Los capacitores híbridos electrolíticos y poliméricos tienen casi el mismo diseño: consisten en un lado del cátodo y un lado del ánodo, y ambos están hechos de película de aluminio. La película del ánodo se oxida para formar una capa de óxido de aluminio, que forma el dieléctrico. Las dos películas se enrollan utilizando un papel aislante para formar el elemento enrollado (P1, P2).
P1
P2. Diseño básico de condensadores electrolíticos y poliméricos.
La diferencia entre los dos condensadores es el material utilizado en el proceso de llenado, que es de donde proviene el nombre: los condensadores electrolíticos se llenan con un electrolito, mientras que los condensadores híbridos de polímero utilizan un electrolito polimérico o una combinación de polímeros sólidos y líquidos.
Ambos condensadores ofrecen muchas ventajas, como tamaño pequeño pero alto valor de capacitancia, bajo costo e idoneidad para una amplia gama de diseños, como SMD, THT o diseños a presión.
Los condensadores híbridos de polímero tienen una mayor capacidad de corriente de ondulación que los condensadores electrolíticos, así como una menor resistencia interna a bajas temperaturas y una capacitancia más estable a altas frecuencias. La desventaja de ambas tecnologías de condensadores es su vida útil limitada. Durante el funcionamiento, el electrolito o polímero líquido se contraerá (P3).
P3. El electrolito o polímero líquido se difunde durante el funcionamiento, lo que acorta la vida útil del condensador.
La ecuación de Arrhenius puede estimar aproximadamente la vida útil del capacitor.
El factor más importante que afecta la vida útil de los condensadores electrolíticos e híbridos de polímero es la temperatura central del condensador, que aumenta con la temperatura ambiente y el nivel de corriente de ondulación aplicada. Además, el estrés mecánico debido a la alta corriente de ondulación puede dañar la capa de óxido, lo que da como resultado un efecto de autorreparación que consume electrolito adicional. La autorreparación es la capacidad de los condensadores electrolíticos y los condensadores híbridos de polímero para restaurar la capa de óxido a través de una reacción química entre el electrolito y el aluminio. La contracción del electrolito también puede provocar el deterioro de parámetros eléctricos como la capacitancia y parámetros como la resistencia en serie equivalente (ESR) y el factor de pérdida.
El final de la vida suele ser la etapa en la que no se cumplen los parámetros de la hoja de datos (generalmente el aumento en la pérdida de capacitancia y el porcentaje del factor de pérdida).
Al identificar productos de capacitores que cumplen con los parámetros eléctricos durante la operación objetivo del producto final, el usuario puede usar la ecuación de Arrhenius para una evaluación inicial. Como se muestra en P4, la vida útil como función del coeficiente de difusión es en gran medida análoga a la ecuación de Arrhenius. Por lo tanto, como regla general, se puede expresar de la siguiente manera: una reducción de 50 grados F (10 grados ) en la temperatura de funcionamiento duplica la vida útil.
P4. Tanto la ecuación de Arrhenius como el método empírico muestran que una disminución en la temperatura de operación de 50 grados F (10 C)
duplica la vida útil del condensador, proporcionando resultados casi consistentes
La ecuación de Arrhenius proporciona solo una guía aproximada, ya que no tiene en cuenta el efecto significativo de la corriente de ondulación en el efecto de autocalentamiento.
Para obtener un valor preciso para el cálculo de la vida útil, se recomienda que el usuario trabaje con el proveedor de condensadores adecuado. Este cálculo requiere que el cliente proporcione un perfil de tareas que detalle las horas de funcionamiento reales en el rango de temperatura relevante.
P5. El perfil de tarea de muestra muestra qué parámetros necesita el proveedor para calcular con precisión la vida útil
Cada proveedor utiliza un cálculo independiente para sus propios productos, que incluye perfiles de temperatura y cargas de corriente de ondulación. Por lo tanto, los proveedores pueden utilizar los perfiles de tareas proporcionados por el cliente para realizar cálculos detallados de la vida útil.
Esto también evita el uso de capacitores sobreespecificados y más costosos.
Aumentar el área de superficie del disipador de calor es una buena manera de mejorar la disipación de calor y, por lo tanto, prolongar la vida útil del capacitor. Por ejemplo, la refrigeración activa mediante el uso de ventiladores o agua puede garantizar una mejor disipación del calor. Los usuarios pueden considerar este tipo de concepto de refrigeración al verificar los componentes y calcular la vida útil.
La conexión del elemento de refrigeración al condensador también juega un papel clave.
Conectar el elemento de refrigeración directamente al componente suele ser más eficaz que colocarlo en el otro lado de la placa. Además, se debe considerar la unidad periférica del capacitor, ya que irradia y absorbe calor simultáneamente a través de los pines, especialmente si se instalan cerca semiconductores de potencia u otros componentes generadores de calor. Si se dispone de datos empíricos (p. ej., temperatura, corriente, voltaje y frecuencia en estado activo), esta entrada de calor se puede incorporar al cálculo de la vida útil.
Si el usuario utiliza pastas o almohadillas termoconductoras, su resistencia térmica es el factor decisivo. Cuanto menor sea el valor, mayor será la eficiencia térmica. Si es necesario aislar eléctricamente el elemento de refrigeración, se debe seleccionar una pasta térmica aislante o una almohadilla de soldadura adecuada.
Si el usuario desea realizar sus propios cálculos o simulaciones, se pueden obtener del proveedor modelos de resistencia térmica desde el núcleo del capacitor (elemento de devanado) hasta las patas y el paquete.
Si la disipación de calor y la resistencia térmica desde la cubierta superior o PCB hasta el elemento de enfriamiento se comprenden completamente, se puede deducir una disipación o suministro de calor adicional. Una vez que se verifique la posible disipación de calor, el proveedor puede permitir el uso de corrientes de ondulación más altas para el diseño del tablero, siempre que no se exceda la corriente de ondulación máxima especificada por el proveedor, ya que esto impondría una carga mecánica en el condensador.
P6. Diagrama de circuito equivalente térmico de condensador
Al seleccionar un producto de capacitor, se recomienda usar la ecuación de Arrhenius para determinar los valores de guía iniciales. Mediante el uso del perfil de tareas, se puede calcular con precisión la vida útil del condensador seleccionado para la aplicación, que también tiene en cuenta el grado de autocalentamiento causado por la corriente de ondulación. Para maximizar la vida útil del condensador, el usuario debe investigar posibles conceptos de refrigeración e involucrar al proveedor o distribuidor durante la fase de desarrollo.