如何计算电解电容常规使用的寿命
作为电子科技类产品的重要部件电解电容,在开关电源中起着不可或缺的作用,它的常规使用的寿命和工作状况与开关电源的寿命息息相关。
在大量的生产实践与理论探讨中,当开关电源中电容发生损坏,特别是电解电容冒顶,电解液外溢时,电源厂家怀疑电容质量有问题,而电容厂家说电源设计不当,双方争执不下。
以下就电解电容的常规使用的寿命和使用安全作些分析,给电子工程师提供一些判断依据。
阿列纽斯方程是用来描述化学物质反应速率随温度变化关系的经验公式。电解电容内部是由金属铝等和电解液等化学物质组成的,所以电解电容的寿命与阿列纽斯方程密切相关。
根据阿列纽斯方程可知,温度上升,化学反应速率(寿命消耗)增大,一般来说,环境和温度每升高10℃,化学反应速率(K 值) 将增大2-10 倍,即电容工作时候的温度每升高10℃,电容寿命减小一倍,电容工作时候的温度每下降10℃,其寿命增加一倍,所以,环境和温度是影响电解电容寿命的重要因素。
当电解电容工作时候的温度在最高使用温度工作时(即T0=T)时,由公式(1)计算得到电解电容最小常规使用的寿命为L=L0×20=L0即等于额定寿命,比如 8000小时,8000/8760=0.9年。
电容承担的负载功率与纹波电流成正比,负载越大,纹波电流越大(电解充放电越深),内部氧化膜分解时发热越厉害,修补时电解液消耗越多。见图1
纹波电流越大引起的发热越大,所以纹波电流引起的发热在电解电容寿命计算中要考虑。
达到热平衡时容器中心温度T0 和环境和温度T 的温升由散热方式(空气散热、容器散热)和耗散功率PD 决定,用热阻来描述,热阻(Thermal Resistance)Rq ,单位(℃/W):
因为实际电路中,纹波电流包含有各种频率波形的纹波电流,所以对实际电路纹波电流的计算应该由合成纹波电流Irms 得到:
电解电容的行业规定,在额定温度T0下,加上允许额定纹波电流I 产生的最大发热△t5 deg℃
由上面例子计算可知,纹波电流对电解电容寿命的影响是非常大的,电路工程师在设计使用电解电容时,不但要考虑电容工作的环境和温度,还应该要考虑电路纹波电流对电解电容寿命带来的影响,尽可能的延长电解电容的常规使用的寿命。
电路呈容性或强感性会影响到三极管等安全切换,使晶体管损耗加重,发热增大,并在电解电容上叠加有很高的单尖锋纹波电流,充放电纹波电流变窄变高,最后使电解电容严重发热直至损坏,表现为冒顶﹑冒汽﹑漏液或爆炸。
尽量选择质量好的电解电容,密封性能好的电容,切不可使用寿命减半的拆件电解电容。给电解电容一个安全的工作环境,合理的设计,才是解决电解电容冒顶﹑冒汽﹑漏液以延长寿命的解决之道。
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