Immagina di selezionare il condensatore di massa per un alimentatore industriale da 48 V. Il rail a stato stazionario misura 52 V e i transitori di fase di carico arrivano fino a 58 V. Un condensatore da 63 V sembra abbastanza vicino, una parte da 75 V sembra più sicura ed entrambi sono molto al di sotto della tensione di rottura effettiva del condensatore. La questione progettuale, quindi, non è se il componente possa sopravvivere a 58 V. Quasi certamente può farlo. La vera domanda è quanta affidabilità a lungo termine sei disposto a scambiare per quell’apparente margine.
La tensione di rottura in un condensatore elettrolitico è la tensione alla quale il dielettrico di ossido di alluminio smette di comportarsi come isolante e inizia a condurre. È un limite fisico fissato dallo spessore dello strato di ossido cresciuto sulla lamina anodica. Ogni valore di tensione stampato sul condensatore, inclusa la tensione nominale, la sovratensione e la tensione transitoria, esiste per mantenere il dielettrico in modo sicuro al di sotto di tale limite. Questo articolo spiega come viene stabilito tale limite, cosa succede quando viene superato e come selezionare una tensione nominale con il margine destro.
Cos'è la tensione di rottura in un condensatore elettrolitico?
I condensatori elettrolitici in alluminio immagazzinano la carica in un sottile strato di ossido di alluminio (Al2O3) formato elettrochimicamente sulla superficie della lamina anodica incisa. Durante il processo di formatura, l'ossido cresce fino a raggiungere uno spessore proporzionale alla tensione di formatura applicata, a una velocità compresa tra circa 1,2 e 1,5 nanometri per volt. Un condensatore con una tensione nominale di 100 V porta quindi uno strato di ossido compreso tra 120 e 150 nm e tale spessore è il fattore principale che determina la tensione di rottura del dielettrico.
Quando viene applicata una tensione continua diretta, lo strato di ossido deve tenere lontano il campo elettrico tra l'anodo e l'elettrolita. Se la tensione aumenta abbastanza, il campo supera la rigidità dielettrica dell'ossido. Gli elettroni iniziano a creare tunnel attraverso difetti microscopici, la corrente di dispersione aumenta bruscamente e ne consegue un riscaldamento localizzato. In un condensatore ad elettrolita liquido bagnato, il calore può decomporre l'elettrolita e generare gas. In un condensatore polimerico solido, la stessa sovratensione produce più spesso un forte cortocircuito.
Poiché lo spessore dell'ossido viene fissato al termine della produzione, la tensione di rottura di un condensatore finito è una proprietà fisica, non un valore che cambia con la temperatura o l'ondulazione. I rating pubblicati vengono scelti con un margine deliberatamente inferiore.
Tensione nominale, tensione di picco e tensione di guasto: come si collegano
La tensione nominale è la tensione CC continua massima che il condensatore è progettato per gestire alla temperatura nominale rispettando tutte le specifiche di durata, ondulazione e dispersione. La sovratensione è una sovratensione non ripetitiva che il condensatore può tollerare per un breve periodo ed è definita individualmente per ciascuna serie. Entrambi sono posizionati ben al di sotto del limite di rottura dielettrica.
| Parametro | Significato | Relazione con la tensione di rottura |
|---|---|---|
| Tensione nominale (CC) | Massima tensione CC continua alla temperatura nominale per la quale il condensatore soddisfa le specifiche di durata e ondulazione | Tipicamente dal 60 all'80% della tensione di rottura |
| Sovratensione | Massima sovratensione non ripetitiva alla quale il condensatore può sopravvivere per una durata breve e definita | Tra la tensione nominale e la tensione di rottura |
| Tensione transitoria | Picco di tensione di breve durata che il condensatore potrebbe riscontrare durante la commutazione, le fasi di carico o gli eventi di sistema | Sopra la tensione nominale ma ancora sotto la tensione di rottura |
| Tensione di rottura | Tensione alla quale il dielettrico in ossido di alluminio perde le sue proprietà isolanti e conduce corrente | Il limite fisico stesso |
Per un tipico condensatore elettrolitico in alluminio, la tensione nominale è compresa tra il 60 e l'80% della tensione di rottura. Una parte con tensione nominale di 63 V, ad esempio, potrebbe non guastarsi fino a circa 85-100 V. Questo margine interno è ciò che consente al condensatore di sopravvivere a test di sovratensione, picchi di tensione e brevi eventi di sovratensione senza guasti immediati. Non dovrebbe essere trattato come una valutazione utilizzabile.
Cosa succede quando viene superata la tensione di rottura?
Il funzionamento al di sopra della tensione nominale ma al di sotto del limite di guasto non è immediatamente fatale, ma è dannoso. La corrente di dispersione aumenta, lo strato di ossido subisce un aumento dello stress di campo e l'elettrolita viene consumato più velocemente. Le escursioni ripetute vicino al punto di rottura riducono gradualmente la capacità e aumentano la VES, che in una parte con elettrolita liquido si traduce in una perdita di vita misurabile.
Il superamento della tensione di rottura è un evento diverso. Il punto più debole dell'ossido trasporta una corrente crescente e la temperatura localizzata provoca un'ulteriore rottura. Nei condensatori elettrolitici in alluminio umido, un piccolo difetto può autoripararsi, poiché il calore rigenera l'ossido nel sito danneggiato. Con una maggiore energia disponibile, la generazione di gas apre lo sfiato della pressione e il condensatore viene distrutto. I condensatori polimerici solidi non hanno quasi alcuna capacità di autoriparazione in questa modalità e il loro guasto è tipicamente un cortocircuito interno.
La polarità inversa deve essere trattata come una condizione di guasto separata. Lo strato di ossido chiave esiste solo sull'anodo, quindi una tensione inversa attacca il sottile ossido sulla lamina catodica. Anche una bassa tensione inversa può distruggere rapidamente quello strato. I condensatori esposti a polarizzazione inversa durante l'accensione o lo spegnimento devono essere specificati come bipolari o protetti dalla progettazione del circuito.
Come selezionare una tensione nominale con il margine destro
Il punto di partenza pratico è la tensione nel caso peggiore che il condensatore vedrà, non la tensione nominale del bus. Aggiungere il picco di qualsiasi ondulazione CA o squillo transitorio al livello CC massimo, quindi applicare un fattore di declassamento. Una regola comune per i condensatori elettrolitici in alluminio è mantenere la tensione massima applicata pari o inferiore all'80% della tensione nominale. Per ambienti transitori severi, molti progettisti puntano al 65-70%.
Ritorniamo all'esempio del bus a 48 V. Con un valore stazionario massimo di 52 V e un transitorio nel caso peggiore di 58 V, la regola dell'80% richiede una tensione nominale di almeno 72,5 V. I valori standard più vicini sono 75 V e 80 V, quindi un condensatore da 75 V diventa la scelta ingegneristica, mentre un componente da 63 V elimina il transitorio solo dell'8%. Il costo della scelta più sicura è rappresentato dalle dimensioni fisiche, poiché una tensione nominale più elevata implica un ossido più spesso e, a parità di capacità, un contenitore più grande.
- Misura o simula la tensione di picco nel caso peggiore ai terminali del condensatore, inclusa la tolleranza CC, l'ondulazione, i gradini di carico e il superamento dell'avvio.
- Moltiplicare quel picco per il fattore di declassamento utilizzato nel target di affidabilità, solitamente 1,2 o superiore.
- Selezionare la tensione nominale standard più vicina sopra il risultato.
- Confermare che la tensione di picco nominale della parte scelta elimini anche il picco transitorio peggiore.
Parti radiali per bus DC board-level
I condensatori a conduttore radiale sono comuni nei bus CC a livello di scheda e li abbiamo esaminati come la tensione nominale dei condensatori elettrolitici radiali influisce sull'affidabilità del circuito in un articolo separato. Nel formato radiale, la serie di condensatori radiali a lunga durata e ad altissima tensione CD11H è progettato per sollecitazioni CC prolungate in posizioni di media e alta tensione.
CD11H Condensatore elettrolitico radiale in alluminio ad altissima tensione e lunga durata Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. è un fornitore cinese di condensatori elettrolitici radiali in alluminio a lunga durata CD11H ad altissima tensione... Visualizza il prodotto → Parti a scatto per stadi compatti ad alta potenza
A livelli di potenza più elevati, subentrano i condensatori snap-in. Quando uno stadio raddrizzatore o inverter necessita di un'elevata capacità in un pacchetto compatto montato su scheda, una parte come la serie di condensatori snap-in a lunga durata e ad altissima tensione a bassa dispersione CD297 offre un'elevata tensione nominale mantenendo bassa la corrente di dispersione.
CD297 C elettrolitico in alluminio a scatto ad altissima tensione, a bassa dispersione e a lunga durata Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. è un'azienda cinese all'ingrosso CD297 ad altissima tensione, bassa perdita, cappuccio elettrolitico in alluminio a scatto a lunga durata... Visualizza il prodotto → Cosa significa questo per il tuo design
La tensione di rottura è un concetto utile per comprendere il motivo per cui i condensatori si guastano, ma non è un parametro di progettazione. Progettare con la tensione nominale, rispettare il limite di sovratensione e mantenere un margine di declassamento che corrisponda alla gravità transitoria del circuito. Un condensatore utilizzato al 60-80% della sua tensione nominale soddisferà la sua durata di vita; uno operato al limite della sua valutazione potrebbe non farlo. La scelta di una classe di tensione più elevata e l'accettazione delle dimensioni del case associato rappresentano solitamente un piccolo prezzo per prestazioni prevedibili.
Per i convertitori industriali che funzionano a tensioni di linea molto elevate e con corrente di ripple significativa, la costruzione con terminale a vite è spesso il formato pratico. La serie di condensatori con terminale a vite ad alta temperatura e alta tensione CD136 , ad esempio, è costruito per il funzionamento continuo a temperature ambiente elevate, il che aiuta a preservare la tensione e i limiti di durata specificati dal produttore.
CD136 Elettrolitico in alluminio resistente all'alta tensione e alle alte temperature Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. è un marchio elettrolitico in alluminio terminale resistente all'alta tensione e alle alte temperature CD136 all'ingrosso in Cina ... Visualizza il prodotto → Prima di finalizzare un codice prodotto, misurare o simulare la tensione di picco nel caso peggiore ai terminali del condensatore, inclusi ondulazione, gradini di carico e superamento dell'avvio. Se il picco rientra nel 20% della tensione nominale, passare alla classe di tensione successiva. La tua stima della durata e le tue revisioni di affidabilità saranno entrambe più salutari per questo.
