در صنعت برق و الکترونیک خازن ها یک عنصر مهم به حساب می آیند؛ خازن یک قطعه الکترونیکی است که برای ذخیرهسازی بار الکتریکی استفاده میشود و از دو صفحه فلزی تشکیل شده است که بهوسیله یک لایه عایق از یکدیگر جدا شدهاند. بار الکتریکی در دو صفحه فلزی خازن ذخیره میشود و ظرفیت خازن به میزان این بار الکتریکی بستگی دارد. برای مثال، در مدارهای فلیپفلاپ، خازن برای ذخیرهسازی اطلاعات استفاده میشود و در مدارهای فیلتر، خازن برای جداسازی سیگنالهای فرکانس بالا و پایین از یکدیگر استفاده میشود.
خازن الکترولیتی (Electrolytic Capacitor) نوعی خازن الکتریکی است که بر پایه اصل الکترولیتی کار میکند. الکترولیتها موادی هستند که قادرند جریان الکتریکی را هدایت کنند. خازن الکترولیتی دارای دو الکترود (مثبت و منفی) و یک لایه الکترولیتی بین آنها است.
در خازن الکترولیتی، یک الکترود از فلزی مثل آلومینیوم ساخته شده و به عنوان الکترود مثبت (Anode) شناخته میشود. الکترولیت در اطراف الکترود مثبت وجود دارد و باعث ایجاد خازن الکترولیتی میشود. الکترود دیگر نیز به عنوان الکترود منفی (Cathode) شناخته میشود و معمولاً از یک لایه اکسید فلزی مانند محصولات منیزیم ساخته میشود.
خازن الکترولیتی به دلیل استفاده از الکترولیتی با خواص الکتریکی خوب، دارای ظرفیت بالا و حجم کوچکی است. این نوع خازنها در برخی از کاربردهای الکترونیکی، مانند منابع تغذیه، مدارات تقویت صوتی و سایر مدارات الکترونیکی با فرکانس پایین و متوسط استفاده میشوند.
تنوع ساخت خازن ها بسیار زیاد بوده و هر نوع خازن با توجه به نوع کارکرد، با تکنولوژی های ابداعی خاص و مواد مخصوصی ساخته می شوند تا نیاز هر نوع مداری را برطرف کنند.
در این مقاله به متغیرها و محاسباتی که طول عمر خازن های الکترولیتی را تعیین میکنند، خواهیم پرداخت:
خازن های الکترولیتی جز قطعات اساسی منابع تغذیه AC-DC هستند. آنها حاصل ضرب ولتاژ در ظرفیت بالا (CV) و مقاومت سری معادل کم (ESR) را در ابعاد کم حجم فراهم می کنند که به جرات میتوان گفت هیچ المان دیگری وجود ندارد که بتواند این کار را با صرفه انجام دهد.
عمر مفید این خازن های الکترولیتی به طور فزایندهای یک پارامتر کلیدی در منابع تغذیه خصوصا منابع تغذیه سوییچینگ است. تقاضای چگالی برق در حال افزایش و خازن های الکترولیتی تنها المانی در منابع تغذیه هستند که فرسوده میشوند. بنابراین، نوع خازن الکترولیتی استفاده شده در طراحی، عمر مفید منبع تغذیه را تعیین میکند. توپولوژی و ریپل جریان اعمال شده، طراحی PCB، طول عمر خازن، ریتینگ درجه حرارت خازن و اثر گرمایش محیط از یک محصول به محصول دیگر متفاوت است. همچنین ممکن است در شرایط ورودی کم و زیاد خط تغییر کنند. اثرات گرمایش خارجی میتواند بیشتر از اثرات گرمایش داخلی موثر باشد، به خصوص در طراحی های فشرده امروزی.
عمر واقعی به افزایش دما بستگی دارد که ممکن است هنگام نصب منبع تغذیه در کاربرد مشخص اتفاق بیفتد.
مشخصات کاربردی و نیاز شما عامل دیگری است که میانگین دمای کارکرد در طول عمر تجهیزات و ساعات استفاده در روز را مشخص می کند.
طراحان خازن های الکترولیتی هنگام تعیین طول عمر محصولات خود، همه این عوامل را در نظر میگیرند.
در ادامه نگاهی به محاسباتی که طراحان با آن کار میکنند، خواهیم داشت:
طول عمر خازن الکترولیت در دمای نامی:
تولیدکنندگان خازن های الکترولیتی طول عمر طراحی را در حداکثر درجه حرارت نامی محیط که معمولاً ۱۰۵ درجه سانتی گراد است، تعیین می کنند.
این طول عمر طراحی می تواند از ۱۰۰۰ ساعت تا ۱۰ هزار ساعت یا بیشتر متغیر باشد. هرچه طول عمر طراحی بیشتر باشد، ماندگاری اجزا در یک کاربرد معین و دمای محیط بیشتر می شود.
تولیدکنندگان محاسباتی را برای تعیین طول عمر در کاربردهای مشخص ارائه میدهند. این محاسبات براساس معادله آرنیوس برای مشخص کردن میزان واکنش وابسته به دما هستند. این معادله مشخص میکند که به ازای هر ۱۰ درجه افزایش دما، سرعت واکنش دو برابر می شود. این بدان معناست که طول عمر برای هر ۱۰ درجه کاهش دما دو برابر میشود، بنابراین یک خازن دارای طول عمر نامی ۵۰۰۰ ساعت در ۱۰۵ درجه سانتیگراد دارای طول عمر ۱۰۰۰۰ ساعت در ۹۵ درجه سانتیگراد و ۲۰۰۰۰ ساعت در ۸۵ درجه سانتیگراد است.این منحنی عمر مفید را در برابر دمای محیط ترسیم می کند: