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Elektrolytkondensator-Grundlagen

Das 1 x 1 für Entwickler

21. September 2016, 9:42 Uhr | Von Dr. Arne Albertsen

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Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Zuverlässigkeit - das Leistungsmerkmal schlechthin

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 T_A 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.

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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.