Kondensaattorin tehokaava: Miten energia, aaltoilu ja ESR muodostavat todellisia malleja

Kondensaattorin tehokaava: Energia, aaltoilu ja lämpö, jota et näe

Varastoitu energia on helppo luku. ESR:n läpi kulkeva aaltoiluvirta määrää, kuinka kauan kondensaattori todella kestää levyllä.

470 µF, 400 V:n snap-in kondensaattori pitää 37,6 joulea täydellä latauksella. Vapauta tämä energia 10 millisekunnissa ja keskimääräinen teho pulssin aikana on noin 3,8 kW. Silti sama osa voidaan arvioida vain 3 A RMS:n aaltoilulle 100 Hz:llä, mikä 0,3 Ω:n ESR:llä on noin 2,7 W sisäistä lämpöä. Yksi komponentti, kaksi tehoa eroavat kolme suuruusluokkaa toisistaan.

Lyhyt vastaus: kondensaattori varastoi energiaa muodossa E = 0,5 × C × V², vapauttaa sen nopeudella, joka on asetettu sen mukaan, kuinka nopeasti jännitteen annetaan laskea, ja hajoaa P = I² × ESR aina, kun vaihtovirta kulkee sen sisäisen vastuksen läpi. Vaihtovirtapiireissä ilmenee neljäs suhde, loisteho Q = V² × 2πfC, jota ei kuluteta, mutta joka työntää silti todellista virtaa kalvojen, kielekkeiden ja elektrolyytin läpi.

Tämä artikkeli käsittelee jokaisen kaavan numeroiden sijaan symbolien avulla ja linkittää sitten tulokset paketin valintoihin, jotta laskenta päättyy osapäätökseen.

Viisi suhdetta jokaisen takana Kondensaattori Tehokysymys

Yhden kondensaattorin tehokaavan etsiminen tarkoittaa yleensä sitä, että tarvitaan yksi viidestä suhteesta. He vastaavat erilaisiin kysymyksiin, ja niiden sekoittaminen on yleinen syy osien kuumenemiseen tai vikaantumiseen aikaisin.

Katso eksponentit. Jännitteen neliö tarkoittaa, että 450 V:n kondensaattori varastoi 81 kertaa saman kapasitanssin 50 V:n osan energian. Virran neliö tarkoittaa, että virran kaksinkertaistaminen nelinkertaistaa lämmön. Nämä kaksi eksponenttia selittävät suurimman osan siitä, mitä mittaat penkillä.

Varastoitu energia: Miksi jännite voittaa kapasitanssin

E = 0,5 × C × V² palkitsee jännitteen paljon anteliaammin kuin kapasitanssi, ja numerot tekevät asian nopeasti:

• 100 µF 50 V:lla varastoi 0,13 J
• 100 µF 450 V:lla tallentaa 10,1 J
• 470 µF 400 V:lla tallentaa 37,6 J

Yhden 450 V:n, 100 µF:n osan yhdistäminen 50 V:n osien kanssa vaatisi noin 81 kappaletta rinnakkain, jolloin levyalaa olisi enemmän, vuotoreittejä ja juotosliitoksia, joissa on sama varaus.

Käytettävä energia on aina pienempi kuin varastoitu energia. 470 µF:n pankki, joka purkaa 400 V:sta 300 V:iin, luovuttaa vain 16,5 J, noin 44 prosenttia siitä, mitä siinä on. Kun pitovaatimus on kirjoitettu vähimmäisväylän jännitettä vastaan, laske kahden rajan välillä sen sijaan, että latautuisi täyteen nollaan, tai malli ylimitoitettu reilusti.

Purkausteho ja syöttö: yksi kaava, kaksi suuntaa

P = E / t muuntaa varastoidun energian keskimääräiseksi teholuvuksi. Yli 10 ms:n aikana vapautettu 37,6 J pankki tuottaa 3,8 kW; sama pankki, joka vapautetaan 5 sekunnissa, tuottaa 7,5 W. Kumpikaan luku ei kerro paljon selviytymisestä, koska pulssin keskimääräinen teho ei kerro mitään huippuvirrasta.

Todellinen rajoitus on I = C × dv/dt. Tämän 470 µF:n kondensaattorin lataaminen 0 V:sta 400 V:iin 1 ms:ssa vaatii 188 A lähteestä. Venytä sama nousu 100 ms:iin ja virta putoaa 1,9 A:iin, mikä on satakertainen vähennys vain hitaammalta rampilta.

Kapasitanssin nostaminen lisää varastoitunutta energiaa, mutta nostaa myös suorassa suhteessa syöttövirtaa. Joskus halvempi suunnittelumuutos on pehmeämpi latauspolku, ei suurempi kondensaattori.

Tästä syystä on olemassa esivarausvastuksia, NTC-termistoreita ja pehmeäkäynnistysasteita, ja miksi ylijännitearvoilla on yhtä suuri merkitys kuin tasasuuntaajan etupäiden kapasitanssilla. Ylijännite- ja salamankestävät perheet, kuten CD296-snap-in-tyyppi, on määritelty juuri näitä lyhyitä, vihamielisiä dv/dt-tapahtumia varten.

Ripple Current ja ESR: Kaava, joka vanhenee kondensaattoreita

P = I² × ESR on vähiten lumoava suhde ja se, joka päättää tuotteen käyttöiän. Tasasuuntaus-, kytkentä- tai invertteripulssien aaltoiluvirta kulkee kalvon ja elektrolyytin läpi, ja sen tuottama lämpö saa poistumisreittinä vain tölkin pinnan.

Suurinvirtainen rivi tuottaa vähemmän lämpöä kuin sovitinrivi, koska ESR laski suuruusluokkaa. Ajan myötä suhde käy päinvastaiseksi: ESR nousee, kun elektrolyytit kulkeutuvat ja kuivuvat, mikä lisää hajoamista, mikä nopeuttaa kuivumista. Tämä muistiinpano päälle ESR ja sen vaikutus kondensaattorin käyttäytymiseen kattaa kuinka taajuus, lämpötila ja ikä muuttavat tätä lukua.

Lämpötilasta tulee elinikäinen luku. Yleiskäyttöisten alumiinielektrolyyttien luokitus on usein 2 000 tuntia 105 °C:ssa, kun taas pitkäikäiset sarjat toimivat 5 000 - 7 000 tuntia. Toimintasääntönä on, että jokainen 10 °C sisälämpötilan lasku noin kaksinkertaistaa odotetun käyttöiän. Aaltoiluvirran leikkaaminen 30 prosentilla puolittaa hajoamisen ja ostaa suhteettoman paljon aikaa.

AC-näkymä: loisteho virtaa kuluttamatta

Q = V² × 2πfC kuvaa loistehoa, jonka kondensaattori vaihtaa vaihtovirtalähteeseen. Mikään ei ole hajonnut, mutta virta on todellinen. Jännitteellä 400 V ja 50 Hz 470 µF:n kondensaattorin reaktanssi on noin 6,8 Ω ja se vetää noin 59 A rms omien liittimiensä kautta.

Tämä yksittäinen numero selittää, miksi polarisoituja elektrolyyttikondensaattoreita ei koskaan kytketä suoraan verkkojohtojen yli ja miksi AC-luokiteltuja kalvokondensaattoreita on olemassa tätä tarkoitusta varten. Tasavirtapiirin sisällä sama suhde toimii eduksesi: 100 kHz:llä 470 µF:n osan reaktanssi putoaa noin 0,0034 Ω:iin, joten se käyttäytyy lähes oikosulkuna kytkentäaaltoille.

Paikallista irrottamista varten käytännön versio kirjoitetaan reunaa kohti. 10 µF:n polymeerikondensaattorin, joka pitää 1 V:n kiskon, kun kuormituksen vaiheet 1 µs:ssa, on syötettävä 10 A transientti tällä hetkellä, kapasitanssin ja muuttonopeuden määräämän arvon keskimääräisen kuormituksen sijaan.

Kaavasta osaan: Numeroiden yhdistäminen perheisiin

Kun energia-, syöttö- ja aaltoiluluvut tiedetään, valinnasta tulee pakkauspäätös. Jänniteluokka ja ESR kaventavat kenttää nopeasti, ja jäljellä on valita sellainen rakenne, joka pystyy siirtämään lämmön pois käämityksestä. Rakennamme alumiinisia elektrolyyttikondensaattoreita radiaali-, SMD-, polymeeri-, snap-in- ja ruuviliittimiin, joten laskettu aaltoiluluku liittyy yleensä tehonmuuntokondensaattoriperheet tinkimättä pakkaustyypistä.

Snap-in-rakenne massatasavirtayhteyksille

Noin 200 V:n ja 100 µF:n yläpuolella snap-in-kondensaattorit kuljettavat suurimman osan PFC-portaiden bulkkivarastosta, inverttereistä ja kytkentäsyötöistä. 450 V, 470 µF snap-in absorboi tyypillisesti useiden ampeerien 100 Hz aaltoilua ja pitää ESR:n kymmenissä milliohmeissa. CD293 korkean aaltoilun standardisarja on rakennettu tätä tehtävää varten, ja CD292 nelinapainen versio lisää vakautta paikoissa, joissa on tärinää.

Ruuviliittimet pitkäikäiseen energian varastointiin

Hitsauslaitteet, UPS-järjestelmät, aurinko- ja tuuliinvertterit ja moottorin käynnistyspiirit nostavat aaltoiluarvoja ja palveluodotuksia samaan aikaan. Ruuviliitinkondensaattorit tarjoavat suuremmat tölkit, paremman lämmönpoiston ja suuremman virtakyvyn. CD139-sarja on suunniteltu kestämään 7 000 tuntia korkealla aaltoilukyvyllä, CD60 on vakiovalinta moottorin käynnistämiseen ja CD13L on viritetty ilmastointikäyttöön.

Polymeerirakenne nopeille, matala-ESR-poluille

Kun dv/dt on jyrkkä ja kytkentätaajuus korkea, ESR ja vastaava induktanssi hallitsevat impedanssia. Kiinteä polymeerirakenne poistaa kuivumishäiriötilan ja pitää ESR:n alhaisena koko lämpötilassa. Lyijytyyppisten polymeerien valikoimassa HLL-sarjan tavoitteena on korkea aaltoilu ja matala ESR, kun taas HLR-versio pidentää mitoitettua käyttöikää 5 000 tuntiin malleissa, joissa huoltoon pääsy on vaikeaa.

Korjaukset, jotka todelliset piirit lisäävät kaavaan

Tietosivujen arvot mitataan määritellyissä olosuhteissa. Neljä korjausta pitävät laskelman rehellisenä:

• ±20 prosentin kapasitanssitoleranssi tarkoittaa, että varastoitu energia voi laskea 20 prosenttia tyyppikilven arvon alapuolelle, joten pitoaika tulee suunnitella minimiin nähden.
• ESR on maksimiarvo, yleensä 100 kHz ja 20 °C. -40 °C:ssa se voi olla useita kertoja korkeampi, millä on merkitystä ulkovarusteille.
• Ripple-arvot on sidottu referenssitaajuuteen ja luokan enimmäislämpötilaan; molemmat tarvitsevat säätöä todellista toimintapistettä varten.
• ESR noin kaksinkertaistuu käyttöiän loppuun mennessä, joten hajoaminen nollatunnilla ei ole pahin tapaus. Alennus noin 80 prosenttiin nimellisjännitteestä vähentää edelleen vuotojännitystä.

Säilytä numerot työpöydälläsi

Kondensaattorin tehokaava on kolme yhtälöä, joilla on yksi nimi. E = 0,5 × C × V² määrittelee kuinka paljon energiaa osa sisältää, P = E / t ja I = C × dv/dt määrittelevät kuinka nopeasti se voi liikkua, ja P = I² × ESR määrittää, mitä liike maksaa lämmössä ja käyttöiässä. Loisteho lisää vaihtovirtaa, joka kulkee kuluttamatta sitä koskaan.

Käsittele ne tässä järjestyksessä – energia, nopeus, lämpö – ja pakkausten valinta seuraa seuraavasti: snap-in massatasavirtalinkkejä varten, ruuviliitin korkean energian pitkäaikaista varastointia varten, polymeeri nopeita matalia ESR-teitä varten ja säteittäinen tai SMD kaikelle muulle levylle. Kaava ei muutu koskaan pakkauksen mukana. Vain lämpöpolku tekee.