Tụ điện lai polyme và điện phân có thiết kế gần như giống nhau: chúng bao gồm một bên cực âm và một bên cực dương, và cả hai đều được làm bằng màng nhôm. Màng anôt bị ôxy hóa để tạo thành một lớp ôxít nhôm, lớp này tạo thành chất điện môi. Hai màng được cuộn lại bằng cách sử dụng giấy cách ly để tạo thành phần tử cuộn (P1, P2).
P1
P2. Thiết kế cơ bản của tụ điện và tụ điện polymer
Sự khác biệt giữa hai tụ điện là vật liệu được sử dụng trong quá trình làm đầy, đó là nơi bắt nguồn của tên gọi: tụ điện được làm đầy bằng chất điện phân, trong khi tụ điện lai polyme sử dụng chất điện phân polyme hoặc sự kết hợp của polyme rắn và lỏng.
Cả hai tụ điện đều mang lại nhiều ưu điểm, chẳng hạn như kích thước nhỏ nhưng giá trị điện dung cao, giá thành rẻ và phù hợp với nhiều loại thiết kế, chẳng hạn như thiết kế SMD, THT hoặc snap-in.
Tụ điện lai polyme có khả năng tạo dòng gợn sóng cao hơn so với tụ điện, cũng như điện trở bên trong thấp hơn ở nhiệt độ thấp và điện dung ổn định hơn ở tần số cao. Nhược điểm của cả hai công nghệ tụ điện là tuổi thọ sử dụng hạn chế. Trong quá trình hoạt động, chất điện phân hoặc polyme lỏng sẽ co lại (P3).
P3. Chất điện phân hoặc polyme lỏng khuếch tán trong quá trình hoạt động, làm giảm tuổi thọ của tụ điện.
Phương trình Arrhenius có thể ước tính gần đúng tuổi thọ của tụ điện.
Yếu tố lớn nhất ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng của tụ điện lai polyme và điện phân là nhiệt độ lõi của tụ điện, nhiệt độ này tăng lên theo nhiệt độ môi trường và mức độ dòng điện gợn áp dụng. Ngoài ra, ứng suất cơ học do dòng điện gợn sóng cao có thể làm hỏng lớp oxit, dẫn đến hiệu ứng tự phục hồi làm tiêu tốn thêm chất điện phân. Tự phục hồi là khả năng của tụ điện và tụ điện lai polyme khôi phục lại lớp oxit thông qua phản ứng hóa học giữa chất điện phân và nhôm. Sự co ngót của chất điện phân cũng có thể dẫn đến sự suy giảm các thông số điện như điện dung và các thông số như điện trở nối tiếp tương đương (ESR) và hệ số tổn thất.
Kết thúc vòng đời thường là giai đoạn mà các thông số của bảng dữ liệu (thường là phần trăm tổn hao điện dung và phần trăm hệ số tổn hao tăng lên) không được đáp ứng.
Khi xác định các sản phẩm tụ điện đáp ứng các thông số điện trong quá trình vận hành mục tiêu của sản phẩm cuối cùng, người dùng có thể sử dụng phương trình Arrhenius để đánh giá ban đầu. Như được trình bày trong P4, tuổi thọ sử dụng như một hàm của hệ số khuếch tán phần lớn tương tự với phương trình Arrhenius. Do đó, theo nguyên tắc chung, nó có thể được biểu thị như sau: nhiệt độ hoạt động giảm 50 độ F (10 độ) sẽ tăng gấp đôi tuổi thọ.
P4. Cả phương trình Arrhenius và phương pháp thực nghiệm đều cho thấy nhiệt độ hoạt động giảm 50 độ F (10 C)
tăng gấp đôi tuổi thọ của tụ điện, mang lại kết quả gần như nhất quán
Phương trình Arrhenius chỉ cung cấp một hướng dẫn sơ bộ, vì nó không tính đến ảnh hưởng đáng kể của dòng điện gợn sóng đối với hiệu ứng tự làm nóng.
Để có được giá trị chính xác cho tính toán tuổi thọ, người dùng nên làm việc với nhà cung cấp tụ điện thích hợp. Tính toán này yêu cầu khách hàng cung cấp hồ sơ nhiệm vụ chi tiết số giờ hoạt động thực tế trong phạm vi nhiệt độ liên quan.
P5. Hồ sơ nhiệm vụ mẫu hiển thị những thông số nào mà nhà cung cấp cần để tính toán chính xác thời gian tồn tại
Mỗi nhà cung cấp sử dụng một phép tính riêng cho các sản phẩm của mình, bao gồm các cấu hình nhiệt độ và tải dòng điện gợn sóng. Do đó, nhà cung cấp có thể sử dụng hồ sơ nhiệm vụ do khách hàng cung cấp để tính toán chi tiết suốt đời.
Điều này cũng ngăn ngừa việc sử dụng các tụ điện quá chỉ định và đắt tiền hơn.
Tăng diện tích bề mặt của tản nhiệt là một cách tốt để cải thiện khả năng tản nhiệt và do đó kéo dài tuổi thọ của tụ điện. Ví dụ, làm mát tích cực thông qua việc sử dụng quạt hoặc nước có thể đảm bảo tản nhiệt tốt hơn. Người dùng có thể xem xét khái niệm loại làm mát này khi xác minh các thành phần và tính toán tuổi thọ sử dụng.
Kết nối của phần tử làm mát với tụ điện cũng đóng một vai trò quan trọng.
Kết nối bộ phận làm mát trực tiếp với thành phần thường hiệu quả hơn so với việc đặt nó ở phía bên kia của bo mạch. Ngoài ra, bộ phận ngoại vi của tụ điện cũng cần được xem xét, vì nó bức xạ và hấp thụ nhiệt đồng thời qua các chân cắm, đặc biệt nếu các chất bán dẫn công suất hoặc các thành phần tạo nhiệt khác được lắp đặt gần đó. Nếu có sẵn dữ liệu thực nghiệm (ví dụ: nhiệt độ ở trạng thái, dòng điện, điện áp và tần số), đầu vào nhiệt này có thể được đưa vào tính toán tuổi thọ.
Nếu người dùng sử dụng bột nhão hoặc miếng đệm dẫn nhiệt thì khả năng chịu nhiệt của chúng là yếu tố quyết định. Giá trị càng thấp, hiệu suất nhiệt càng cao. Nếu phần tử làm mát cần được cách ly về điện, thì nên chọn miếng dán nhiệt cách điện hoặc miếng hàn phù hợp.
Nếu người dùng muốn thực hiện các tính toán hoặc mô phỏng của riêng mình, nhà cung cấp có thể lấy các mô hình điện trở nhiệt từ lõi của tụ điện (phần tử cuộn dây) đến chân và gói.
Nếu sự tản nhiệt và điện trở nhiệt từ nắp trên hoặc PCB đến phần tử làm mát được hiểu đầy đủ, thì có thể suy ra tản nhiệt hoặc nguồn cung cấp bổ sung. Khi khả năng tản nhiệt được xác minh, nhà cung cấp có thể cho phép sử dụng dòng gợn sóng cao hơn cho bố trí bo mạch, với điều kiện không được vượt quá dòng gợn sóng tối đa do nhà cung cấp chỉ định, vì điều này sẽ áp đặt tải cơ học lên tụ điện.
P6. Sơ đồ mạch nhiệt tương đương của tụ điện
Khi chọn một sản phẩm tụ điện, nên sử dụng phương trình Arrhenius để xác định các giá trị hướng dẫn ban đầu. Bằng cách sử dụng hồ sơ nhiệm vụ, tuổi thọ của tụ điện được chọn cho ứng dụng có thể được tính toán chính xác, điều này cũng tính đến mức độ tự phát nhiệt do dòng điện gợn sóng gây ra. Để tối đa hóa tuổi thọ của tụ điện, người dùng nên điều tra các khái niệm làm mát có thể có và liên quan đến nhà cung cấp hoặc nhà phân phối trong giai đoạn phát triển.