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Bauelemente Bild 7:

Bauelemente Bild 7: Lebensdauerdiagramm für Elkos der Baureihe CD_297_BB Endliche Lebensdauer Der flüssige Elektrolyt im Elko ist die Hauptursache für seine endliche Lebensdauer und die kontinuierliche Drift seiner elektrischen Parameter [7]. Elektrochemische Alterungsvorgänge, die bei steigenden Temperaturen und höheren Spannungen beschleunigt verlaufen, lassen sich jedoch mit Hilfe eines halbempirischen Lebensdauermodells abschätzen. Die in den Datenblättern der Elkos von Jianghai angegebenen Lebensdauerdiagramme leiten sich für viele Baureihen aus dem numerischen Lebensdauermodell ab und zeigen den Bereich zulässiger Kombinationen von Umgebungstemperatur und Ripplestrom im hellen Bereich der durchgezogenen Lebensdauerlinien (Bild 7). Das Lebensdauermodell gestattet die Abschätzung, welche Lebensdauer für einen Elko in einer bestimmten Applikation zu erwarten ist. Als Eingangsgrößen verwendet das Lebensdauermodell neben den Datenblatt angaben des Elkos die applikationsbezogenen Parameter wie Umgebungstemperatur, Ripplestrom und die im Betrieb angelegte Spannung. Bei Zwangs kühlung ist ein entsprechend der Luftgeschwindigkeit modifizierter Wert für den Ripplestrom zu berücksichtigen. Struktur des Lebensdauermodells Spannungsfaktor K V Für die kleineren Bauformen der radialen Elkos dominiert der durch die Arrheniusgleichung beschriebene, temperaturabhängige Elektrolytverlust das Lebensdauermodell. Für radiale Elkos gilt daher K V = 1. Bei mittleren (Snap-in) und größeren (Screw Terminal) Bauformen gewinnt dieser Term jedoch an Bedeutung, denn eine gegenüber der maximal zulässigen Nennspannung reduzierte tatsächliche Betriebsspannung führt zu einer geringeren Belastung des Dielektrikums. Die an sich vorteilhaften elektro chemischen Vorgänge zur Selbstheilung von Defekten im Dielektrikum tragen bei hohen Umgebungstemperaturen und Spannungen knapp unterhalb der Nennspannung durch Wasserstoff-Gasbildung und chemische Reaktionen zur beschleunigten Alterung bei. Eine Verringerung der Betriebsspannung kann unter diesen Bedingungen die Lebensdauer des Elkos verlängern [4]. Bild 8: Spannungsfaktoren verschiedener Hersteller im Vergleich [4] Temperaturfaktor K Τ Die Lebensdauer von Elkos folgt im Wesentlichen der fest in der Industrie etablierten „10-Kelvin-Regel“ von Arrhenius: Ein Absenken der Betriebstemperatur um 10 K führt zu einer Verdoppelung der Lebensdauer [1, 3, 4, 6, 9]. Die Formel für K Τ lautet: Der Beitrag der Spannungsverringerung zur Verlängerung der Lebensdauer von größeren Hochvolt-Snap-in und Schraubanschlusselkos wird von Jianghai mittels einer empirisch gewonnenen Formel abgeschätzt. Spannungen von weniger als 60 % der Nennspannung werden dabei als praxisfern und somit als nicht weiter lebensverlängernd angesehen. Im Vergleich mit den Modellen anderer Hersteller hat Jianghai sich hier bewusst im „Mittelfeld“ positioniert (Bild 8). Ripplestromfaktor K R Die Wirkung des angelegten Ripplestromes auf die Eigenerwärmung und damit auf die Lebensdauer des Elkos wird von Jianghai mit der folgenden Formel abgeschätzt: 148 PC & Industrie 9/2022

Bauelemente Beispiel für eine Lebensdauerabschätzung Das folgende Beispiel dient einer Illustration der praktischen Anwendung von Lebensdauerdiagramm und Lebensdauermodell. Ein 105°C-Elko 390 µF, 400 V, 35x45 mm aus der Snap-in Baureihe CD_297_BB von Jianghai soll bei einer Umgebungstemperatur von T A = 55 °C mit einem Ripplestrom von 2,51 A rms und einer Frequenz des Ripples von 20 kHz betrieben werden. Die Spannung am Elko betrage 400 V, sodass lediglich Umgebungstemperatur und Ripplestrom belastung in die Lebensdauerbetrachtung eingehen. Die Kühlung erfolge durch freie Konvektion. Im Datenblatt sind ein Nenn-Ripplestrom von 1,27 A rms bei 120 Hz und 105 °C sowie ein Frequenzkorrekturfaktor von 1,4 für Frequenzen des Ripplestromes oberhalb von 10 kHz und Nennspannungen von 315 ~ 450 V spezifiziert. Die Lebensdauer im Sinne der „useful life“ ist mit 7.000 h angegeben. Das Verhältnis des tatsächlichen, auf 120 Hz skalierten Ripples zum Nenn-Ripple beträgt Das Ablesen des Lebensdauerfaktors am Schnittpunkt von Betriebsripple/Nennripple und Umgebungstemperatur in Bild 9 ergibt ungefähr einen Wert von 16. Daraus folgt eine geschätzte Lebensdauer „useful life“ des Elkos in der Applikation von Alternativ lässt sich die Lebensdauer auch unter Verwendung des Lebensdauermodells numerisch ermitteln: Bild 9: Der Schnittpunkt der Betriebspunktparameter führt zum Lebensdauerfaktor Geräten unabdingbar. Die typischen elektrischen und thermischen Parameter sowie die Definitionen von Zuverlässigkeit und Lebensdauer werden erläutert. Als Hilfsmittel zur Lebensdauerabschätzung stehen graphische (Lebensdauerdiagramme) und numerische (Lebensdauermodell) Methoden zur Verfügung. Die Anwendbarkeit der allgemein formulierten Modelle und ihrer Ergebnisse hängen im Einzelfall von der Baureihe und der Applikation ab. Daher ist eine intensive Projektbegleitung und Bestätigung der Abschätzungen durch den Elko-Hersteller immer erforderlich. Ein praktisches Beispiel zeigt, wie man die vorgestellten Hilfsmittel anwenden kann, um zu einer applikationsspezifischen Lebensdauerabschätzung zu kommen. ◄ Literatur Ergebnis der numerischen Abschätzung entspricht dem der graphischen Lösung unter Verwendung des Lebensdauerdiagramms. Zusammenfassung Aluminium-Elektrolytkondensatoren bestimmen über ihre Lebensdauer die Brauchbarkeitsdauer der Geräte, in denen sie eingesetzt sind. Die Kenntnis einiger wesentlicher Parameter dieser Bauelemente, die durch den in ihnen enthaltenen flüssigen Elektrolyten eine Besonderheit unter den elektronischen Bauteilen darstellen, ist zur sicheren Auslegung von [1] Both, J., Aluminium-Elektrolytkondensatoren, Teil 1 - Ripplestrom und Teil 2- Lebensdauerberechnung, BC Components, February 10, 2000 [2] Gasperi, M. L., A Method for Predicting the Expected Life of Bus Capacitors, IEEE Industry Applications Society, Annual Meeting, New Orleans, Louisiana, October 5-9, 1997 [3] Mirsky, G., Determining end-of-life, ESR, and lifetime calculations for electrolytic capacitors at higher temperatures, EDN, August 20, 2008 [4] Parler, S.G., Deriving Life Multipliers for Aluminum Electrolytic Capacitors, IEEE Power Electronics Society Newsletter, vol. 16, no.1, 11-12, February 2004 [5] Parler, S.G., Thermal Modeling of Aluminum Electrolytic Capacitors, IEEE Industry Applications Society Conference, October 1999 [6] Stiny, L., Handbuch passiver elektronischer Bauelemente, Franzis Verlag, Poing, 2007 [7] Thiesbürger, K.H., Der Elektrolytkondensator, Roederstein, Landshut, 1991 [8] van de Steeg, T., Selecting electrolytic capacitors for power supplies, DATAWEEK Electronics & Communications Technology, Issue February 28, 2001 [9] Venet, P., A. Lahyani, G. Grellet, A. Ah-Jaco, Influence of aging on electrolytic capacitors function in static converters: Fault prediction method, Eur. Phys. J. AP 5, 71-83 (1999) PC & Industrie 9/2022 149