметрам під час цільової роботи кінцевого продукту, користувач може використовувати рівняння Арреніуса для початкової оцінки. Як показано на P4, термін служби як функція коефіцієнта дифузії значною мірою аналогічний рівнянню Арреніуса. Таким чином, як правило, це можна виразити так: зниження робочої температури на 50 градусів F (10 градусів) подвоює термін служби.
P4. Як рівняння Арреніуса, так і емпіричний метод показують, що зниження робочої температури на 50 градусів F (10 C)
подвоює термін служби конденсатора, забезпечуючи майже стабільні результати
Рівняння Арреніуса є лише приблизним орієнтиром, оскільки воно не враховує значного впливу пульсаційного струму на ефект самонагрівання.
Щоб отримати точне значення для розрахунку терміну служби, користувачеві рекомендується співпрацювати з відповідним постачальником конденсаторів. Цей розрахунок вимагає від клієнта надати профіль завдання з детальним описом фактичних годин роботи у відповідному діапазоні температур.
P5. Зразок профілю завдання показує, які параметри потрібні постачальнику для точного розрахунку терміну служби
Кожен постачальник використовує окремий розрахунок для власної продукції, який включає температурні профілі та пульсаційні струмові навантаження. Таким чином, постачальники можуть використовувати профілі завдань, надані замовником, для детального розрахунку терміну експлуатації.
Це також запобігає використанню занадто дорогих конденсаторів.
Збільшення площі поверхні радіатора є хорошим способом покращити розсіювання тепла і таким чином подовжити термін служби конденсатора. Наприклад, активне охолодження за допомогою вентиляторів або води може забезпечити краще розсіювання тепла. Користувачі можуть враховувати цю концепцію охолодження під час перевірки компонентів і розрахунку терміну служби.
З'єднання охолоджуючого елемента з конденсатором також відіграє ключову роль.
Підключення охолоджуючого елемента безпосередньо до компонента часто ефективніше, ніж розміщення його з іншого боку плати. Крім того, необхідно враховувати периферійний блок конденсатора, оскільки він випромінює та поглинає тепло одночасно через контакти, особливо якщо поблизу встановлено силові напівпровідники або інші теплогенеруючі компоненти. Якщо доступні емпіричні дані (наприклад, температура у відкритому стані, струм, напруга та частота), це підведення тепла можна включити до розрахунку терміну служби.
Якщо користувач використовує теплопровідні пасти або прокладки, вирішальним фактором є їх термостійкість. Чим менше значення, тим вище теплова ефективність. Якщо охолоджуючий елемент необхідно електрично ізолювати, слід вибрати ізоляційну термопасту або відповідну пайку.
Якщо користувач бажає виконати власні розрахунки або моделювання, моделі термічного опору можна отримати від постачальника від сердечника конденсатора (елемента обмотки) до ніжок і корпусу.
Якщо розсіювання тепла та термічний опір від верхньої кришки або друкованої плати до охолоджуючого елемента повністю зрозумілі, можна зробити висновок про додаткове розсіювання або подачу тепла. Після перевірки можливого розсіювання тепла постачальник може дозволити використовувати вищі струми пульсацій для компонування плати за умови, що максимальний струм пульсацій, указаний постачальником, не буде перевищено, оскільки це призведе до механічного навантаження на конденсатор.
P6. Теплова еквівалентна схема конденсатора
При виборі продукту конденсатора рекомендується використовувати рівняння Арреніуса для визначення початкових орієнтовних значень. Використовуючи профіль завдання, можна точно розрахувати термін служби конденсатора, вибраного для застосування, що також враховує ступінь самонагрівання, викликане пульсаціями струму. Щоб максимізувати термін служби конденсатора, користувач повинен вивчити можливі концепції охолодження та залучити постачальника або дистриб’ютора на етапі розробки.