Vida útil de los Condensadores Electrolíticos en las Fuentes de Alimentación

Los condensadores electrolíticos son un elemento esencial en las Fuentes AC/DC, que ofrecen una alta capacidad x Voltaje (CV) y una baja resistencia equivalente en serie (ESR) en formatos pequeños, que simplemente comparando a nivel de coste no pueden ser substituidos por otros componentes alternativos. La vida útil de estos condensadores electrolíticos es un parámetro de diseño cada vez más importante en las fuentes de alimentación.

Cabe destacar que todas las consideraciones que aquí aportamos son también aplicables a las fuentes conmutadas dedicadas a la iluminación basada en leds. No tiene sentido exigir leds con una vida útil cada vez mayor y no cuidar la elección de los drivers de leds, sean de corriente constante o de tensión constante.

Con una demanda cada vez mayor de densidades de potencia, y por ser éstos los que más se desgastan en la fuente, los condensadores electrolíticos utilizados en el diseño, determinan la vida útil de la fuente de alimentación, y por lo tanto la vida útil de la aplicación final, o el intervalo de servicio, si se hiciera un mantenimiento del equipo.

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Factores que afectan a la vida útil del condensador electrolítico

Para determinar la vida útil de la fuente, es importante conocer y entender la vida del componente con la vida más corta en el diseño de la misma: que esta depende de su disposición, de la topología, de la corriente de rizado, del diseño utilizado en la vida útil del mismo, del rango de temperatura, de los efectos del calor cercanos, que varían de un producto a otro, y que pueden cambiar en función de una alta o baja tensión de entrada.

No es inusual compensar los efectos de calor internos debido a los externos, especialmente en los cada vez diseños más compactos de hoy en día. El tiempo de servicio depende también de los incrementos de temperatura experimentados cuando se instala en la aplicación y el modo de trabajo del equipo final, con la temperatura de funcionamiento media durante la vida útil del equipo, horas de uso por día, etc… Como se ha descrito anteriormente, existen una serie de factores clave que determinan la vida útil esperada de los condensadores electrolíticos utilizados en la fuente; vida útil del diseño a una temperatura de trabajo nominal, efectos de calor cercanos, limitación de potencia por efecto temperatura y la magnitud y frecuencia de las corrientes de rizado aplicadas.

EPL225 AC/DC de XP Power

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Vida del diseño a una temperatura nominal

Los fabricantes de condensadores electrolíticos especifican la vida de estos a la máxima temperatura ambiente nominal, generalmente 105ºC. Ésta puede variar desde una pequeña diferencia de 1000 o 2000 horas hasta 10.000 horas o más. Cuanta más vida, mayor duración tendrá en una aplicación y a una temperatura determinada.

Los fabricantes también proporcionan cálculos para determinar la vida en una aplicación. Estos están basados en la ecuación de Arrhenius para la dependencia de la temperatura de los valores de reacción, que determina que el valor de reacción se dobla por cada 10ºC de incremento. O de otra manera, la vida del componente se dobla por cada 10ºC que reduzcamos la temperatura. Lo que significa que un condensador con un valor de 5000 horas a 105ºC, tendrá un servicio de 10.000 horas a 95ºC, y de 20.000 horas a 85ºC.

La ecuación básica se puede ver aquí (fig. 1) . La curva marca la vida útil frente a la temperatura ambiente (fig. 2).

Figura 1

 

Figura 2

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Corriente de rizado y frecuencia de funcionamiento

Además de la temperatura ambiente y los efectos del calor generado cerca del condensador, las corrientes de rizado que se aplican añaden calor adicional al núcleo del condensador y normalmente el fabricante las tiene en cuenta en las ecuaciones de la vida del componente.

Las corrientes de rizado se generan por los procesos de rectificación y conmutación tanto en la entrada como en la salida de la fuente de alimentación, que generan calor disipado en el condensador. La magnitud y la frecuencia de estas corrientes de rizado dependen de la topología adoptada en el diseño del factor corrector de potencia (PFC), donde se utilice, y el principal convertidor de potencia; y estos varían de un diseño a otro.

La potencia disipada en el condensador está determinada por el valor medio (RMS) de la corriente de rizado y la resistencia serie equivalente (ESR) del condensador, en la frecuencia aplicada. El aumento de temperatura en el núcleo del componente se determina por la potencia disipada, el factor de radiación del encapsulado del componente, y el factor de diferencia de temperatura desde el núcleo hasta el exterior del encapsulado, determinado por el fabricante del componente. La máxima corriente de rizado que se puede aplicar al condensador se especifica normalmente a la máxima temperatura ambiente y 100/120 Hz. Los factores de multiplicación que se pueden aplicar dependen de la temperatura ambiente en uso real y la frecuencia de la corriente de rizado, bajando la resistencia serie equivalente (ESR) a medida que aumenta la frecuencia.

Fuentes configurables de XP Power. Series NanoFlex

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Vida de la Fuente de Alimentación

Estos factores se toman en cuenta por los diseñadores de fuentes, y de los fabricantes, y se aplican en las reglas de limitación de la potencia en el uso de las mismas, para asegurar que la vida del producto es la adecuada.

Estas reglas de diseño para la limitación de la potencia, no tienen en cuenta la misión del equipo, el medio ambiente, la orientación, la posición, el espacio circundante a la fuente, la carga que se va a aplicar, y los sistemas de refrigeración y ventilación una vez instalados en el equipo final. La vida del condensador, particularmente en ambientes con ventilación por convección o refrigeración natural, deben evaluarse basados en la instalación realizada.

Está claro que la medición de las corrientes de rizado no son prácticas, pero dado que todos los factores en el equipo y el diseño de la fuente dan como resultado una temperatura de trabajo efectiva del componente, una buena indicación de la vida de servicio de cada condensador puede determinarse por la medida de la temperatura de la cápsula y aplicar la ecuación de Arrhenius, junto con la vida útil especificada por el fabricante del componente.

Mucha de la documentación de las fuentes de alimentación, como las GCS de XP Power, identifican los componentes clave que determinan la vida de servicio del producto, particularmente aquellos que requieran refrigeración forzada por parte del equipo final, y las fuentes que requieran sólo ventilación por convección. Esto sirve para ayudar al diseñador del sistema para determinar la vida de servicio de la fuente de alimentación en la aplicación final.

El dibujo mecánico a continuación (fig. 3) identifica los componentes y los gráficos (fig. 4 y 5) indican la vida útil esperada de la fuente basada en la temperatura de dos condensadores (C6 & C23).

Figura 3

 

Figura 4

Figura 5

 

Respecto a los drivers de leds actualmente Efore con la serie Strato Evo ya ofrece garantía de 8 años en toda la serie después de analizar las posibilidades que se ofrecen en el mercado en cuanto a la elección de los condensadores electrolíticos, ofreciendo una serie de parámetros para una correcta evaluación en cuanto a durabilidad y fiabilidad de los mismos para diferentes condiciones de funcionamiento.

Led driver programable Strato Evo de Efore

Las fuentes de alimentación encapsuladas que incorporan su propio ventilador son menos susceptibles al entorno de la aplicación final, a condición de que la temperatura ambiente esté dentro de las especificaciones, y exista un espacio suficiente para la ventilación.

Si quieres ver más en detalle consejos para refrigerar las fuentes de alimentación, hemos añadido un post que habla sobre este tema.

La siguiente tabla (fig 6.) indica la vida útil estimada de los condensadores con tiempos de vida diseñados para 2000 y 5000 horas a varias temperaturas y asumiendo 24 horas de trabajo al día, durante los 7 días de la semana; para convertir horas de servicio por años de servicio. Por ejemplo, un equipo con la misión de trabajar de 8 a 10 horas por día, 5 días a la semana, podrá experimentar como resultado una vida útil significativamente más larga.

Figura 6

Si deseas más información sobre fuentes de alimentación para aplicaciones profesionales (uso industrial, médico, aeronáutica, IoT, etc.) ponte en contacto con nosotros a través de la página de contacto de nuestra web. Venco es distribuidor autorizado en España y Portugal de fuentes de alimentación y driver leds de marcas como XP Power, Efore y Cincon.

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