Вопросы надежности и срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов при нормальном напряжении.
Часть 3

Все статьи цикла

Для обеспечения высокой надежности и продолжительной работы алюминиевые электролитические конденсаторы применяются при правильной полярности приложенного напряжения без превышения его номинальной величины. В этих условиях отказы алюминиевых электролитических конденсаторов обычно носят параметрический, а не катастрофический характер. Упрощенная последовательная схема замещения алюминиевого электролитического конденсатора на переменном токе показана на рис. 1. Здесь электрическая емкость С является целевым параметром, а эквивалентное последовательное сопротивление R (иногда обозначаемое ESR) и индуктивность L характеризуют неидеальность алюминиевого электролитического конденсатора как элемента электрической цепи. Сопротивление R отражает всю сумму активных потерь, имеющихся в конденсаторе. В основном это потери в электролите от протекания переменного тока и потери в диэлектрике при приложении переменного напряжения. Отношение полной активной мощности (потерь) на переменном токе частотой f к реактивной мощности характеризуется тангенсом угла потерь tgδ, или, в англоязычной документации, фактором потерь D. F.: tgδ = D. F. = 2×π×f×R×C.

Рис. 1. Упрощенная последовательная схема замещения конденсатора на переменном токе

Типичная зависимость tgδ от частоты в актуальном для алюминиевых электролитических конденсаторов диапазоне частот показана на рис. 2. Вблизи нижней границы рабочего диапазона частот потери в электролите и в диэлектрике имеют примерно одинаковые значения. По мере роста частоты при заданной величине переменного тока уменьшается реактивная мощность, а также снижаются потери в диэлектрике. Соответственно, вклад потерь в электролите в суммарную величину tgδ увеличивается и фактор потерь растет почти пропорционально частоте. Нормирование tgδ обычно производят на удвоенной частоте питающей сети — 100 или чаще 120 Гц. Если же нормируют эквивалентное последовательное сопротивление R, то делают это как на низкой частоте (120 Гц), так и на высокой, вплоть до 100 кГц. Номинальную емкость контролируют на частоте 120 Гц при температуре 20 или 25 °C, допустимый начальный разброс обычно составляет ±20%. При определении величины R через tgδ следует учитывать допуск на номинальную емкость конденсатора. На постоянном токе неидеальность алюминиевых электролитических конденсаторов проявляется в наличии тока утечки I_ут. Паразитная индуктивность L практически не изменяется в течение срока службы, а ток утечки, как правило, имеет некоторую тенденцию к уменьшению или остается приблизительно постоянным. Наиболее характерными неисправностями являются значительные потери емкости и увеличение tgδ, обусловленные изменением состава и частичной потерей электролита [1]. Эти параметры алюминиевых электролитических конденсаторов деградируют приблизительно линейно с течением времени, возможно, с некоторым ускорением данных процессов в конце срока службы (вследствие проявления целого клубка цепочек положительных обратных связей процессов, происходящих в них) [1].

Рис. 2. Типичная зависимость фактора потерь алюминиевого электролитического конденсатора от частоты

Данные о надежности и возможном сроке службы алюминиевых электролитических конденсаторов при конкретных условиях работы определяются при проведении соответствующих испытаний больших партий однотипных устройств. Тестируемые конденсаторы помещаются в термостат, поддерживающий заданную температуру окружающей среды (воздуха). Как правило, испытания выполняются при максимально допустимой температуре для данного типа алюминиевых электролитических конденсаторов. На приборы подается стабильное постоянное (обычно номинальное) напряжение правильной полярности, а в некоторых случаях дополнительно пропускается переменный ток синусоидальной формы с заданными амплитудой и частотой. При этом переменная составляющая напряжения на конденсаторе должна быть меньше постоянной (чтобы не происходило даже кратковременной переполюсовки), а в сумме они не должны превышать величину номинального напряжения тестируемых конденсаторов. С установленной периодичностью производится контроль текущих значений основных параметров конденсаторов: емкости, тангенса угла потерь и тока утечки. Если эти характеристики выходят за установленные допустимые пределы, а также при обнаружении короткого замыкания или обрыва, фиксируется отказ и конденсатор снимается с испытаний.

Типичная зависимость интенсивности потока отказов от времени проведения испытаний имеет вид, показанный на рис. 3. Под интенсивностью отказов понимается относительное количество компонентов от общей величины тестируемой партии, отказывающих в единицу времени (обычно за 1 ч). Зависимость (рис. 3) имеет три характерных участка. В начале испытаний интенсивность отказов сравнительно велика, но достаточно быстро снижается со временем. Это выходят из строя те экземпляры конденсаторов, которые имели какие-то серьезные дефекты в своей конструкции: происходит приработка конденсаторов. У производителей высококачественных алюминиевых электролитических конденсаторов доля компонентов, отказывающих в период приработки, довольно мала и, самое главное, этот интервал полностью локализован на заводе-изготовителе. А потому ненадежные конденсаторы не попадают к потребителю. После того как потенциально слабые компоненты выявлены и изолированы от основной массы приборов, наступает сравнительно продолжительный период испытаний, характеризующийся весьма малой величиной интенсивности отказов. У производителей качественных алюминиевых электролитических конденсаторов могут быть в нормальных условиях достигнуты значения лучше, чем 1FIT = 10^–9 отказов/ч. С повышением температуры интенсивность отказов увеличивается до уровней приблизительно 12FIT при 40 °C и до 250FIT — при 85 °C. Продолжительность данного (второго) интервала (рис. 3) в условиях максимально допустимой температуры для тестируемых конденсаторов обычно составляет несколько тысяч часов. За это время откажет всего несколько конденсаторов, если на испытания поставлена партия, например, 10 000 шт. Тестирование партии существенно меньшей величины не позволит получить сколько-нибудь достоверные оценки интенсивности отказов и эффективного срока службы. Очевидно, насколько продолжительными и дорогостоящими являются подобные испытания, поэтому нереально их проведение в разнообразных условиях по температуре окружающей среды, приложенному постоянному напряжению и протекающему переменному току. И результаты, полученные при наиболее жестких условиях, приходится экстраполировать на другие возможные режимы. В процессе работы (испытаний) алюминиевых электролитических конденсаторов происходит их постепенный износ, старение, и с некоторого момента времени все большая доля тестируемых конденсаторов, исходно не имевших в своей конструкции каких-либо явных дефектов, достигает состояния, соответствующего одному из критериев отказа. Это связано с переходом к третьему участку зависимости (рис. 3). Интенсивность отказов начинает неуклонно нарастать, что свидетельствует о достижении предельной величины эффективного срока службы для заданных условий применения (испытаний). Для определенности границу между 2‑м и 3‑м участками зависимости (рис. 3) можно провести при заданной доле отказавших конденсаторов, например 0,1, 1 или 7% [2] от величины тестируемой партии. Хотя это не отменяет факта, что большинство конденсаторов может проработать до отказа существенно дольше, а некоторые из них и в несколько раз дольше, чем установленная таким образом величина эффективного срока службы.

Рис. 3. Типичная зависимость интенсивности отказов от времени при испытаниях конденсаторов

Итак, основным параметром надежности алюминиевых электролитических конденсаторов является срок службы в заданных условиях работы, в течение которого конденсаторы практически не отказывают. Дополнительная важная характеристика — интенсивность отказов на большей части интервала срока службы, не превышающая у хороших конденсаторов нескольких сотен FIT при максимально допустимой температуре.

В соответствии с теоретическими предпосылками, следующими из закона Аррениуса, и представлениями об электрохимических процессах, происходящих в алюминиевых электролитических конденсаторах [1], а также с результатами обширных испытаний установлено, что срок службы определяется, главным образом, температурой наиболее нагретой области конденсатора. Для практических целей зависимость срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов от температуры удобно аппроксимировать показательной функцией. Обычно ее формулируют как «закон 10 °С»: при уменьшении температуры на 10 °C срок службы возрастает вдвое. Но это не является бесспорной истиной. Например, специалисты Hitachi AIC полагают, что изменение срока службы конденсаторов вдвое происходит при вариации их температуры всего на 7,5 °C, и это подтверждают фактические данные о сроке службы, зависящие от температуры алюминиевых электролитических конденсаторов, таких известных производителей, как EPCOS, Cornell и ряда других. Все же применение «закона 10 °C» в сторону понижения рабочей температуры относительно максимально допустимой, при которой нормируется срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов, является консервативной оценкой и создает запас надежности, а потому вполне оправдано в инженерной практике. Напрямую «закон 10 °C» применим только в сторону понижения температуры от максимально допустимого значения. Это соответствует увеличению эффективного срока службы по сравнению с нормированной величиной. Конечно, имеется некий интервал температуры выше максимально допустимой величины, в котором характер протекающих электрохимических процессов остается прежним и «закон 10 °C» также применим. Но этот запас необходим для обеспечения надежности конденсаторов, и пользователь не вправе планировать их нагрев выше максимально допустимой температуры. При значительном превышении максимально допустимой температуры алюминиевого электролитического конденсатора характер процессов в нем качественно изменяется, что ведет к быстрому катастрофическому отказу.

Температура внутри конденсатора определяется температурой окружающей среды, интенсивностью саморазогрева переменным током, протекающим через него, и условиями охлаждения. В общем виде основные факторы, определяющие температуру внутри конденсатора и таким образом влияющие на его срок службы, представлены на графических зависимостях допустимой токовой нагрузки от температуры окружающей среды и расчетного срока службы, которые ведущие производители алюминиевых электролитических конденсаторов указывают для своих продуктов. На рис. 4 для иллюстрации показаны такие зависимости для двух серий конденсаторов Hitachi AIC с максимально допустимой температурой окружающей среды 85 и 105 °C соответственно. Как видно на рис. 4, номинальный ток конденсаторов «85 °C» нормирован для получения перегрева 10 °C (максимально допустимая температура внутри конденсатора 95 °C). Соответственно, конденсаторы «105 °C» имеют номинальный перегрев только 5 °C (максимально допустимая температура внутри конденсатора 110 °C). Сравнительно малая величина номинального перегрева этих конденсаторов обусловливает возможность их применения при большой кратности перегрузки по току — до 2,7×I_ном. Конденсаторы с номинальным перегревом 10 °C имеют меньшую допустимую кратность перегрузки (рис. 4). Производители алюминиевых электролитических конденсаторов «второго эшелона» обычно представляют аналогичные зависимости срока службы от температуры окружающей среды и кратности тока нагрузки в аналитическом виде. Причем они консервативно предлагают пользоваться «законом 10 °C» (для сравнения: на рис. 4 действует «закон 7,5 °C») и вводят повышенный штраф за перегрев конденсатора переменным током выше номинальной величины (каждый градус такого перегрева учитывается как 2 °C, а допустимая кратность перегрузки может ограничиваться). Косвенно это свидетельствует о том, что такие изготовители меньше уверены в надежности своих конденсаторов при жестких условиях эксплуатации, чем производители «первого эшелона». Более подробно эти вопросы рассмотрены в [2]. В реальной практике следует учитывать и возможность дополнительного нагрева конденсатора от близкорасположенных горячих компонентов с большим собственным тепловыделением: переизлучением, конвекцией горячего воздуха и теплопроводностью по печатной плате. Нередко именно эти факторы обусловливают резкое сокращение срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов в аппаратуре по сравнению с ожидаемыми величинами.

Рис. 4. Типичные графические зависимости допустимой нагрузки переменным током двух серий высококачественных алюминиевых электролитических конденсаторов от температуры окружающей среды и прогнозируемого ресурса

В реальном применении алюминиевых электролитических конденсаторов их температурный режим крайне редко остается стационарным. Изменения температуры окружающей среды, условий отвода тепла, собственного тепловыделения (не только вследствие вариаций режима загрузки конденсатора переменным током, но и, например, из-за увеличения эквивалентного сопротивления потерь по мере старения), потоков тепла от близкорасположенных компонентов — все это отражается на температуре внутри конденсатора и принципиально отличает условия реального применения от испытаний на срок службы, при которых, наоборот, прилагаются максимальные усилия для поддержания постоянной температуры тестирования. Значительные колебания температуры «горячей области» внутри алюминиевого электролитического конденсатора при его применении в сочетании с экспоненциальной зависимостью скорости старения от температуры («закон 10 °C») вносят сильную неопределенность в эффективный срок службы. Даже короткие интервалы времени работы, на которых температура достигает максимально допустимого уровня, а тем более превышает его, съедают значительную долю ресурса конденсатора (или в худшем случае ведут к катастрофическому отказу). Напротив, на протяжении продолжительных периодов, когда температура значительно ниже максимально допустимой, ресурс почти не расходуется. Опасные повышения температуры внутри конденсаторов обычно становятся следствием неблагоприятного наложения нескольких из вышеуказанных факторов. При этом нужно учитывать и тепловую инерционность конденсатора (порядка нескольких минут, в зависимости от его размера). Особого внимания требуют алюминиевые электролитические конденсаторы, которые планируется использовать при большой загрузке переменным током (в 2–3 раза больше, чем номинальный ток конденсатора). Принципиально подобные режимы допустимы, если конденсаторы эксплуатируются при сравнительно невысоких температурах окружающей среды. Однако надо помнить, что перегрев конденсатора от протекающих токов, который достигает в таком режиме 30–50 °C, напрямую зависит от величины эквивалентного сопротивления потерь. Значение ESR имеет значительный разброс (обычное соотношение наихудшего допустимого ESR и его типовой величины 2:1), поэтому нельзя просто полагать, что если, например, в макетном образце аппаратуры такой алюминиевый электролитический конденсатор ведет себя приемлемо, то не возникнет проблем и при серийном производстве. Возможно, при испытаниях экземпляр конденсатора имел ESR на уровне типовой величины или даже еще меньше, что и обеспечивало приемлемо малую температуру перегрева протекающими переменными токами и в итоге допустимую температуру внутри него. В случае же использования экземпляра конденсатора с большей (но еще допустимой по ТУ) величиной ESR перегрев резко увеличивается и температурный режим становится категорически неприемлемым. Особенно легко не заметить подобной опасности, если режим максимальной нагрузки конденсатора переменным током является не постоянным и случайным образом сочетается с другими факторами, влияющими на температуру внутри конденсатора. При оценке мощности потерь в конденсаторах от протекания переменного тока несинусоидальной формы следует учитывать зависимость ESR от частоты, а также от температуры электролита.

Еще одно важное отличие реального применения алюминиевых электролитических конденсаторов по сравнению с испытаниями на срок службы — возможное несовпадение критериев отказа. При испытаниях используются формальные универсальные критерии отказа в форме снижения емкости и увеличения фактора потерь (ESR), с выходом за установленные граничные значения. Требования того или иного применения конденсатора могут принципиально отличаться от них. В частности, во многих случаях может быть приемлема потеря емкости алюминиевого электролитического конденсатора, значительно большая, чем допускается при его тестировании на срок службы. Приемлемая степень ухудшения ESR обычно зависит от загрузки конденсатора переменным током. Для «не силовых» применений, когда собственный перегрев алюминиевого электролитического конденсатора от реактивной мощности в любом случае составляет лишь доли градуса Цельсия, вполне возможно значительное увеличение фактора потерь без нарушения работоспособности конденсатора и аппаратуры в целом. Напротив, если загрузка конденсатора переменным током и, соответственно, его перегрев достаточно велики, ухудшение tgδ в процессе работы может иметь фатальные последствия. Возникающая цепочка положительной обратной связи: увеличение ESR — рост потерь — рост перегрева и внутренней температуры конденсатора — экспоненциальное ускорение процессов старения — дальнейшее ускоренное увеличение ESR, — способна достаточно быстро привести к катастрофическому отказу конденсатора.

Помимо температуры наиболее горячей области внутри алюминиевого электролитического конденсатора, на его эффективный срок службы влияет и приложенное постоянное напряжение [2]. Наиболее заметно эта зависимость проявляется для высоковольтных конденсаторов с большими размерами корпуса (с заклепочными выводами и выводами «под винт»). Результаты испытаний обычно аппроксимируют степенной зависимостью срока службы от приложенного напряжения (в долях от номинального напряжения алюминиевого электролитического конденсатора), с показателем степени от –5 до –2,5. Полагают, что срок службы увеличивается при уменьшении приложенного напряжения от номинальной величины до 50% номинала. Соответственно, срок службы при этом возрастает в 5,5–30 раз. Считается, что дальнейшее снижение приложенного напряжения, ниже 50% номинального, уже не приводит к дополнительному увеличению эффективного срока службы.