Конденсаторы: срок службы, надежность и материал

Даже сейчас далеко не каждое устройство можно назвать 100% надежным, несмотря на заверения производителя. Полная защита от случайных негативных воздействий или сбоев – скорее исключения из правил, чем общая практика. А потому способность выдерживать перегрузку без угрозы пользователю или работе комплекса по-прежнему остается одним из важнейших факторов для многих электронных продуктов. Срок службы, как и степень безопасности, готового продукта закладываются уже на этапе выбора компонентов. И ответственный производитель понимает это, как никто.

Например, при выборе конденсаторов такие свойства, как эффективность емкости, стабильность частоты работы, предельная температура и коэффициент эквивалентного последовательного сопротивления часто являются основными факторами, определяющими выбор. Но в каждом из этих случаев, понимание факторов, влияющих на срок службы элемента может помочь инженерам подобрать продукт с наилучшим показателем надежности.

В свою очередь, продолжительный срок службы сам по себе может быть ключевым требованием при выборе конденсаторов и в напрямую влиять на предпочтение, отдаваемое той или иной модели.

Конденсаторы, инициирующие такие процессы как умный отслеживание и управление точностью работы материалов и компонентов, автоматически поднимают уровень защищенности систем, в которые включены, или устройств, в состав которых входят. Они также позволяют при проектировании сократить число элементов, входящих в одну схему, уменьшить размер и стоимость готового продукта без ущерба его работоспособности.

Пленочная технолония

Пленочные конденсаторы, изготовленные на основе металлизированной полиэфирной или полипропиленовой слюды, имеют самый продолжительный срок службы. Устойчивость к высокому току и перепадам температур делают эти устройства идеальными для автомобильной электроники и предохранителей в осветительном оборудовании. А способность пленочной технологии к самовосстановлению помогает преодолеть последствия слабых повреждений диэлектрика, которые в других условиях могли бы привести к сбоям или короткому замыканию.

С другой стороны, чем чаще пленочному конденсатору требуется восстанавливать целостность диэлектрика, тем ощутимее сокращается его рабочая емкость, тем выше значение эквивалентного последовательного сопротивления. К конечном счете это сказывается и на сроке службы устройства. Решить проблему можно лишь используя конденсаторы из высококачественных материалов, эффективность работы диэлектрика в которых настолько высока, что покрывает неизбежные потери во время восстановление дефектов.  

Для систем с альтернативным источником питания, где низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления  автоматически равно снижению энергопотерь, срок эксплуатации таких конденсатора может достигать нескольких десятилетий, даже в условиях работы при температуре 70 ° С или выше.

Алюминиевая технология

Алюминиевые конденсаторы присутствуют на рынке в таком многообразии конструкций, что, пожалуй, среди их линеек можно найти детали с самыми разными сроками службы. Конденсаторы с жидкостным электролитом, например, весьма точны и износостойки, однако, постоянное окисление электролита приводит к постепенному снижению эффективности устройства. К тому же, для поддержания нормального рабочего цикла здесь требуется постоянный приток воздуха к электролиту для образования диэлектрика. Это делает алюминиевые конденсаторы с жидким диэлектриком очень зависимыми от даты производства и срока годности.

Правда, при диаметре от 30 мм или более, в алюминиевых конденсаторах как правило, используется уже нейтральный, а не кислый электролит. Срок жизни у них может колебаться от двух до четырех лет при сохранении внешне благоприятных условий. Эти цифры, конечно, неточны. Конечное значение напрямую зависит от состава конкретного электролита, используемого в той или иной линейке.

Твердые "полимерно-алюминиевые" или "органические полимерные" конденсаторы в свою очередь очень отличаются в сроках службы.

В их составе нет электролита. Вместо этого катод изготавливается из твердого вещества – проводящего полимера. Он значительно повышает жизнестойкость компонента, если рекомендуемые для его эксплуатации условия, соблюдаются достаточно точно. Многие полимерно-органические модели могут служить столько же, сколько и другие твердотельные конденсаторы.

В некоторых технических описаниях данного вида устройств, оценивающих их с точки зрения рабочих свойств, таких как емкость, коэффициент эквивалентного последовательного сопротивления, тип корпуса, называется цифра в 1000 часов. Важно понимать, что 1000 часов в данном случае – не срок службы конденсатора. Это скорее выносливость, устойчивость к испытаниям, полученная в результате ускоренного тестирования.

Керамическая технология

Керамические конденсаторы коммерческого образца – сплавные по природе своей. Типичным материалом для электрода в них является никель. Переход на него, совпавший с постепенным отказом от использования драгоценных металлов позволил повысить устойчивость системы в перегрузкам. Популярные составы диэлектрической керамики, такие как X7R и  X5R, основаны на титанате бария с добавлением диоксида марганца и никелесодержащими соединениями, предотвращающими снижение диэлектрических свойств в процессе обжига. В итоге, чем лучше состав диэлектрика в конденсаторе, тем выше его надежность и срок службы.

Танталовая технология

Конденсаторы, диэлектрик которых изготовлен из тантала, имеют исключительно долгий срок службы. Будучи полностью твердыми эти компоненты практически не изнашиваются механически.

Наиболее распространенной ошибкой при использовании устройств на основе тантала являются так называемая "включенность". Она встречается там, где присутствует пошаговое повышение напряжения и конденсатор может принять излишний начальный ток. В результате перегрузки, наложившейся на сбой или изначальный дефект диэлектрика, конденсатор может полностью выйти из строя, буду не в состоянии восстановить полученные повреждения.

На этом фоне особенно выгодно смотрятся полимерно-танталовые конденсаторы, способные к самовосстановлению, и более устойчивые к ошибкам подобного рода. Исследования показали, что срок службы элемента накопления в них может достигать сотен или даже тысяч лет. Чего, однако, не скажешь о других материалах, составляющих конструкцию конденсатора. Таких, как, например, эпоксидные смолы.

Производители конденсаторов, такие как Murata, AVX и подобные им, как правило, имеют жесточайшие системы отбора и проверки танталовых конденсаторов. Это позволяет еще на этапе производства отсеять все потенциально слабые устройства, не способные выдержать нужное напряжение, силу тока и их колебания в пределах расчетных требований.

Тем не менее, не стоит забывать, что любые экстренные и стрессовые ситуации, перепады и скачки напряжения отражаются на работе конденсаторов. Повлиять на них могут также неправильные условия пайки, нарушающие коэффициент теплового расширения материалов, входящих в состав устройства. А также отношение номинального напряжения устройства в отношении к приложенному напряжению. По этой причине, большинство последних разработок в области полимерно-танталовых конденсаторов сводятся к попыткам получить модели, выдерживающие напряжение от 63V и выше.

< к списку новостей