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Elektrolytkondensator-Grundlagen

Das 1 x 1 für Entwickler


Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Zuverlässigkeit - das Leistungsmerkmal schlechthin

Bild 7. Die zeitliche Entwicklung der Ausfallrate lässt sich in drei Blöcke aufteilen.
Bild 7. Die zeitliche Entwicklung der Ausfallrate lässt sich in drei Blöcke aufteilen.
© Jianghai Europe Electronic Components

Der typische Verlauf der zeitlichen Entwicklung in Sachen Zuverlässigkeit von Elektrolytkondensatoren wird durch die sogenannte Badewannenkurve charakterisiert [12]. Die Ausfallrate λ (FIT-Rate) gibt die Anzahl von Ausfällen je Zeiteinheit an. Die entsprechende Maßeinheit FIT (Failures in Time) definiert also die Ausfallwahrscheinlichkeitsdichte, gemessen in 10–9 Ausfällen pro Stunde.

Die Badewannenkurve gemäß Bild 7 hat drei zeitlich aufeinanderfolgende Abschnitte:

  • Frühausfälle mit einer sinkenden FIT-Rate λ
  • Die normale Lebensdauer mit einer konstanten FIT-Rate λ, die das Auftreten von Zufallsausfällen beschreibt
  • Steigende FIT-Raten λ, die aus Verschleiß- bzw. Änderungsausfällen am Ende der Lebensdauer resultieren

Bei der Herstellung von Elektrolytkondensatoren erfolgt durch die Formierung der Kondensatoren im Werk gleichsam eine Voralterung, sodass Frühausfälle in der Anwendung sehr selten sind [5]. Die Größenordnung dieser Feld-Ausfallraten liegt im Bereich 0,5 bis 20 FIT.

Elko-Lebensdauerdiagramm und Lebensdauermodell

Für die weiteren Lebensdauer-Betrachtungen wird vorausgesetzt, dass der Elko stets im Zeitbereich konstanter FIT-Raten und in einem zulässigen Arbeitspunkt betrieben wird. „Zulässige Arbeitspunkte“ sind gekennzeichnet durch eine geeignete Kombination von Spannung, Polarität, Umgebungstemperatur, Ripple-Strom, mechanischer Belastung und „sauberer“ Umgebung (also Abwesenheit von chemisch aggressiven Stoffen in der Nähe des Elko).

Um seinen Kunden Hilfsmittel zur Abschätzung von Elko-Lebensdauern verfügbar zu machen, hat Jianghai Lebensdauerdiagramme und ein Lebensdauermodell entwickelt [2]. Während die wichtigsten Parameter (Temperatur, Ripple-Strom) ins Lebensdauerdiagramm eingehen, berücksichtigt das rechnerische Lebensdauermodell – basierend auf der Arrhenius-Gleichung – die tatsächliche Betriebsspannung als weiteren, die Lebensdauer beeinflussenden Faktor. Bei Vorliegen einer Zwangskühlung finden Korrekturfaktoren Anwendung. 

Beispiel für eine Lebensdauer-­Abschätzung

Für die folgenden Berechnungen wird aus der Jianghai-Snap-in-Baureihe CD_297_BB ein 105-°C-Elko mit Kenndaten wie 390 µF, 400 V sowie 35 × 45 mm² als Abmessungen zugrunde gelegt. Dieser soll bei einer Umgebungstemperatur TA von 55 °C mit einem Ripple-Strom von 2,51 A (RMS) bei 20 kHz betrieben werden. Die Spannung am Elko beträgt 400 V, sodass lediglich Umgebungstemperatur und Ripple-Strom-Belastung in die Lebensdauerbetrachtung eingehen. Die Kühlung erfolgt durch freie Konvektion.

Im Datenblatt sind ein Nenn-Ripple-Strom von 1,27 A (RMS) bei 120 Hz und T0 = 105 °C sowie ein Frequenzkorrekturfaktor von 1,4 für Ripple-Strom-Frequenzen ≥ 10 kHz und Nennspannungen von 315 bis 450 V spezifiziert. Die Lebensdauer im Sinne von „Useful Life“ ist mit L0 = 7000 h angegeben.

Relevante Anbieter

Gleichungen 1 bis 3
Gleichungen 1 bis 3
© Jianghai Europe Electronic Components

Das Verhältnis des tatsächlichen, auf 120 Hz skalierten Ripple zum Nenn-Ripple ist in Gleichung 1 angegeben. Das Ablesen des Lebensdauerfaktors am Schnittpunkt von Betriebs-Ripple/Nenn-Ripple und Umgebungstemperatur gemäß Bild 8 ergibt ungefähr einen Wert von 16. Daraus lässt sich eine geschätzte Lebensdauer „Useful Life“ des Elko in der Applikation gemäß Gleichung 2 ermitteln. Alternativ lässt sich die Lebensdauer auch unter Verwendung des Lebensdauermodells [1] numerisch – also mit Gleichung 3 – herleiten. Das Ergebnis der numerischen Abschätzung entspricht dem der grafischen Lösung unter Verwendung des Lebensdauerdiagramms.

Bild 8. Der Schnittpunkt der Betriebspunktparameter führt zum Lebensdauerfaktor.
Bild 8. Der Schnittpunkt der Betriebspunktparameter führt zum Lebensdauerfaktor.
© Jianghai Europe Electronic Components

  1. Das 1 x 1 für Entwickler
  2. Herstellung von Elkos
  3. Spannungsfestigkeit als Leistungsmerkmal
  4. Äquivalenter Serienwiderstand ESR
  5. Zuverlässigkeit - das Leistungsmerkmal schlechthin
  6. Elkos erfolgreich einsetzen
  7. Literatur

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Jianghai Europe Electronic Components GmbH