9-2022

Bauelemente einen

Bauelemente einen schwarzen Strahler hat ein Elko mit Schrumpfschlauchisolierung einen Strahlungskoeffizienten von ε = 0,85 während ein blanker Elkobecher lediglich auf einen Wert von ε = 0,4 kommt [5]. Die Farbe des Schrumpfschlauches im sichtbaren Wellenlängenbereich (ca. 400 ~ 700 nm) ist dabei unerheblich. Für die Wärmestrahlung gilt das Stefan-Boltzmann’sche Strahlungsgesetz: Bei freier Konvektion gilt sich für die Temperaturerhöhung ΔT eines Elkos mit der Mantelfläche A beim Anlegen eines Ripplestromes I: Der nächste Schritt bei der Betrachtung der thermischen Verhältnisse von Elkos ist die Ermittlung der Kerntemperatur, denn diese ist der wichtigste Parameter zur Abschätzung der Lebensdauer eines Elkos. Die Kerntemperatur T c lässt sich abschätzen mit wobei die zusammengefassten thermischen Widerstände des Elko- Wickels in axialer und radialer Richtung bei den Produkten von Jianghai ungefähr in der Größenordnung von Im Fall der freien Konvektion ergeben sich in Verbindung mit der Strahlungswärme typische Gesamtwärmeübergangszahlen von Bei Zwangsbelüftung mit der Strömungsgeschwindigkeit ν (in m/s) gilt näherungsweise für die gesamte Wärmeübergangszahl (unter Berücksichtigung von Strahlung und Konvektion) [5]: Bild 5: Erhöhung der Strombelastbarkeit durch Zwangskühlung Durch eine Zwangsbelüftung mit Strömungsgeschwindigkeiten von ν = 1 ~ 2 m/s lässt sich der Anteil der Konvektion an der Kühlung des Elkos deutlich gegenüber der freien Konvektion Formel (v

Bauelemente gewisser Prozentsatz von Ausreißern („outlier percentage“), d. h. von Bauteilen außerhalb der Änderungsgrenzen, spezifiziert. Einige Hersteller verwenden hier auch den Begriff „failure rate“ – dieser Begriff ist jedoch leicht mit der FIT-Rate zu verwechseln, so dass Jianghai hier zur Abgrenzung den Terminus „outlier percentage“ nutzt. Bild 6: Zeitliche Entwicklung der Ausfallrate Bei der Herstellung von Elektrolytkondensatoren erfolgt durch die Formierung der Kondensatoren im Werk gleichsam ein „Burn-in“, so dass Frühausfälle in der Anwendung eine sehr seltene Ausnahme sind [1]. Für die weiteren Betrachtungen gehen wir davon aus, dass der Elko stets im Zeitbereich konstanter Fitraten und in einem zulässigen Arbeitspunkt betrieben wird. „Zulässige Arbeitspunkte“ sind gekennzeichnet durch eine geeignete Kombination von Spannung, Polarität, Umgebungstemperatur, Ripplestrom, mechanischer Belastung und „sauberer“ Umgebung (Abwesenheit von chemisch aggressiven Stoffen in der Nähe des Elkos). Das Ende der Lebensdauer ist erreicht, wenn vordefinierte Driftgrenzen überschritten werden. Üblich ist es auch, im Rahmen einer statistischen Betrachtung einer bestimmten Anzahl von Produkten eine Überschreitung dieser Grenzen zu gestatten. Änderungsausfälle führen im Gegensatz zu Totalausfällen nicht zu einem Verlust der Funktion des Elkos, jedoch sollte die Schaltung so dimensioniert sein, dass sie auch beim Erreichen der Änderungsgrenzen noch funktioniert. Es existieren mehrere Definitionen und verschiedene Begriffe zur Beschreibung der Elko-Lebensdauer: 1. Endurance Das Verfahren zur Durchführung des Endurance Tests ist in der IEC60384-4 beschrieben: die Elkos werden bei Nennspannung, oberer Kategorietemperatur, mit oder ohne Ripplestrom betrieben und die zeitliche Entwicklung ihrer elektrischen Parameter (Kapazität, ESR und Leckstrom) aufgezeichnet. 2. Brauchbarkeitsdauer Der Begriff Brauchbarkeitsdauer geht auf ein (inzwischen geändertes) deutsches Vorwort zur DIN IEC 60384-4 zurück [1]. Die Durchführung des Tests zur Ermittlung der Brauchbarkeitsdauer (engl. „useful life“) orientiert sich am normalen Einsatz von Elkos in der Anwendung: zusätzlich zur Gleichspannung und oberen Kategorietemperatur wird eine Wechselspannung überlagert, die durch die auftretenden Rippleströme zu einer Eigenerwärmung des Elkos und damit zu einer zusätzlichen Wärmebelastung führt. Häufig wird in Verbindung mit der Brauchbarkeitsdauer ein Bei der Durchsicht von Datenbüchern unterschiedlicher Hersteller fällt der uneinheitliche Sprachgebrauch auf, durch den beide Begriffe vermischt und mit unterschiedlichen Bezeichnungen versehen werden. Das Spektrum der Definitionen und Wortschöpfungen erstreckt sich von der Load Life über die Useful Life zur Endurance, von der Life Expectancy über die Operational Life bis hin zur Service Life. Keine einheitliche Norm Es existiert keine aktuell gültige, einheitliche Norm, die zur exakten Definition der Bezeichnungen und der mit ihnen assoziierten Änderungsgrenzen verwendet werden könnte. Einen Beitrag zur Vereinheitlichung der Testbedingungen (und damit der verbesserten Vergleichbarkeit von Angaben unterschiedlicher Hersteller) haben die Normungsgremien in den USA geleistet, als die EIA IS-749 („Rectified Mains Application Expected Wear-Out Lifetime Test“) zur Vereinheitlichung der Lebensdauertests für Elkos hinter dem Netzgleichrichter verabschiedet wurde [4]. Bis weiterreichende Normen verfügbar sind, besteht die von Jianghai gewählte Lösung darin, im Datenblatt zusätzlich zu den Begriffen eine vollständige Definition der Testbedingungen und der Änderungsgrenzen anzugeben (Tabelle 1). Jianghai stellt dem eher als Marketing-Begriff geprägten „Useful Life“ die Angaben zu „Load Life“ und „Endurance“ zur Seite, um die Transparenz für den Anwender zu erhöhen. Die Ergebnisse des „Shelf Life“ Tests als Indikator für die Stabilität vervollständigen das Bild, so dass sich der Anwender auf einfache Weise einen Überblick über die Leistungsfähigkeit der Elko-Baureihe verschaffen kann. Elko-Lebensdauerdiagramm und Lebensdauermodell Um den Anwendern Hilfsmittel für die Abschätzung der Lebensdauer von Elkos in einer Applikation zu geben, hat Jianghai Lebensdauerdiagramme und ein Lebensdauermodell für Elkos entwickelt. Während in den Lebensdauerdiagrammen zulässige Betriebspunkte gekennzeichnet sind, berücksichtigt das Lebensdauermodell zusätzlich den Einfluss der Betriebsspannung auf die Lebensdauer. Die Verwendung von Ergebnissen beider Hilfsmittel ist in vielen Applikationen möglich. Individuelle Eigenschaften (z. B. Betrieb im thermischen Grenzbereich, intermittierender Betrieb, irreguläre Kurvenformen für den Ripplestrom, spezielle Elko-Konstruktionen,…) können jedoch dazu führen, dass die vorgestellten Hilfsmittel nur noch eingeschränkt oder nicht mehr anwendbar sind. In jedem Fall ist eine Bestätigung der Ergebnisse durch den Hersteller erforderlich. Tabelle 1: Vollständige Definition von Testparametern und Änderungsgrenzen PC & Industrie 9/2022 147