Os capacitores híbridos eletrolíticos e poliméricos têm quase o mesmo design: consistem em um lado do cátodo e um lado do ânodo, e ambos são feitos de filme de alumínio. O filme anódico é oxidado para formar uma camada de óxido de alumínio, que forma o dielétrico. Os dois filmes são enrolados usando um papel isolante para formar o elemento enrolado (P1, P2).
P1
P2. Projeto básico de capacitores eletrolíticos e poliméricos
A diferença entre os dois capacitores é o material usado no processo de enchimento, que é de onde vem o nome: os capacitores eletrolíticos são preenchidos com um eletrólito, enquanto os capacitores híbridos poliméricos usam um eletrólito polimérico ou uma combinação de polímeros sólidos e líquidos.
Ambos os capacitores oferecem muitas vantagens, como tamanho pequeno, mas alto valor de capacitância, baixo custo e adequação para uma ampla gama de projetos, como SMD, THT ou projetos de encaixe.
Os capacitores híbridos de polímero têm uma capacidade de corrente de ondulação mais alta do que os capacitores eletrolíticos, além de menor resistência interna em baixas temperaturas e capacitância mais estável em altas frequências. A desvantagem de ambas as tecnologias de capacitores é sua vida útil limitada. Durante a operação, o eletrólito ou polímero líquido encolherá (P3).
P3. O eletrólito ou polímero líquido se difunde durante a operação, o que reduz a vida útil do capacitor.
A equação de Arrhenius pode estimar aproximadamente a vida útil do capacitor.
O maior fator que afeta a vida útil dos capacitores híbridos eletrolíticos e poliméricos é a temperatura do núcleo do capacitor, que aumenta com a temperatura ambiente e o nível de corrente de ondulação aplicada. Além disso, o estresse mecânico devido à alta corrente de ondulação pode danificar a camada de óxido, resultando em um efeito de autocura que consome eletrólito adicional. A autocura é a capacidade dos capacitores eletrolíticos e dos capacitores híbridos de polímero de restaurar a camada de óxido por meio de uma reação química entre o eletrólito e o alumínio. O encolhimento do eletrólito também pode levar à deterioração de parâmetros elétricos, como capacitância e parâmetros como resistência em série equivalente (ESR) e fator de perda.
O fim da vida útil geralmente é o estágio em que os parâmetros da folha de dados (geralmente o aumento na perda de capacitância e a porcentagem do fator de perda) não são atendidos.
Ao identificar produtos capacitores que atendem aos parâmetros elétricos durante a operação alvo do produto final, o usuário pode usar a equação de Arrhenius para uma avaliação inicial. Conforme mostrado em P4, a vida útil em função do coeficiente de difusão é amplamente análoga à equação de Arrhenius. Assim, como regra geral, pode ser expresso da seguinte forma: uma redução de 50 graus F (10 graus) na temperatura de operação dobra a vida útil.
P4. Tanto a equação de Arrhenius quanto o método empírico mostram que uma diminuição na temperatura de operação de 50 graus F (10 C)
duplica a vida útil do capacitor, fornecendo resultados quase consistentes
A equação de Arrhenius fornece apenas um guia aproximado, pois não leva em consideração o efeito significativo da corrente de ondulação no efeito de autoaquecimento.
Para obter um valor preciso para o cálculo da vida útil, é recomendável que o usuário trabalhe com o fornecedor de capacitores apropriado. Este cálculo exige que o cliente forneça um perfil de tarefa detalhando as horas de operação reais na faixa de temperatura relevante.
P5. O perfil de tarefa de amostra mostra quais parâmetros o fornecedor precisa para calcular com precisão a vida útil
Cada fornecedor usa um cálculo separado para seus próprios produtos, que inclui perfis de temperatura e cargas de corrente de ondulação. Portanto, os fornecedores podem usar os perfis de tarefas fornecidos pelo cliente para cálculos detalhados de vida útil.
Isso também evita o uso de capacitores superespecificados e mais caros.
Aumentar a área de superfície do dissipador de calor é uma boa maneira de melhorar a dissipação de calor e, assim, prolongar a vida útil do capacitor. Por exemplo, o resfriamento ativo através do uso de ventiladores ou água pode garantir uma melhor dissipação de calor. Os usuários podem considerar esse tipo de conceito de resfriamento ao verificar componentes e calcular a vida útil.
A conexão do elemento de resfriamento ao capacitor também desempenha um papel fundamental.
Conectar o elemento de resfriamento diretamente ao componente geralmente é mais eficaz do que colocá-lo do outro lado da placa. Além disso, a unidade periférica do capacitor precisa ser considerada, pois irradia e absorve calor simultaneamente através dos pinos, principalmente se forem instalados semicondutores de potência ou outros componentes geradores de calor nas proximidades. Se dados empíricos (por exemplo, temperatura, corrente, tensão e frequência no estado ligado) estiverem disponíveis, essa entrada de calor pode ser incorporada ao cálculo da vida útil.
Se o usuário usa pastas ou almofadas termicamente condutoras, sua resistência térmica é o fator decisivo. Quanto menor o valor, maior a eficiência térmica. Se o elemento de resfriamento precisar ser isolado eletricamente, uma pasta térmica isolante ou uma almofada de solda adequada deve ser selecionada.
Caso o usuário deseje realizar seus próprios cálculos ou simulações, os modelos de resistência térmica podem ser obtidos do fornecedor desde o núcleo do capacitor (elemento de enrolamento) até as pernas e a embalagem.
Se a dissipação de calor e a resistência térmica da tampa superior ou PCB para o elemento de resfriamento forem totalmente compreendidas, a dissipação ou alimentação de calor adicional pode ser deduzida. Verificada a possível dissipação de calor, o fornecedor pode permitir o uso de correntes de ondulação mais altas para o layout da placa, desde que não seja ultrapassada a corrente máxima de ondulação especificada pelo fornecedor, pois isso imporia uma carga mecânica ao capacitor.
P6. Diagrama de circuito equivalente térmico do capacitor
Ao selecionar um produto de capacitor, é recomendado que a equação de Arrhenius seja usada para determinar os valores iniciais de orientação. Usando o perfil de tarefa, a vida útil do capacitor selecionado para a aplicação pode ser calculada com precisão, o que também leva em consideração o grau de autoaquecimento causado pela corrente de ondulação. Para maximizar a vida útil do capacitor, o usuário deve investigar possíveis conceitos de resfriamento e envolver o fornecedor ou distribuidor durante a fase de desenvolvimento.