خازن ها به عنوان اجزای ضروری در صنایع برق و الکترونیک در نظر گرفته می شوند. آنها قطعات الکترونیکی SMD هستند که برای ذخیره بار الکتریکی استفاده می شوند و از دو صفحه فلزی تشکیل شده اند که یک لایه عایق آنها را از هم جدا می کند. ظرفیت خازن با مقدار بار الکتریکی که در دو صفحه فلزی آن ذخیره می شود تعیین می شود. به عنوان مثال، خازن ها در مدارهای فیلتر برای جداسازی سیگنال های فرکانس بالا و پایین از یکدیگر و در مدارهای فلیپ فلاپ برای ذخیره اطلاعات استفاده می شوند.

اگر با قطعات اکترونیکی آشنایی ندارید پیشنهاد می کنیم مقاله انواع قطعات الکترونیکی را مطالعه کنید.

خازن الکترولیتی چیست؟

یکی از انواع خازن های الکتریکی که بر اساس اصل الکترولیتی کار می کند، خازن الکترولیتی است. به موادی که قابلیت رسانایی الکتریسیته را دارند الکترولیت می گویند. الکترودهای مثبت و منفی خازن الکترولیتی توسط یک لایه الکترولیتی از هم جدا می شوند.

الکترود مثبت (آند) یک خازن الکترولیتی الکترودی است که از فلزی مانند آلومینیوم تشکیل شده است. یک خازن الکترولیتی توسط الکترولیتی که الکترود مثبت را احاطه کرده است تولید می شود. الکترود دوم که معمولاً به آن الکترود یا کاتد منفی می گویند، معمولاً از یک لایه اکسید فلزی مانند محصولات منیزیم تشکیل شده است.

از خواص الکتریکی خوب الکترولیت برای ایجاد یک خازن الکترولیتی استفاده می شود که دارای ظرفیت بالا و حداقل حجم است. برخی از مدارهای الکترونیکی، از جمله مدارهای مربوط به منابع تغذیه، تقویت صدا و سایر مدارهای فرکانس پایین و متوسط، از این نوع خازن ها استفاده می کنند.

طول عمر مفید خازن الکتریکی چقدر است؟

طیف گسترده ای از انواع خازن در دسترس است و هر نوع با استفاده از فناوری های منحصر به فرد و پیشرفته و مواد مورد استفاده خاص خود به منظور برآوردن نیازهای هر نوع مداری تولید می شود.

عوامل و محاسباتی که بر طول عمر خازن الکترولیت تأثیر می گذارد در این مقاله خواهیم پرداخت:

در منبع تغذیه AC-DC، خازن های الکترولیتی جزء ضروری هستند. آنها ترکیبی از مقاومت سری معادل کم (ESR) و ولتاژ خازنی بالا (CV) را در یک فرم فشرده ارائه می دهند – احتمالاً تنها عنصری که می تواند این کار را به صرفه انجام دهد.

یک عامل مهمتر در منابع تغذیه، به ویژه منابع تغذیه سوئیچینگ، طول عمر خازن الکترولیت است. تنها جزء موجود در منبع تغذیه که فرسوده می شود خازن الکترولیتی است، اما تقاضای چگالی برق در حال افزایش است. بنابراین، انتخاب نوع خازن الکترولیتی طراحی بر روی مدت زمان استفاده از منبع تغذیه تاثیر می گذارد. محصولات از نظر توپولوژی فعلی و ریپل، طراحی PCB، طول عمر خازن اثر گرمایش محیط و درجه حرارت خازن از محصولی به محصول دیگر متفاوت است. در شرایط ورودی خط پایین و بالا، ممکن است تغییر کنند. به خصوص با طراحی های فشرده امروزی، اثرات گرمایش خارجی می تواند قدرتمندتر از طراحی های داخلی باشد.

افزایش دما که ممکن است هنگام نصب منبع تغذیه در یک کاربرد مشخص اتفاق بیفتد، عمر واقعی را تعیین می کند. عنصر دیگری که بر میانگین دمای کارکرد در طول عمر تجهیزات و تعداد ساعات استفاده در روز تأثیر می گذارد، مشخصات کاربردی و نیاز شما است. تمام این عناصر توسط طراحان خازن های الکترولیتی هنگام تخمین مدت زمان ماندگاری محصولاتشان در نظر گرفته می شود.

شاید برای شما مفید باشد: آشنایی با قطعات برد الکترونیکی.

در ادامه نگاهی به محاسباتی که طراحان با آن کار می‌کنند، بررسی خواهیم کرد:

طول عمر خازن الکترولیت در دمای نامی چقدر است؟

حداکثر دمای نامی محیط که معمولاً 105 درجه سانتیگراد است، دمایی است که سازندگان خازن های الکترولیتی عمر طراحی را مشخص می کنند. محدوده 1000 ساعت تا 10000 ساعت یا بیشتر برای این عمر طراحی وجود دارد. طول عمر قطعات در یک کاربرد خاص و درجه حرارت به طور مستقیم با عمر طراحی مرتبط است.

تولید کنندگان فرمول هایی را برای تعیین طول عمر در موارد خاص ارائه می دهند. از معادله آرنیوس در این محاسبات برای بدست آوردن سرعت واکنش وابسته به دما استفاده می شود. براساس این معادله، سرعت واکنش به ازای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما دو برابر می شود. بر این اساس، یک خازن با طول عمر نامی 5000 ساعت در دمای 105 درجه سانتیگراد، طول عمر 10000 ساعت در دمای 95 درجه سانتیگراد خواهد داشت. این بدان معناست که طول عمر به ازای هر 10 درجه کاهش دما دو برابر می شود.

دما، به این معنی که یک خازن با عمر نامی 5000 ساعت در 105 درجه سانتیگراد فقط 10000 ساعت در دمای 95 درجه سانتیگراد و 20000 ساعت در دمای 85 درجه سانتیگراد دوام می آورد. این منحنی عمر مفید با دمای اطراف ترسیم می کند:

ریپل جریان و فرکانس عملیاتی»

امواج جریان اعمال شده بیشتر هسته خازن را گرم می کند زیرا دمای محیط و اثرات گرمایش موضعی بر طول عمر خازن تأثیر می گذارد. جریان های ریپل در طی فرآیندهای سوئیچینگ و یکسوسازی در بخش های ورودی و خروجی منبع تغذیه ایجاد می شود. در نتیجه این جریان ها، خازن الکترولیتی توان خود را از دست می دهد.

بزرگی و منظم بودن این جریان های موج دار در طرح ها بسیار متفاوت است و بیشتر به توپولوژی مورد نظر بستگی دارد. مقدار موثر جریان RMS با ریپل و مقاومت سری یا ESR خازن در فرکانس کاری آن برای محاسبه توان از دست رفته در خازن استفاده می شود.

مزیت سیستم های خنک کننده»

مزیت سیستم های خنک کننده این است که هنگامی که به درستی استفاده شوند، منبع تغذیه محصور با فن های خنک کننده داخلی، کمتر احتمال دارد که طول عمر خازن های الکترولیتی آنها را کوتاه کند.

عمر تخمینی خازن هایی با عمر اسمی 2000 و 5000 ساعت – که توسط سازنده مشخص شده است – در دماهای مختلف در جدول زیر نمایش داده شده است. در نظر گرفته می شود که منبع تغذیه هنگام تبدیل ساعات کار به سال های کارکرد همیشه در حال کار است. تجهیزاتی که مثلاً پنج روز در هفته هشت تا ده ساعت در روز کار می کنند، طبیعتاً عمر مفید بیشتری نسبت به موارد جدول زیر دارند.

متغیرهای دیگر که ممکن است طول عمر در کاربردهای مختلف را اثر بگذارد »

قوانین توسط تولید کنندگان منبع تغذیه (که معمولاً چینی نیستند!) برای کاهش رتبه بندی طراحی به منظور تضمین عمر کافی محصول اعمال می شود. به خصوص در شرایط همرفت یا خنک کننده طبیعی، عمر خازن بسته به نوع نصب باید بیشتر ارزیابی شود. اندازه‌گیری جریان‌های موج‌دار دائمی غیرعملی است. با این حال، اندازه گیری های دمای کارکرد موثر اطلاعات مفیدی را برای عمر مفید ارائه می دهند. اگر کسب‌وکاری دارید، اپراتورها می‌توانند با اندازه‌گیری دمای آن، به‌کارگیری معادله آرنیوس و تعیین ساعات کار آن، طول عمر آن را دقیقاً تعیین کنند.

چرا عمر خازن را محاسبه کنیم؟

اگرچه آنها طول عمر محدودی دارند و به الگوریتمی برای محاسبه نیاز دارند، خازن های کامپوزیت الکترولیتی و پلیمری مزایای زیادی دارند.

ساخت خازن های کامپوزیت پلیمری و خازن های الکترولیتی تقریباً یکسان است. هر دو طرف آند و کاتد دارند و از فیلم آلومینیومی تشکیل شده اند. دی الکتریک زمانی ایجاد می شود که فیلم آند اکسید می شود و یک لایه اکسید آلومینیوم تولید می کند. برای ایجاد یک عنصر زخم، دو ورقه فیلم با استفاده از کاغذ رهاسازی نورد می شوند (شکل 1، شکل 2).

شکل 1: یک خازن الکترولیتی عمدتاً از لایه های آند و کاتد، کاغذ جداکننده و الکترولیت تشکیل شده است.

شکل 2: طراحی پایه خازن الکترولیتی وپلیمری

مواد مورد استفاده در فرآیند پر کردن – که نام این دو نوع خازن از آنها گرفته شده است – خازن های الکترولیتی را از خازن های کامپوزیت پلیمری متمایز می کند که از مایع و یا پلی الکترولیت یا ترکیبی از پلیمرهای جامد تشکیل شده اند.

از مزایای هر دو خازن می توان به اندازه جمع و جور و ظرفیت خازنی بالا، مقرون به صرفه بودن و مناسب بودن برای بسیاری از طرح ها از جمله طرح های SMD، THT و snap-in اشاره کرد.

خازن های هیبریدی پلیمری در مقایسه با خازن های الکترولیتی، ظرفیت جریان موج دار بالاتر، مقاومت داخلی کمتر در دماهای پایین و ظرفیت پایدارتر در فرکانس های بالا را ارائه می دهند. عمر کوتاه هر دو فناوری خازن یک نقطه ضعف است. پلیمر مایع یا الکترولیت در حین کار منقبض می شود (شکل 3).

شکل 3: الکترولیت یا پلیمر مایع درحین کار پخش شده و طول عمر خازن را کاهش می دهد. معادله آرنیوس تخمین تقریبی از عمر خازن ارائه می دهد.

عوامل محدود کننده برای خدمات

دمای هسته خازن که با افزایش دمای محیط و سطوح جریان افزایشی اعمال شده افزایش می‌یابد، عامل اصلی تأثیرگذار بر طول عمر خازن‌های هیبریدی الکترولیتی و پلیمری است. علاوه بر این، لایه اکسید ممکن است در اثر تنش مکانیکی ناشی از مقدار بیش از حد جریان موج دار آسیب ببیند، که ممکن است اثر خود ترمیمی استفاده از الکترولیت اضافی را داشته باشد. ظرفیت کامپوزیت پلیمری و خازن های الکترولیتی برای خود ترمیم نتیجه یک فرآیند شیمیایی بین آلومینیوم و الکترولیت است که لایه اکسید را بازیابی می کند. بدتر شدن ویژگی های الکتریکی مانند ظرفیت خازنی، مقاومت سری معادل (ESR) و ضریب اتلاف نیز به دلیل انقباض الکترولیت ایجاد می شود.

هنگامی که پارامترهای برگه داده – اغلب تلفات خازنی و درصد افزایش ضریب اتلاف – برآورده نمی شوند، محصول معمولاً در پایان عمر است.

هنگام شناسایی اقلام خازن با خواص الکتریکی قابل قبول در طول عملیات مورد نظر محصول نهایی، کاربران می توانند از معادله آرنیوس نیز برای ارزیابی اولیه استفاده کنند. طول عمر به عنوان تابعی از ضریب انتشار دقیقاً از معادله آرنیوس پیروی می کند، همانطور که شکل 4 نشان می دهد. بنابراین، به عنوان یک قانون کلی می توان موارد زیر را بیان کرد: عمر مفید با کاهش دمای عملیاتی 50 درجه فارنهایت (10 درجه) دو برابر می شود.

شکل 4: عمر خازن برای هر 50 درجه فارنهایت (10 درجه سانتیگراد) کاهش در دمای کاری دو برابر می شود، هم بر اساس رویکرد تجربی و هم معادله آرنیوس، که نتایج تقریباً برابری را به همراه دارد.

از آنجایی که معادله آرنیوس تأثیر عمده جریان موجی بر اثرات خود گرمایشی را در نظر نمی گیرد، تنها تقریبی برای مقادیر راهنما ارائه می دهد.

همچنین بخوانید: خرید قطعات الکترونیکی با قیمت مناسب

پشتیبانی از فروشندگان خازن

توصیه می شود که کاربران با تامین کنندگان خازن مناسب کار کنند تا اعداد محاسبه دقیق عمر سرویس را به دست آورند. برای انجام این محاسبه، مشتری باید یک نمایه ماموریتی ارائه دهد که در آن ساعات واقعی عملیات در محدوده دمایی قابل اجرا توضیح داده شود.

شکل 5: مثالی از مشخصات ماموریت که الزاماتی را که یک تامین کننده باید برآورده کند تا بتواند عمر سرویس را به درستی محاسبه کند را نشان می دهد.

برای محصولات خود، هر ارائه دهنده از محاسبات مختلفی استفاده می کند که بارهای جریان موج دار و پروفایل های دما را در نظر می گیرد. در نتیجه، ارائه‌دهندگان ممکن است عمر خدمات را با استفاده از نمایه‌های مأموریت ارائه‌شده توسط مشتریان محاسبه کنند.

تامین کنندگان می توانند کالاهای خازن را بر اساس کاربرد خاص با استفاده از پروفایل های وظیفه ارزیابی و پیشنهاد دهند. این به جلوگیری از استفاده از موارد خازن بیش از حد مشخص و پرهزینه کمک می کند.

طول عمر بیشتر با عملیات خنک شده تضمین می شود

مساحت سطح هیت سینک را می توان افزایش داد تا اتلاف گرما را افزایش داده و در نتیجه طول عمر خازن را افزایش دهد. به عنوان مثال، خنک کننده فعال با فن یا آب می تواند پراکندگی گرما را بهبود بخشد. هنگام تعیین عمر قابل استفاده اجزاء و تأیید آنها، کاربران ممکن است این نوع مفهوم خنک کننده را در نظر بگیرند.

اتصال واحد خنک کننده به خازن آن هم یک نقش کلیدی دارد.

اغلب کارآمدتر است که عنصر خنک کننده را مستقیماً به قطعه متصل کنید تا اینکه آن را در طرف دیگر تخته قرار دهید. از آنجایی که خازن به طور همزمان گرما را از طریق پین های خود تابش می کند و جذب می کند، سلول های اطراف آن نیز باید در نظر گرفته شوند، به خصوص اگر نیمه هادی های قدرت یا سایر اجزای تولید کننده گرما در نزدیکی آن قرار گیرند. اگر داده های تجربی در مورد دمای اتصال، جریان، ولتاژ و فرکانس در دسترس باشد، این ورودی گرما را می توان در پیش بینی های طول عمر در نظر گرفت.

مقاومت حرارتی کاربر هنگام استفاده از خمیر حرارتی یا پدهای حرارتی اهمیت دارد. هر چه راندمان خنک کننده بهتر باشد، این مقدار کمتر است. در صورت نیاز به عایق الکتریکی عنصر خنک کننده، خمیر حرارتی عایق یا بهتر است یک پد لحیم کاری مناسب یا یک خمیر حرارتی عایق انتخاب کنید.

اگر مشتری بخواهد محاسبات یا شبیه سازی های خود را انجام دهد، تامین کننده یک مدل مقاومت حرارتی ارائه می دهد که از هسته خازن (عنصر سیم پیچ) تا پایه ها و بسته بندی گسترش می یابد.

اگر اتلاف گرما به طور کامل شناخته شده باشد و همچنین مقاومت حرارتی از پوشش بالایی یا PCB به عنصر خنک کننده، می توان تلفات حرارتی یا تامین حرارت بیشتر را تعیین کرد. تأمین‌کننده ممکن است پس از تأیید اتلاف حرارت بالقوه، جریان موج دار طرح برد بالاتر را اجازه دهد، اما تنها در صورتی که بارگذاری مکانیکی خازن‌ها از تجاوز از حداکثر جریان موج دار جلوگیری کند.

شکل 6: تصویر یک مدار معادل حرارتی یک خازن را مشاهده می کنید

جمع بندی

توصیه می شود از معادله آرنیوس برای بدست آوردن مقادیر راهنمای شروع هنگام انتخاب موارد خازن استفاده شود. طول عمر خازن الکترولیت انتخاب شده در برنامه ممکن است دقیقاً با استفاده از مشخصات وظیفه محاسبه شود، که همچنین مقدار خود گرمایشی را که توسط جریان موج دار ایجاد می شود، محاسبه می کند. برای استفاده حداکثری از خازن ها، کاربر باید استراتژی های خنک کننده بالقوه را بررسی کند و در مرحله توسعه با توزیع کننده یا تامین کننده کار کند.

رسام یکی از بهترین شرکت های الکترونیکی ایران است که می توانید قطعات الکترونیکی کمیاب موردنیاز خود مانند انواع ترانزیستور؛ انواع سلف و … را از آنها بخواهید.