Kondensatory elektrolityczne to nie zawsze dobry wybór

115ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2010 Kondensatory elektrolityczne to nie zawsze dobry wybór Zalety kondensatorów foliowych w porównaniu z kondensatorami elektrolitycznymi w obwodzie pośrednim ? Dłuższy czas pracy ? Wyższa odporność na temperaturę ? Większa obciążalność prądowa i wyższe napięcia robocze ? Lepsze właściwości w funkcji częstotliwości ? Samoregeneracja ? Mniejszy ciężar i mniejsza objętość ? Niższe koszty dla aplikacji powyżej 450 V Graficzne porównanie podstawowych parametrów kondensatorów foliowych i elektrolitycznych pokazano na rysunku 1. Kondensatory elektrolityczne mają tę cechę, że ich pojemność zależy od częstotliwości. Maleje ona z jej wzrostem, podczas gdy ob- ciążalność prądowa kondensatora wzrasta. Decydującym kryterium wyboru jest wyma- gana wytrzymałość prądowa (prąd tętnień), a drugim trwałość. Starzejąc się w dłuższym okresie czasu, kondensatory elektrolityczne nie funkcjonują całkiem źle ? raczej zmie- niają się ich właściwości, zwłaszcza na sku- tek wzrostu wartości rezystancji szeregowej ESR, współczynnika strat i impedancji oraz zmniejszania się pojemności. Oblicza się zatem, że czas ich eksploatacji kończy się Kondensatory elektrolityczne to nie zawsze dobry wybór Projektując przetwornicę impulsową, konstruktor zazwyczaj skupia się na doborze przede wszystkim półprzewodników mocy i  mikrokontrolerów do układu sterowania. Jednak aby miała ona dużą sprawność i  była niezawodna, to trzeba też starannie dobrać podzespoły bierne. Dużą rolę w  obwodach mocy odgrywają kondensatory. Muszą być odporne na wysoką temperaturę, wytrzymywać duże impulsy prądowe i  prądy tętnień. Na przykładzie przetwornicy DC-DC, pokazano sposób doboru kondensatorów do tej aplikacji. Rysunek 1. Graficzne porównanie pod- stawowych parametrów kondensatorów foliowych i elektrolitycznych i pełnionej przez nie funkcji. Oznacza to, że przy wybieraniu podzespołów coraz częściej zadaje się pytanie o ich technologię. Jest tak również w  przypadku obwodów pośredni- czących w konwerterach, w których można wybierać pomiędzy kondensatorami elektro- litycznymi i foliowymi. Wymagania stawiane kondensatorom są różnorodne. Powinny one mieć małą rezy- stancję i niewielką indukcyjność, a także być odporne na prądy o dużym natężeniu i prądy wysokiej częstotliwości. Ponadto wymagane są: duża rezystancja izolacji, duża pojemność, sta- bilność termiczna i elektryczna. Efektem nie- spełnienia tych wymagań jest niska sprawność. Na pierwszy rzut oka najbardziej efektywne z punktu widzenia kosztów wydają się konden- satory elektrolityczne, ale czy na pewno? Aby uzyskać wymaganą sprawność i  trwałość, w  coraz większym stopniu do- biera się podzespoły do określonej aplikacji NOTATNIK KONSTRUKTORA 116 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2010 NOTATNIK KONSTRUKTORA Należy dodać, że kondensatory foliowe są bardziej odporne na temperaturę i  mają większą obciążalnością prądową. Ich napię- cie znamionowe zawiera się w  przedziale 300...6000  V, a  napięcie szczytowe jest od 1,2 do 1,6 razy większe od napięcia znamio- nowego. Dla porównania, kondensator elek- trolityczny ma napięcie znamionowe równe maksymalnie 500 VDC i napięcie szczytowe 1,15...1,3 razy większe od napięcia znamio- nowego. Również zachowanie się konden- satorów foliowych w  funkcji częstotliwości jest wyraźnie lepsze. Mają one zdolność do samoregeneracji, która czyni je mniej wrażli- wymi na impulsy przepięciowe i powoduje, że kondensator nie przestaje nagle pracować prawidłowo ? raczej tylko zmniejsza się wol- no jego pojemność. Istotną cechą kondensa- torów foliowych są ich bardzo małe induk- cyjności rzędu kilku nH. Kondensatory fo- liowe mają też znacznie lepsze właściwości pod względem rezystancji szeregowej ESR. Jeśli np. w  aplikacji trzeba użyć kondensa- tora o pojemności 500 mF, pracującego przy napięciu 700  VDC i  częstotliwości 10  kHz, to wymagany kondensator foliowy będzie miał ESR wynoszącą około 2,5 MV. W tych samych warunkach należałoby użyć dwóch kondensatorów elektrolitycznych o  ESR wynoszącej ok. 120 MV. Stosunek wartości ESR kondensatorów foliowych i  elektroli- tycznych wynosi więc aż 1:50! Inne czynniki przemawiające za stosowaniem kondensa- torów foliowych to: mniejszy współczynnik strat dielektrycznych i  mniejsza zależność pojemności od częstotliwości, co jest decy- dującym kryterium, jeśli chodzi o prądy za- kłóceń wielkiej częstotliwości. Tabela 1. Porównanie kondensatorów elektrolitycznych i  foliowych w  opisywanej aplikacji inwertera Warunki techniczne aplikacji Źródło zasilania 3-fazowe Częstotliwość 50 Hz Napięcie DC 1000 V Maksymalne dopuszczalne napięcie tętnień 100 V Minimalna pojem- ność 500 F Prąd tętnień (kon- densatora) 30 A Częstotliwość sprzęgu DC 300 Hz Temperatura oto- czenia 75°C Porównanie Elektrolityczne Foliowe Pojemność 1500 uF 250 uF Napięcie 400 V 1100 V Średnica 63 mm 85 mm Długość 105 mm 140 mm Objętość 0,32 l 0,79 l Maks. prąd tęt- nień/kondensator 12,2 A 30 A Liczba kondensa- torów w  szeregu 3 1 Liczba gałęzi 3 2 Prąd tętnień/gałąź 10 A 15 A Liczba kondensa- torów 9 2 Łączna objętość 2,94 l 1,59 l Łączna pojemność 1500 uF 500 uF Napięcie tętnień 33 V 100 V w większość przypadków wraz ze spadkiem wartości pojemności C o  20%, przy czym rezerwę pojemności kondensatorów elek- trolitycznych ocenia się na sięgającą +30%. Dlatego często wymaga się większych warto- ści pojemności niż wartości, które wynikają z założonych parametrów przetwornicy. Napięcie znamionowe kondensatorów elektrolitycznych wynosi maksymalnie 500 VDC, więc aby mogły one pracować przy wyższym napięciu, należy łączyć szeregowo dwa lub więcej kondensatorów. Z  opisanych wyżej właściwości kon- densatorów elektrolitycznych wynika, że nie zawsze są one najlepszym wyborem do zastosowania w  obwodzie pośrednim - sprzęgającym. Szczególnie przy rosnących wymaganiach odnośnie do temperatury pracy, tętnień i napięcia przebicia. W takich warunkach nie zapewniają one wymagane- go czasu funkcjonowania przetwornicy. Tu właśnie mogą mieć pewną przewagę kon- densatory foliowe. W  pomiarach i  testach wykazały one trwałość około 100000 godzin, podczas gdy obliczona trwałość kondensato- rów elektrolitycznych zawiera się pomiędzy 2000...100000 godzin. Liczba godzin pracy, którą osiąga w  rzeczywistości kondensator elektrolityczny, zależy przede wszystkim od temperatury otoczenia. 117ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2010 Kondensatory elektrolityczne to nie zawsze dobry wybór Tabela 2. Porównanie parametrów kondensatorów elektrolitycznych i  foliowych Kondensatory foliowe Kondensatory elektrolityczne Pojemność 0,1  mF do 300  F; zakres stan- dardowy 1,0 mF do 4700 mF 100  pF do 8800 m; zakres standardowy 1,0  nF do 4,7  mF Napięcie znamionowe 300...6000 VDC do 500 VDC Napięcie szczytowe 1,2...1,6×napięcie znamionowe 1,15...1,3×napięcie znamionowe Trwałość >100000 godzin 2000...100000 godzin (zależnie od temperatury) Temperatura pracy ?55°C do +175°C; standardo- wo ?40°C do +105°C ?55°C do +125°C; standardo- wo ?55°C do +100°C Gęstość energii 0,16 J/cm? 0,8 J/cm? Indukcyjność Rzędu 5 nH 5...10 nH Stosunek objętości 1 1/5 Stosunek ESR 1 50 Polaryzacja Nie Tak Tętnienia 40 1 Koniec czasu pracy Wartość pojemności ? 2% Wartość pojemności ? 20% (czasami ?30%) Właściowści zalety: ? duża pojemność ? niska cena ? duża obciążalność przy niskich częstotliwościach ? duża różnorodność typów wady: ? duże straty mocy ? mała rezystancja izolacji ? ograniczona trwałość ? konieczność zachowania polaryzacji zalety: ? bardzo niskie straty ? duża odporność na udary ? zdolność samoregeneracji (k.metalizowane) ? duża częstotliwość rezonan- sowa ? mały współczynnik tempera- turowy ? duża trwałość wady: ? stosunkowo duże wymiary ? zjawisko koronowe przy wy- sokim napięciu przemiennym ? utrata pojemności w  wyniku samoregeneracji Różnicę pomiędzy kondensatorami elektrolitycznymi a  foliowymi można zilu- strować posługując się następującym przy- kładem. W  inwerterze 3-fazowym (50  Hz, 1000  V napięcia stałego, maksymalne na- pięcie tętnień 100 V, minimalna pojemność 500 mF, prąd tętnień 50 A, 300 Hz, tempera- tura otoczenia 75°C) należy użyć aż 9 kon- densatorów elektrolitycznych (3 równoległe gałęzie po 3 połączone szeregowo) o  obję- tości 2,95 litra. W tej samej aplikacji są po- trzebne tylko 2 kondensatory foliowe o obję- tości 1,58  litra. Na dodatek zachowają one swoje właściwości przez wiele lat. Te korzyści mają jednak swoją cenę: koszt zakupu dwóch kondensatorów folio- wych jest znacznie wyższy niż zakupu dzie- więciu kondensatorów elektrolitycznych. Z  drugiej strony, jeśli uwzględnić koszty całkowite, to rozwiązanie z kondensatorami foliowymi jest tańsze. udzielenie jednej, odnoszącej się do wszyst- kich przypadków odpowiedzi, które roz- wiązanie jest najlepsze. W  takim przypad- ku zazwyczaj najlepiej jest zasięgnąć rady dystrybutora, który nie faworyzuje żadnego producenta. Jürgen Geier inżynier wsparcia klienta ds. kondensatorów w Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH Kondensatory elektrolityczne pracujące w  określonych warunkach osiągają suma- ryczny czas pracy około 100000 godzin, co odpowiada w przybliżeniu 10 latom. W tym przypadku trzeba jednak zwrócić uwagę na to, czy informacja producenta dotycząca trwałości jest podana dla takich warunków, w których kondensator jest obciążony mak- symalnymi tętnieniami. Tylko w przypadku, gdy obciążenie jest odpowiednio mniejsze, trwałość wzrasta i ma zastosowanie równa- nie Arrheniusa (dla każdego spadku tempe- ratury o 10?C trwałość wzrasta dwukrotnie). Decyzję o tym, czy jest to wystarczające do zastosowania w  danym inwerterze, należy podejmować indywidualnie dla każdego przypadku. Zwykle ma jednak zastosowanie nastę- pująca reguła: im większe wymagania doty- czące prądu, temperatury, napięcia i  czasu pracy, to lepiej jest stosować kondensatory foliowe. Na rynek wprowadzono szeroką gamę obu typów kondensatorów. Na przykład firmy Kemet, Panasonic i  Rubycon oferują kondensatory elektrolityczne o dużej nieza- wodności. Standardowe kondensatory elek- trolityczne są produkowane np. przez firmy Samwha, Yageo i Jamicon. W segmencie kon- densatorów foliowych produkty wysokiej jakości oferują Kemet, Vishay, Wima i AVX. Różnorodność produktów często utrudnia podjęcie decyzji i  jest prawie niemożliwe