Надежность электролитических конденсаторов с учетом реальных условий эксплуатации РЭА - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

1076
Надежность электролитических конденсаторов с учетом реальных условий эксплуатации РЭА

Надежность электролитических конденсаторов с учетом реальных условий эксплуатации РЭА

Владимир Рентюк, г. Запорожье

 

(Окончание. Начало см. Эл 11/2019)

 

В публикации [1] были рассмотрены вопросы преодоления наступающего кризиса в поставках многослойных керамических конденсаторов. В качестве замены их применения в DC/DC-преобразователях предложено более широкое использование в той или иной комбинации миниатюрных алюминиевых электролитических конденсаторов.

 

Условия эксплуатации

И как уже отмечалось, крайне важно учитывать условия эксплуатации, а именно – температуру. Здесь требуется уточнение. Частой ошибкой разработчиков является неправильный учет такого параметра как температура окружающей среды. Для элемента «окружающей средой» будет именно та среда, в которой он находится в данной конструкции, а не та среда, в которой эксплуатируется оборудование. Поскольку элемент, а в рассматриваемом случае это электролитический конденсатор, может нагреваться от рядом расположенных элементов (см. рис.6).

Что касается такой важной характеристики, как надежность, то здесь нельзя слепо учитываться указанный в спецификации MTTF, как уже отмечалось, нужно оценивать этот параметр в каждом конкретном применении. Такой подход не есть чем-то новым и необычным. Еще в 1980-х годах Ленинградским ВНИИРПА им. А.С.Попова были проведены работы по повышению надежности бытовой радиоаппаратуры, основной итог которых – введение понятия эксплуатационной наработки на отказ [4]. До этого оценка времени безотказной работы ограничивалась простым учетом ряда коэффициентов нагрузки элементов. В руки разработчиков была дана методика, позволяющая более точно оценить время безотказной работы устройства на этапе проектирования и принять меры по его повышению. Автор статьи принимал участие в этих работах в части уточнения методики и ее внедрении.

В общем случае для получения данных по надежности необходимо использовать справочник армии США «Military Handbook. Reliability Prediction of Electronic Equipment» («Военный справочник. Прогнозирование надежности электронного оборудования»), известный как стандарт MIL-HDBK-217. Он состоит из обширной базы данных по отказам различных компонентов и основан на эмпирическом анализе большого числа эксплуатационных отказов электрооборудования, электронных и электромеханических компонентов, осуществленном Мэрилендским Университетом. Справочник постоянно обновлялся и совершенствовался вплоть до 1995 года, затем его окончательный вариант был назван MIL-HDBK 217 Редакция F с Примечанием 2 [5]. В настоящее время стандарт больше не обновляется, но приведенные в нем данные и методики до сих пор не утратили своей актуальности и используются на практике. Основа данной методики именно эксплуатационная надежность и показатель MTTF должен быть скорректирован на условия применения элементов, в числе которых не только учет температуры и коэффициентов нагрузки, но и условий эксплуатации и класса или типа аппаратуры.

Однако вернемся к нашей проблеме, а именно какой тип конденсатора будет оптимальным для замены MLCC с точки зрения гарантирования надежной работы устройства в течение многих тысяч часов. Для этого мы будем использовать модель DC/DC-преобразователя и расчеты, выполненные ранее в [1].

 

Связь между током пульсаций, нагревом и сроком службы сглаживающих конденсаторов

Как стандартный алюминиевый, так и полимерный алюминиевый электролитический конденсатор при данной температуре рассчитаны на определенное прогнозированное число часов наработки на отказ. Эта температура равна сумме температуры окружающей среды TA (здесь важно что именно среды, окружающей конденсатор, а не изделие в целом, так как конденсатор может греться от рядом стоящих элементов или внутри изделия предусмотрен отвод тепла, таким образом, температура в зоне расположения конденсатора может значительно отличаться от температуры окружающей конечное изделии среды) и добавочной температуры ΔT, которая является следствием генерации тепла пульсирующим током, проходящем через внутреннее сопротивление конденсатора. Отношения между ESR, уровнем тока пульсаций и временем наработки на отказ достаточно просты. Здесь необходимо вспомнить, что зависимость тепловой энергии от силы тока в проводнике определяется по закону Джоуля-Ленца (при прохождении электрического тока по проводнику количество тепла, выделяемого током в проводнике, прямо пропорционально силе тока, взятой во второй степени, величине сопротивления проводника и времени действия тока). Так что, чем выше ESR, тем больше при одном и том же токе на нем выделяется тепла. Если мы не хотим сократить срок службы конденсатора, а, следовательно, и нашего конечного изделия, то должны, – либо уменьшить ток пульсаций, либо использовать, насколько это вообще возможно, конденсаторы, через которые проходит этот ток, с самым минимальным значением ESR.

Для того чтобы спрогнозировать ожидаемы срок службы используемых по входу DC/DC-преобразователя конденсаторов мы используем токи пульсаций, которые были ранее рассчитаны и уточнены по результатам моделирования. Таким образом, мы можем получить уровень повышения температуры в выбранных нами алюминиевых электролитических и полимерных алюминиевых электролитических конденсаторов. Для этого примера положим максимальную температуру окружающей, подчеркиваю, конденсаторы, среды в 40°С. Хотя маловероятно, что наш DC/DC-преобразователь в течение всего времени эксплуатации будет непрерывно работать на своей максимальной мощности, но использование максимальной мощности создает наихудшие условия, которые обеспечивают необходимый для подстраховки технологический запас.

 

Расчет ожидаемого времени наработки на отказ для алюминиевого электролитического конденсатора

Алюминиевый электролитический конденсатор WCAP-ASLI 865080453014 имеет емкостью 330 мкФ, рассчитан на номинальное рабочее напряжение 25 В, среднеквадратичный ток пульсаций 570 мА, имеет ESR 200 мОм и наработку на отказ в 2000 часов при температуре 105°С. Габаритные размеры конденсатора 10.5 мм (высота) на 8 мм (диаметр). Следующие уравнения и таблица позволяют оценить повышение температуры в зависимости от уровня тока пульсаций, а уже затем, путем суммирования, вычисленного повышение температуры относительно температуры окружающей конденсатор среды, мы получим ожидаемую наработку конденсатора на отказ. Итак, сначала мы вычислим общую площадь поверхности конденсатора:

 

Form3

 

Далее, исходя из общей площади поверхности, вычисляем «коэффициент теплового излучения»:

 

Form4

 

Повышение температуры в поверхности корпуса конденсатора (зная ее, при проверке можно будет подтвердить результат расчета тепловизором, инфракрасным термометром или термопарой) можно рассчитывается с использованием коэффициента рассеиваемой мощности и вычисленного выше коэффициента β, ток пульсаций конденсатора берем IC,RMS по результатам моделирования IC,RMS = Irms CIN2=142 мА:

 

Form5

 

Полученное повышение температуры всего 0.83?C крайне незначительное, это связано с использованием конденсатора, допустимый пульсирующий ток которого почти в 4 раз больше, реального пульсирующего тока по входу преобразователя. Однако, есть много случаев, когда этот тщательный подход может оказаться весьма полезным, поскольку конденсаторы достаточно часто используется близко к пределам их максимально допустимых рабочих режимов.

Далее нам необходимо определить температура внутри (в центре) конденсатора, которая рассчитывается с использованием безразмерного коэффициента α, который дает возможность перейти от температуры корпуса конденсатора к его внутренней температуре. Используемый для пересчета коэффициент α является функцией от диаметра корпуса и может быть взят из приведенной ниже табл.1.

Пересчет температуры корпуса конденсатора WCAP-ASLI 865080453014 к температуре его внутреннего тела дает нам приращение температуры равное:

 

Form6

 

И наконец, повышение внутренней температуры конденсатора, которое может произойти в том случае, если через него будет проходить максимальный ток пульсации, равно:

 

Form7

 

На следующем этапе вычисляются два относительных температурные фактора А и А0 - для фактического тока пульсаций и номинального допустимого тока пульсации, соответственно:

 

Form8

 

Form9

 

Наконец, используем уравнение, которое в соответствии с классическим уравнением Аррениуса (мы уже говорили, устанавливает зависимость константы скорости химической реакции от температуры) дает нам ожидаемую наработку на отказ конденсатора в условиях заданной температуры окружающей среды и повышение его собственной внутренней температуры:

 

Form10

 

Практический максимальный срок службы для алюминиевых электролитических конденсаторов составляет около 15 лет, или 131 тыс. часов, так что любой результат для tLIFE больше, чем это значение, следует считать за 15 лет. В этом примере с использованием конденсатора WCAP-ASLI 865080453014 можно ожидать, что в данных условиях эксплуатации выбранный нами алюминиевый электролитический конденсатор будет нормально функционировать в течение не менее десяти лет.

Расчет ожидаемого времени наработки на отказ для полимерного алюминиевого электролитического конденсатора

 

Полимерный алюминиевый электролитический конденсатор WCAP-PSLC 875075355001 имеет емкостью 180 мкФ, рассчитан на номинальное рабочее напряжение 16 В, среднеквадратичный ток пульсаций 4.7 А, имеет ESR 10 мОм и наработку на отказ в 2000 часов при температуре 105°С. Габаритные размеры конденсатора 11.7 мм (высота) на 8 мм (диаметр). Эти конденсаторы отличаются тем, что их срок службы увеличивается в 10 раз при уменьшении их реальной температуры на каждый 20?C относительно их максимальной рабочей температуры. Таким образом, мы можем использовать этот фактор. Для этого нам необходимо найти сумму двух температур: температуры окружающей среды и внутренней температурю такого конденсатора TJ. Как и в первом случае вычислим площадь поверхности конденсатора:

 

Form11

 

Далее, исходя из общей площади поверхности, вычисляем «коэффициент теплового излучения»:

 

Form12 ошибка в формуле

 

 

Повышение температуры корпуса рассчитывается, как и в предыдущем примере, здесь ток пульсаций конденсатора IC,RMS берем равным половине от полученного в результате уточняющего моделирования Irms CIN2, так как у нас используется два конденсатора, соответственно ток перераспределен между ними). Итак, IC,RMS =0.5Irms CIN2=1.89 А:

 

Form13

 

Теперь снова воспользуемся табл.1 и вычислим приращение внутренней температуры полимерного конденсатора. Согласно табл.1 для выбранного конденсатора коэффициент α равен 1, следовательно:

 

Form14

 

На этом этапе вычисления отличаются от тех, что мы использовали для обычного алюминиевого электролитического конденсатора. Здесь повышение температуры в 5.1°С добавляют к температуре окружающей среды 40°С и модифицированное выражение для определения наработки на отказ будет выглядеть так:

 

Form15

 

Как и в случае с алюминиевыми электролитическими конденсаторами, любые результаты, превышающие 15 лет, следует принимать равными 15 лет. В заключение отметим, что и в этом примере с использованием конденсатора WCAP-PSLC 875075355001 можно ожидать, что в данных условиях эксплуатации выбранный нами полимерный алюминиевый электролитический конденсатор будет, не хуже заменяемых им дефицитных MLCC, функционировать в течение не менее десяти лет.

Однако, не забываем, что это касается одного элемента, а когда таких элементов десятки и в изделии еще пол сотни других элементов? Тут вы уже должны использовать методики определения надежности изделия в целом и исходя из вычисленного времени наработки на отказ выти на определение времени работы изделия с заданной вами приемлемой вероятностью. Параметры liи MTTF=Ti, взаимосвязаны Ti=1/li. , так что li=1/ Ti = 1/tLIFE. Что касается вероятности отказа, то она рассчитывается, исходя из принятого распределения, чаще всего используют экспоненциальное. Но это тема требует отдельного рассмотрения и в цели данной статьи не входит. Поставленную задачу мы решили – рекомендуемая замена остродефицитных MLCC надежность изделия не ухудшит, а учитывая меньшее число паек и более высокую стойкость к термоударам и механическим воздействиям, то даже наоборот.

Что дает представленная методика? Она дает в руки инженера-разработчика инструмент, позволяющий в конечном итоге оценить не только надежность своего будущего изделия на ранних этапах проектирования (еще этапе НИИОКР) в реальных условиях эксплуатации входящих в него электролитических конденсаторов, но и избежать убытков заказчика от реализации изделий при замене в них ранее используемых MLCC. Причем не только от недостаточной надежности, а и от избыточной.

 

Избыточная надежность

Здесь я поясню. Что требовала советская школа от инженера-разработчика? Одно из основных требований было повышение и повышение надежности, причем с взаимоисключающим требование по уменьшению себестоимости. А что реально требуют современные рыночные условия? Позвольте высказать крамольное утверждение. Рыночные условия требуют обеспечения той надежности, которая является целесообразной и не более.

Что имеется ввиду? Естественно, что для некоторых групп изделий, таких как военная, аэрокосмическая техника, медицинское оборудование для поддержания жизни, оборудование для систем коммуникации действительно требуются высокие показатели надежности. От этого оборудования зависит жизнь людей. Здесь определение наработки на отказ является важным фактором для определения времени проведения регламентных работ, замены частей или изделий, в целом, не дожидаясь их отказа. А что требуется для рынка изделий широкого применения, которым свойственна быстрая смена поколений?

Здесь затраты на максимальное повышение надежности не то что не оправданы, они просто недопустимы, так как приводят не только к увеличению прямых затрат, но и к упущению экономической выгоды. Мало того, что применение элементов с повышенной надежностью приведет к удорожанию изделию и, следовательно, к снижению его конкурентоспособности, но еще и к упущению выгоды из-за сокращения продаж новых изделий на его замену. Или вы хотите, чтобы ваши изделия пополнили миллионы непроданных телевизоров и мобильных телефонов накопившихся на складах компаний-произуводителей?

Есть в украинском языке часто используемая заимствованная польская пословица «Що занадто то не здраво», аналогичная идиоме «переборщить». Это касается и переизбытка надежности для аппаратуры широкого применения. Современный, умеющий считать деньги, заказчик должен требовать от разработчика обеспечить не максимальную, а именно заданную разумную надежность изделия при его проектировании и исходя из этого планировать объемы выпуска изделий, их продажу, гарантийное и в ряде случаев послегарантийное обслуживание. Вот здесь методика определения срока службы элементов, и становится незаменимой, а грамотный специалист легко сделает переход от показателей надежность компонентов к характеристикам надежности изделия в целом.

Действительно, нет смысла в недорогие устройства с коротким жизненным циклом ставить сверхнадежные и, как следствие, сверхдорогие конденсаторы. Скорость смены поколений аппаратуры сейчас высока как никогда и большинство изделий электроники, максимум через три-пять лет, окажутся на свалке, так как будут заменены потребителями на изделия нового поколения. Пример этому огромные скопившиеся, несмотря на все маркетинговые ухищрения, запасы морально устаревших, и потому не распроданных, телевизоров, позиционированных как «HD ready», компьютеров, ноутбуков и мобильных телефонов.

Вот почему, например, на материнских палатах компьютеров широкого применения уже не встретишь ниобиевые конденсаторы, так широко применяемые в этих устройствах еще 15 лет назад. А вот доля применения алюминиевых конденсаторов, несмотря на их более низкую надежность, повышается, особенно учитывая дефицит керамических и танталовых конденсаторов.

 

Литература:

1. Рентюк В. Проблем дефицита многослойных керамических конденсаторов и ее возможные решения. // Электрик. – 2019. – №7-8 и №9.

2. Рентюк В. «RoHS, RoHS 2, China RoHS, Super-RoHS; продолжение следует?» // Электрик . – 2014 – №1-2.

3. Dr. Albertsen A. Electrolytic Capacitor Lifetime Estimation. 012-10-30 Jianghai Europe Electronic Components GmbH.

4. Справочный материал НИР «Надежность-84» ВНИИРПА им. А.С. Попова: Руководитель Дементьев В.В., № Гос.рег.У97903, Ленинград, 1984г.

5. Military Handbook Reliability Prediction of Electronic Equipment MIL-HDBK-217F.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus