Влияние различных материалов на срок службы конденсаторов и возможности его увеличения

Несмотря на то, что не все системы относятся к категории критически-важных, надёжность работы электронных компонентов является важным фактором. Принятие правильных решений при выборе компонентов может гарантировать корректную работу целевого устройства в течение заявленного срока эксплуатации.

Конденсаторы с диэлектриком типа X5R и X7R на основе титаната бария

При выборе конденсаторов основными факторами принятия решения является анализ таких параметров как удельная ёмкость, частотная стабильность, температурный номинал и эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС). В данном случае, понимание механизмов, влияющих на срок эксплуатации, позволяет инженерам гарантировать надёжную работу устройства. С другой стороны, возможность длительного срока эксплуатации может стать ключевым требованием для конечного продукта, а это влияет на выбор компонентов.

Конденсаторы, выполненные с применением металлизированного полиэфира либо полипропиленовой плёнки, известны благодаря своему длительному сроку эксплуатации. Возможность выдерживать высокое напряжение и высокую температуру позволяет применять данные компоненты в схемах автомобильной электроники, в то время как способность самовосстановления ведёт к исключению негативных эффектов примесей в диэлектрике, способных привести к условиям КЗ. Однако восстановление ведёт к уменьшению доступной ёмкости и повышению ЭПС. Это, в свою очередь, влияет на срок эксплуатации компонента. Использование высококачественных материалов и современных техпроцессов производства диэлектрика может минимизировать дефекты и уменьшить долю самовосстановления.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют различную конструкцию с разным сроком эксплуатации. Например, конденсаторы с жидким электролитом имеют хорошо изученный и понятный механизм износа. Электролит – это кислотная среда, которая со временем ухудшает характеристики диэлектрика. Однако электролит также является и переносчиком кислорода, который необходим для восстановления диэлектрика. Вот почему так важен срок складского хранения подобных конденсаторов.

Интересным моментом является то, что алюминиевые конденсаторы с диаметром 30 мм и более, как правило, имеют менее кислотную среду. Поэтому складское хранение может составлять от 2 до 4 лет. Данные показатели, безусловно, могут варьироваться в зависимости от используемого электролита.

Твердотельные конденсаторы из алюминиевого или органического полимера имеют широкий разброс по сроку эксплуатации. Вместо электролита в них применяется катод из проводящих полимеров. Это ведёт к весьма большому сроку эксплуатации, сравнимому с данным показателем у других твердотельных конденсаторов. В некоторых даташитах надёжность данных типов конденсаторов описывается по таким характеристикам, как изменение ёмкости, ЭПС и геометрии корпуса спустя 1000 часов работы. Важно отметить, что временной промежуток в 1000 часов не отражает реальный срок эксплуатации конденсатора.

Если рассматривать керамические конденсаторы коммерческого назначения, то в них система электрода основана на металле (BME), обычно в качестве него выступает никель. По сравнению с более ранними конденсаторами с электродами на основе драгоценных металлов, компоненты типа BME выдерживают большее напряжение. Популярные диэлектрики типа X7R и X5R сегодня выполнятся на основе титаната бария с примесями диоксида магния, который предотвращает уменьшение диэлектрика во время процесса обжига, входящего в производственный цикл конденсатора. Улучшение состава диэлектрика значительно повысило надёжность и срок службы керамических конденсаторов.

Конденсаторы с диэлектриком из тантала обладают сверхдолгим сроком службы. Это полностью твердотельные компоненты без изнашивающихся элементов. Самой известной проблемой таких конденсаторов является так называемый дефект включения («turn-on»), который может случиться при приложении ступенчатого напряжения и возможности компонента получить большой изначальный ток. Диэлектрик не может восстановиться, и конденсатор выходит из строя.

Твердотельные конденсаторы (полимер, тантал) известны своей самовосстанавливающейся способностью. Исследования показали, что срок эксплуатации таких компонентов может составлять сотни и даже тысячи лет. Это даже превышает срок службы других элементов конструкции данных конденсаторов, например эпоксидной смолы.

Производители осуществляют мониторинг качества танталовых конденсаторов, выявляя потенциально дефектные компоненты и проводя испытания напряжением/током в определённой последовательности. Однако стоит упомянуть, что надёжность конденсаторов может ухудшаться из-за несовпадения коэффициента температурного расширения различных элементов конструкции. К примеру, пайка волной припоя, а также ряд циклов повторной пайки могут повысить вероятность поломки конденсаторов.

С другой стороны, соотношение номинального напряжения конденсатора и реально приложенного в рабочих условиях значительно влияет на срок службы компонента. По этой причине ранее при разработке танталово-полимерных конденсаторов уделяли большое внимание повышению номинального напряжения компонентов.