Elko-L Lebensd dauer bei i zyklisch hen Last

 Elko-L
Lebensd
dauer beii zyklisch
hen Lasttprofilen
Dr. Arne
e Albertsen,, Jianghai Europe Electtronic Comp
ponents GmbH
Einleitung
Aluminiu
um-Elektrolyttkondensatorren („Alu-Elkkos“, „Elkos“) stellen einen wichtigeen Bestandtteil vieler
Geräte der Leistu
ungselektronik dar. Errhöhte Anfo
orderungen an die E
Energieeffizie
enz, die
expandie
erende Nutzzung erneu
uerbarer En ergie und der stetig wachsende Elektronika
anteil im
Automob
bilbau haben
n die weite Ve
erbreitung diieser Bauele
emente voran
ngetrieben.
In vielen
n Applikatio
onen hängen
n Lebensda
auer und Zu
uverlässigkeit des Geräätes direkt von den
entsprecchenden Parrametern derr Elkos ab. W
Während frühere Beiträg
ge [1], [2] dees Autors da
as Thema
Lebensd
dauerabschätzung und Zuverlässsigkeit bele
euchteten und [3] die Grenz
zen der
Spannun
ngsfestigkeit von Elkos aufzeigte,
a
ge
eht der vorlie
egende Artik
kel auf die E
Elko-Lebensd
dauer bei
zyklisch wiederkehre
enden Lastprrofilen ein.
Lebensd
dauerabsch
hätzung von Elkos
Aluminiu
um-Elektrolyttkondensatorren vereinen
n Spannungs
sfestigkeiten im Bereich vvon wenigen
n Volt bis
zu
ca
a.
750
V
und
einen
e
weiiten
Kapazitätsbereich
h
von
1
µF
bis
über
g kompakte
em Aufbau. Eine hoch aufgeraute Anodenfoliee mit einerr dünnen
1 F bei gleichzeitig
ssgenauen Kathode,
K
derr Elektrolytflü
üssigkeit,
Dielektrikumsschichtt wird dabei vollflächig vvon einer pas
ert (Abb. 1).
kontaktie
bb. 1: Innere
er Aufbau eiines Alu-Elk
kos
Ab
olyt im Elko
o ist die H auptursache
e für seine endliche Leebensdauer und die
Der flüsssige Elektro
kontinuie
erliche Drift seiner
s
elektrischen Param
meter [1].
ür die Abschä
ätzung der Lebensdauer
L
r von Elkos inn einer Applikation zu
Um den Anwendern Hilfsmittel fü
hat Jianghai ein Lebensd
dauermodell für Elkos en
ntwickelt, das
s die zu erwaartende Lebe
ensdauer
geben, h
bei kontinuierlichem Betrieb in einem
e
zulässsigen, station
nären Betrie
ebspunkt anggibt [1]. Dabei ist der
nnzeichnet du
urch Temperratur, Ripples
strom und die am Elko annliegende Sp
pannung.
Betriebspunkt geken
ge Betriebspu
unkte gestattten einen B
Betrieb des Elkos
E
[2] untterhalb der S
Siedetemperatur des
Zulässig
v
Überspannun
Ü
ngen [3]. Ein stationärer Betrieb stelltt sich dann ein,
e wenn
Elektrolyyten [1] und vermeiden
die Verw
weildauer in einem
e
Betrie
ebspunkt gro ß gegen die thermische Zeitkonstantte des Baute
eils ist. Je
nach Abmessung des betrach
hteten Bautteils liegen die Zeitkonstanten zuum Erreiche
en eines
gewichtszusttandes im B
Bereich von wenigen zeh
hn Sekundeen bis hin zu
u einigen
thermiscchen Gleichg
Minuten..
Als Eing
gangsgrößen
n verwendet das Leben sdauermode
ell neben de
en Datenblatttangaben des Elkos
(Nenn-R
Ripplestromtragfähigkeit I0, obere K
Kategorietem
mperatur T0 und Nennnspannung
) die
applikationsbezogen
nen Parametter wie Umg ebungstemp
peratur Ta, Ripplestrom
R
I a und die im
m Betrieb
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angelegte Spannung
. Bei Zwangskühlung ist ein entsprechend der Luftgeschwindigkeit
modifizierter Wert für den Ripplestrom zu berücksichtigen.
Das Jianghai-Lebensdauermodell hat die Struktur
LX = L0 · KT · KR · KV
mit
resultierende Lebensdauer
Lebensdauer bei Nennripple und
oberer Kategorietemperatur (Datenblatt)
LX
L0
2
Temperaturfaktor (Umgebungstemperatur)
∙
∆
Ripplestromfaktor (Eigenerwärmung im Betrieb)
1
ΔT0
Kerntemperaturanstieg des Elkos (typ. 5 K bei T0= 105 °C
und 10 K bei T0= 85 °C)
empirisch gewonnener Sicherheitsfaktor, definiert als
Ki
T0 105°C:
T0 85°C:
I I0: Ki 4
I I0: Ki 2
Ki 2
Spannungsfaktor (Betriebsspannung)
wobei
Exponent, definiert als:
1,25 → 5
1,25
3
1
2 → In die folgenden Betrachtungen geht der Effektivwert (quadratische Mittelwert) der gewichteten
Rippleströme ein, denn Ströme aller Frequenzen tragen ihren Anteil zum Entstehen der
Wärmeleistung bei:
⋯
Ia
If1…Ifn
Ff1…Ffn
Ffi Effektivwert der gewichteten Rippleströme
Effektivwerte der Rippleströme bei den Frequenzen f1…fn
Korrekturfaktoren für den Strom bei Frequenzen f1…fn
mit = Bezugsfrequenz des Nenn-Ripplestromes (120 Hz oder 100 kHz)
Die Korrekturfaktoren für Ströme unterschiedlicher Frequenzen haben ihren Ursprung in der
Frequenzabhängigkeit des ESR und sie werden im Datenblatt direkt als Stromkorrekturfaktoren für
jede Baureihe tabelliert.
Weitere Details sowie Erläuterungen zu den Formeln sind in [1] ausgeführt.
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Lastprofile von Elkos
Vielen Anwendungen im industriellen Einsatz sind zyklisch wiederkehrende Lastprofile gemein, die
z.B. aus wiederholt ablaufenden mechanischen Transport- oder Fertigungsvorgängen resultieren.
Wenn man die Lastzustände nach ihrer jeweiligen Verweildauer in den verschiedenen
Betriebspunkten absteigend sortiert, erhält man eine Zeitreihe der Temperaturen, Rippleströme und
der am Elko anliegenden Spannungen wie in Abbildung 2.
Abb. 2: Lastprofil für den Betrieb eines Alu-Elkos im Zwischenkreis eines Umrichters
Um die Lebensdauer eines Elkos abschätzen, der wiederholt dem gezeigten Lastprofil ausgesetzt
wird, bedient man sich der Lebensdauerfaktoren KT, KR und KV. Die Lebensdauerfaktoren gestatten
die Berechnung einer äquivalenten Betriebsdauer t( , , ) des Elkos unter Nennlastbedingungen
zu jeder Verweildauer t( , , ) in einem Betriebspunkt des Profils. Es gilt
t(
,
,
) = t(
,
,
) / (KT · KR · KV)
Die Summe der äquivalenten Verweildauern aller Betriebspunkte des Profils muss dabei kleiner oder
gleich der im Datenblatt angegebenen Elko-Lebensdauer sein – ansonsten könnte das gesamte
Lastprofil nicht innerhalb eines Elko-Lebens abgefahren werden.
Tabelle 1 zeigt das Beispiel eines Elkos, der im Zwischenkreis eines Frequenzumrichters einer
Motorsteuerung eingesetzt wird. Als Elko-Typ dient hier ein Bauteil aus der JianghaiSchraubanschlussbaureihe CD_138S_WP, das eine Lebensdauer „useful life“ von 15.000 h bei einem
Nennripple von 14,3 Arms bei 100 Hz und 85 °C sowie einer Nennspannung von 400 V aufweist.
Das Lastprofil in Tabelle 1 zeigt in Auszügen die Verweildauern in bestimmten Betriebspunkten
während eines Jahres. Die Zyklusdauer von 1 Jahr = 8.760 Stunden entspricht in Bezug auf den
Alterungseffekt des betrachteten Elkos einem Zeitraum von 1.303 Stunden Betrieb unter Nennlast.
Beim erstmaligen Durchlaufen des Profils würden somit 1.303 der zu Beginn verfügbaren 15.000
Stunden Elko-Lebensdauer bei Nennlast aufgezehrt.
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Verweildauer Stunden Umgebungs‐
temperatur Ta / °C Ripplestrom Ia / Aeff äquivalente Verweildauer bei Nennlast (Io, To, Ur) Stunden Lebensdauer‐
Faktor KT · KR · KV
Spannung Ua / V 1.724 45 25,1 360 6,4 270 860 55 25,1 360 3,2 269 860 20 25,1 360 36,1 24 (…) (…) (…) 29 20 8.760 (…) 31,4 (…) 396 (…) 6,7 4 1.303 Tab. 1: Lastprofil (Ausschnitt) mit Verweildauern und äquivalenten Verweildauern bei Nennlast
Der gesamte Lebensdauervorrat des Elkos reicht aus, um 15.000 h / 1.303 h  11,5 Zyklen des
Lastprofils zu durchlaufen. Da ein Durchlauf in dem gewählten Beispielprofil ein Jahr dauert,
entsprechen 11,5 Zyklen einer Gesamtlebensdauer des Elkos in der Applikation von 11,5 Jahren.
Zusammenfassung
Aluminium-Elektrolytkondensatoren beeinflussen durch ihre endliche 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 Geräten
unabdingbar.
Die typischen Einflussfaktoren auf die Lebensdauer sowie ein Elko-Lastprofil werden erläutert. Als
Hilfsmittel zum erfolgreichen Einsatz steht das Beispiel einer Lebensdauerabschätzung bei einem
zyklisch wiederkehrenden Elko-Lastprofil zur Verfügung.
Die Anwendbarkeit der allgemein formulierten und an einem Beispiel illustrierten Leitlinien hängt im
Einzelfall von der Baureihe und der Applikation ab. Daher sind eine intensive Projektbegleitung und
Bestätigung der Anforderungen für die jeweilige Applikation durch den Elko-Hersteller jeweils
erforderlich.
Literatur
[1]
Albertsen, A., Lebe lang und in Frieden! Hilfsmittel für eine
Lebensdauerabschätzung, Elektronik Components 2009, 22-28 (2009)
praxisnahe
Elko-
[2]
Albertsen, A., Auf eine sichere Bank setzen – Zuverlässigkeit von Elektrolytkondensatoren,
Elektronik Components 2010, 14-17 (2010)
[3]
Albertsen, A., Gebührenden Abstand einhalten! – Spannungsfestigkeitsbetrachtungen bei
Elektrolytkondensatoren, Elektronik Power, 54-57 (2011)
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Unternehmen
Die Jianghai Europe Electronic Components GmbH mit Sitz und Warenlager in Krefeld unterstützt die
europäischen Kunden der Nantong Jianghai Capacitor Co., Ltd. (Jianghai) in Nantong, China.
Jianghai wurde im Jahre 1959 am Sitz der heutigen Firmenzentrale – etwa zwei Autostunden nördlich
von Shanghai – gegründet. Während Jianghai am Anfang vor allem spezielle chemische Produkte
(wie z.B. Elektrolytsysteme) entwickelte und produzierte, kamen ab 1970 AluminiumElektrolytkondensatoren und in den Folgejahren Niedervolt- und Hochvolt-Anodenfolien zum
Produktportfolio hinzu. Heute ist Jianghai der größte chinesische Elko-Hersteller und zählt im
weltweiten Vergleich zu den führenden Herstellern von Snap-in und Schraubanschlusselkos.
www.jianghai-europe.com
Autor
Dr. Arne Albertsen wurde 1965 in Eutin geboren und studierte Physik mit
dem Schwerpunkt Angewandte Physik an der Universität Kiel. Nach Diplom
(1992) und Doktorarbeit (1994) über die Messung und Analyse von
Stromzeitreihen aus Ionenkanälen in biologischen Membranen wechselte er
in die Industrie, wo er in verschiedenen Bereichen des umwelt- und
verfahrenstechnischen Anlagenbaus tätig war. Seit 2001 widmet er sich als
Mitarbeiter führender Hersteller (BCcomponents bzw. Vishay und KOA) dem
Marketing und Vertrieb von passiven und diskreten aktiven Bauelementen.
Seit November 2008 zeichnet er als Manager Sales & Marketing
verantwortlich für die Betreuung von europäischen Kunden der von Jianghai
Europe
Electronic
Components
GmbH
(Krefeld)
vertriebenen
Elektrolytkondensatoren. Die Schwerpunkte der Tätigkeit von Dr. Albertsen liegen im Bereich des
Design-ins und der Anwendungsunterstützung für Elkos in professionellen Industrieapplikationen.
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