Co stało się z kondensatorami elektrolitycznymi w XXI wieku?

Czasami widzimy, że dziesięcioletnie kondensatory (takie jak te wyprodukowane w ZSRR) nadal działają. Są większe i cięższe , ale trwałe i nie wysuszają. Nowoczesne aluminiowe kondensatory służą przez około 11 lat, jeśli masz szczęście, a następnie wyschną i po cichu zawiodą. Pamiętam urządzenia z początku 2000 roku, w których kondensatory uległy awarii po 3-4 latach użytkowania, i niekoniecznie urządzenia niskiej jakości (jednym z przykładów jest modem kablowy E-TECH ICE-200 o wartości ∼ 240 USD w 2000 roku). Naprawa z powodu awarii kondensatorów elektrolitycznych stała się czymś powszechnym, czymś nietypowym na lata 80.

Czy ta degradacja w latach 90. spowodowana była tanią masową produkcją? Lub przez źle przetestowane technologie związane z miniaturyzacją? A może wielu producentów to po prostu nie obchodziło?

Wygląda na to, że trend jest już odwrócony, a najnowsze kondensatory są nieco lepsze niż te z lat 1994–2002. Czy eksperci mogą to potwierdzić?

Był czas, kiedy wiele kondensatorów zostało wyprodukowanych z niejasnym elektrolitem, szczególnie przez niektórych dużych tajwańskich producentów. Kondensatory wyglądały OK w szerokiej gamie testów, gdy były nowe, ale nie starzały się dobrze. Ponieważ upłynęło kilka lat, zanim kondensatory uległy awarii, a ich wysoki wskaźnik awaryjności stał się znany, wyprodukowano okropną ich liczbę i wbudowano w nie, zanim ludzie zdali sobie sprawę z problemu. Potem minęło jeszcze kilka lat, zanim rzeczy opuściły obieg.

Dokładnie, dlaczego ci producenci mieli problemy z elektrolitami, nie jest całkowicie jasne. Używali nowych elektrolitów na bazie wody, które zostały opracowane w Japonii i działały bardzo dobrze. Przypuszczalnie tańsi producenci coś przeoczyli lub skrócili kilka kątów podczas reprodukcji (lub zerwania) japońskich badań.

Rodzaj kondensatora, którego dotyczy problem, był tani, o dużej pojemności, o niskim ESR. Są to rzeczy, które pojawiają się w ogromnej liczbie urządzeń konsumenckich, więc problem stał się znany szerszej społeczności. Ponadto trybem awarii tych kondensatorów było pęknięcie i odpowietrzenie, więc nawet osobom niezaznajomionym z elektroniką łatwo było sprawdzić, który komponent jest uszkodzony, gdy ich płyta główna przestała działać.

Wikipedia ma artykuł na ten temat: Plaga kondensatorów

Szpiegostwo przemysłowe poszło nie tak. Zweryfikowano wiele lat po fakcie.

Chociaż podejrzewano to od samego początku. (Artykuł dzięki uprzejmości The Wayback Machine , ponieważ oryginał zniknął z sieci.)

Podstawowa historia: Guy opuszcza japońskiego producenta kondensatorów Rubycon i idzie do pracy w firmie w Chinach, zabierając ze sobą kopię formuły elektrolitowej do aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych o wysokiej wydajności.

Później część jego chińskiego personelu odchodzi i idzie do pracy dla producenta kondensatorów na Tajwanie. Zabrali również kopię formuły Rubycon, ale zniekształcili ją gdzieś po drodze.

Tak więc producent z Tajwanu buduje to, co uważa za wartościowe, wysokiej jakości nakrętki produkowane przy użyciu formuły Rubycon. Sprzedaje je w dobrej cenie, ale tańszej niż Rubycon i obiecuje tę samą jakość.

Mnóstwo firm kupuje i instaluje te czapki, a potem wszystko zaczyna się nie udać.

W latach 70. obliczenia Mil-Std-HDBK217 dla MTBF obejmowały współczynnik przyspieszenia odwrotny do obwodu ESR. To implikowało prądy udarowe i wzrost termiczny, które z kolei następują po oddziaływaniu Arhennius na zlokalizowaną degradację. Odgazowanie jest podstawowym wczesnym ostrzeżeniem z wypukłą pokrywą.

Przypomnijmy również, że rozwój SMPS wzrastał, ponieważ presja kosztów materiałowych wymagała niższych kosztów i niższych części ESR. Oznacza to ignorowanie naturalnych trybów awaryjnych obwodu ESR w celu uzyskania przetwornic o wysokiej wydajności.

Tak więc tendencja do coraz większej liczby awarii czapek SMPS wynika częściowo z tego, że projektanci ignorują efekty starzenia się ESR i nieodłączne zjawiska termiczne, gdy następuje samozagrzewanie.

To prawda, że ​​elektrolityka nowej technologii uległa poprawie, a także wykończenie powierzchni przewodnika w celu obniżenia ESR w folii. Rosnące koszty w tantalu z takich miejsc jak Rosja zmusiły firmy do przejścia na elektrolitykę aluminium.

MTBF należy oceniać indywidualnie dla każdego przypadku, jeśli podstawową przyczyną było:

• zły projekt,
• złe części,
• zły proces (brak topnika czystego lub Aqua Clean z kwaśnymi pozostałościami lub nadmiar skoku termicznego na profilu przepływu, itp.).

Modem wysokiej klasy nie sprawdza, czy używał wysokiej jakości kwalifikowanych części z weryfikacją MTBF wykonaną wewnętrznie, a może po prostu zaufał dostawcy.

Zasadniczo najlepszy kondensator MTBF pochodzi od firm w Japonii, na Tajwanie i w Chinach, co stanowi odległe 3 miejsce ze względu na niezawodność kontroli jakości i staranność weryfikacji kontroli procesu wymaganą dla części o długiej żywotności. Zanieczyszczenie materiałowe jest główną przyczyną wytwarzania nasadek.

**** Największa poprawa w przypadku elektrolitów aluminiowych polega na tym, że stała czasowa ładowania / rozładowania T = ESR x C zmniejszyła się do takiego samego lub lepszego poziomu jak tantal w niskiej klasie ESR, w niektórych przypadkach, ale nie we wszystkich. Musisz obliczyć to następnym razem, gdy wybierzesz limit, który musi być niski ESR i porównaj 10 części z 1 @ 10-krotnością wartości dla dużego Cap mostu. Jeśli jest mniejszy, istnieje szansa, że ​​uzyskasz niższą ESR i wyższą SRF lub jeśli w tym samym rozmiarze napięcia i rodziny tylko ta sama stała T.
Ultra niskie ESR Caps. są teraz <1 ~ 20us, podczas gdy ogólne są od 100us do> 1ms. ****

Główne powody to:

• Plaga kondensatorów w latach 1999–2002 - próba odtworzenia skradzionej formuły Rubycon Inc. na elektrolit, która poszła nie tak.
• W przeciwnym razie zmieniający się skład elektrolitu; więcej H ₂ O (przydatne do uzyskania niższego ESR) czyni go bardziej korozyjnym.
• Optymalizacja kosztów dzięki coraz większej masowej produkcji elektroniki.
• Błędy w projekcie, procesie lub niskiej jakości materiałach; zła kontrola jakości.

Jednym z powodów może być obwód związany z kondensatorami, a nie same kondensatory. Do (około) 1980 r. Większość zasilaczy działała na częstotliwości sieciowej (50 lub 60 Hz), wykorzystując duży kondensator filtrujący za mostkiem diodowym oraz liniowy regulator końcowy, wykorzystując nieco więcej kondensatorów głównie prądu stałego, z jedynie centrum handlowym Komponent AC. Niewielkie problemy spowodowane prądem RMS w kondensatorach i (bardzo) niska ESR nie stanowiły dużego problemu, ponieważ nawet przy wysokiej rezystancji wewnętrznej kondensatory same się nie nagrzewały.

Później zasilacze impulsowe (i regulatory końcowe, w tym obniżające napięcie konwertery punktu obciążenia) stały się coraz bardziej popularne i nakładały znacznie większy prąd RMS na stosowane przez nich kondensatory. Dlatego właściwy wybór kondensatorów stał się coraz ważniejszy, a niemądre decyzje projektowe miały większe znaczenie. Ponadto dzięki miniaturyzacji więcej komponentów kończy się w mniejszych obudowach, co sprawia, że ​​rozpraszanie ciepła jest bardziej krytyczne. Im mniejsze urządzenie zbudujesz, tym trudniej będzie oddzielić gorące komponenty od kondensatorów wrażliwych na ciepło. Mały kondensator (10 mm) 10 µF / 16 V o mocy 2000 h / 105 ° C obok dużego radiatora? Zły pomysł. Duży kondensator (o średnicy 25 mm) 47 µF / 400 V o mocy 5000 h / 105 ° C umieszczony w chłodnym miejscu zasilacza? Może nawet nie stanie się zauważalnym problemem.

Przez pewien czas obwody mogły wymagać więcej niż to, co może nadążyć za postępem w technologii kondensatorów. Projektanci mogli nie zdawać sobie sprawy ze znaczenia ocen I _RMS i wewnętrznego ogrzewania. Dodaj stałą presję, aby zaoszczędzić grosze na dowolnym elemencie, weź pod uwagę fakt, że kondensatory są zwykle droższymi komponentami, wyciągnij wniosek, że dzięki temu czapki są obszarem zainteresowania, jeśli chodzi o liczenie groszów, i masz dobre wytłumaczenie.

Tak więc, szczerze mówiąc, to nie tylko czapki, ale także ogólny projekt i zastosowanie czapek w coraz bardziej wymagających obwodach.

To powiedziawszy, od lat z radością korzystam z niektórych urządzeń z komercyjnymi zasilaczami przełączającymi, a także wymieniłem sporą liczbę kondensatorów (datowanych na przykład pod koniec lat 70. XX wieku, na przykład na wysokiej jakości szpulę do szpul magnetofony szpulowe lub urządzenia testujące i pomiarowe).

Potem kondensatory ceramiczne nadrabiają zaległości. Przed około 2005 r. 22 µF przy 25 V w pakiecie SMD 1206 były rzadkie. Dzisiaj możesz ich używać zamiast czapek elektrolitycznych lub rodzajów tantalu, a nawet nie wydawać więcej pieniędzy. Umożliwia to podejmowanie bardzo dobrych ogólnych decyzji projektowych: Unikaj czapek tantalu (ponieważ są one bardzo wrażliwe na skoki prądu lub napięcia, nawet bardzo małe. Używaj czapek elektrycznych tylko wtedy, gdy potrzebujesz dużej pojemności i gdy możesz wybrać duży puszki, które zazwyczaj mają znacznie dłuższą żywotność. Weź wszystko na dobre ceramiczne kapsle.

Kondensatory różnią się gwałtownie w trybach awaryjnych ze względu na starzenie się i w rzeczywistości nie jest prawdą, że starsze konstrukcje zawsze były lepsze.

Ludzie, którzy naprawiają zabytkowe urządzenia, prawie zawsze wymieniają niektóre kondensatory, nawet ich nie testując, i upewniają się, że testują inne tylko dla pewności.

Na przykład stare prostokąty woskowe są bardzo toksycznym składowiskiem odpadów, gdy otwierasz stary wzmacniacz. Starzeją się znacznie poza specyfiką. Nie wspominając o tym, że ten sam sprzęt zakładał pewną jakość napięcia sieciowego, która zmieniała się przez dziesięciolecia, co spowoduje, że Twój sygnał mocy lub wysokiego napięcia lub nakrętki odsprzęgające będą znacznie przekraczać wartości znamionowe, nawet jeśli są nowe.

Ale, jak zauważyli inni, jest to skomplikowana sprawa. Materiały, produkcja i rynki bardzo się zmieniły, co miało wpływ na całą branżę. Ogólnie rzecz biorąc, nowoczesne kondensatory w określonej cenie za wiele tysięcy są znacznie lepsze niż te same urządzenia z przeszłości.

Moje jedyne referencje to kanały YouTube, takie jak Mr. Carlson's Lab, jak widać na pasku bocznym SE.EE!