Stromversorgungen Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren in Netzteilen

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Elektrolytkondensatoren sind Schlüsselkomponenten in Netzteilen. Ihre Lebensdauer beeinflusst auch die Nutzungsdauer des Endgerätes. Wie aber lässt sich die zu erwartende Lebensdauer abschätzen?

Elektrolytkondensatoren bieten große Kapazitäten bei hohen Spannungen, einen niedrigen ESR und kompakte Abmessungen. Sie lassen sich in Stromversorgungen nicht durch andere Bauteile ersetzen, die bei vergleichbaren Kosten ähnliche Daten bieten. In der Netzteilentwicklung nimmt die Beachtung der Lebensdauer der eingesetzten Elektrolytkondensatoren einen immer wichtigeren Platz ein.

Da immer höhere Leistungsdichten gefordert werden und Elektrolytkondensatoren für die Lebensdauer relevante Bauteile in einem Netzteil sind, bestimmen sie die mögliche Nutzungsdauer oder den Zeitraum zwischen den Serviceintervallen der Endanwendung.

Interne und externe Temperaturen berücksichtigen

Um die Gebrauchsdauer eines Gerätes zu ermitteln ist es erforderlich, den Elektrolytkondensator mit der geringsten Lebensdauer zu bestimmen. Dies ist von der Topologie, dem Ripplestrom, dem Gerätelayout, der spezifizierten Lebensdauer und der maximal zulässigen Temperatur der eingesetzten Kondensatoren und der in der Applikation herrschenden Wärmeentwicklung bzw. -verteilung abhängig. Dies ist von Gerät zu Gerät verschieden und kann sich auch im Betrieb zwischen 115 und 230 V_AC unterscheiden.

So ist es nicht ungewöhnlich, dass bei den immer kompakteren Geräten die intern auftretenden Temperaturen durch extern einwirkende Temperaturen überlagert werden. Die tatsächlich zu erreichende Nutzungsdauer wird auch von der auftretende Temperaturerhöhung beim Betrieb in der Endapplikation, der durchschnittlichen im Betrieb herrschenden Umgebungstemperatur über die gesamte Gerätelaufzeit, die Betriebsdauer pro Tag usw. bestimmt.

Wie bereits erwähnt, gibt es eine Reihe wichtiger Faktoren, welche die zu erwartende Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren in Netzteilen bestimmen: u.a. die spezifizierte maximale Bauteiletemperatur, die Erwärmung durch umliegende Komponenten sowie die Höhe und die Frequenz des anliegenden Ripplestroms.

Die Lebensdauer bei der maximal erlaubten Temperatur

Die Hersteller von Elektrolytkondensatoren geben die Lebensdauerwerte bei der maximal erlaubten Bauteiletemperatur an. Dies sind heute üblicherweise 105 °C. Diese Lebensdauerwerte liegen bei 1000 oder 2000 Stunden bis hin zu 10.000 Stunden und mehr. Dabei gilt, je höher die angegebene Lebensdauer ist umso länger wird das Bauteil in einer vorgegebenen Anwendung bei bestimmter Umgebungstemperatur arbeiten.

Wie sich die Kondensator-Lebensdauer berechnen lässt

Hersteller bieten darüber hinaus Berechnungen zur Ermittlung der Elkolebensdauer an. Diese sind basierend auf der Arrheniusgleichung, welche die Temperaturabhängigkeit von chemischen Reaktionsprozessen beschreibt. Sie sagt aus, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit pro 10 K Temperaturerhöhung verdoppelt. Anders ausgedrückt heißt das, dass sich die Lebensdauer eines Elkos pro 10 K Temperaturreduktion verdoppelt. Dies bedeutet, dass ein Kondensator, der mit einer Lebensdauer von 5000 Stunden bei 105 °C angegeben ist, bei 95 °C eine Lebensdauer von 10.000 Stunden und über 20.000 Stunden bei 85 °C hat. Die Grundgleichung lautet

wobei L = angegebene Lebensdauer in Stunden, L₀ = Lebensdauer bei Nenntemperatur in Stunden, T_max = Nenntemperatur, T_a = Umgebungstemperatur.

Die Kurven in Bild 2 zeigen die Gebrauchsdauer am Beispiel zweier Kondensatoren im Netzteil in Abhängigkeit von der Bauteiletemperatur.

Anliegender Ripplestrom und Betriebsfrequenz

Zusätzlich zur Umgebungstemperatur und der Erwärmung durch umliegende Komponenten erwärmt auch der Ripplestrom den Kondensator und ist im Allgemeinen in den Gleichungen der Hersteller zur Lebensdauerberechnung berücksichtigt.

Rippleströme werden durch Schalt- und Gleichrichtungsprozesse sowohl im Eingangs- als auch im Ausgangskreis von Schaltnetzteilen erzeugt und verursachen Verluste in den Elektrolytkondensatoren. Die Höhe und Frequenz dieser Rippleströme sind von der eingesetzten Topologie des PFC-Kreises, sowie der des Hauptwandlers abhängig und variieren von Design zu Design.

Die im Kondensator entstehende Verlustleistung ergibt sich aus dem Ripplestrom und dem ESR bei der vorhandenen Schaltfrequenz. Der Temperaturanstieg des Kondensatorwickels ist damit abhängig von der Verlustleistung, von der Möglichkeit des Bauteils Wärme abzustrahlen und der Temperaturdifferenz sowie dem Wärmeübergang des Kondensatorkerns zum Gehäuse.

Der maximal zulässige Ripplestrom ist üblicherweise bei der maximalen Umgebungstemperatur und verschiedenen Frequenzen spezifiziert. Multiplikationsfaktoren können entsprechend der aktuell anliegenden Umgebungstemperatur und Frequenz des Ripplestroms angewandt werden, da der ESR bei steigender Frequenz abnimmt.

So lässt sich die Netzteil- Lebensdauer ermitteln

Alle diese Faktoren sind von Stromversorgungsentwicklern und Herstellern zu berücksichtigt um sicherzustellen, dass die Gerätelebensdauer den Anforderungen entspricht. Die dabei während der Entwicklung berücksichtigten Derating-Richtlinien und deren Einhaltung umfassen aber nicht die Umweltbedingungen, Einbaulage und Positionierung, Systemkühlung und Belüftung, welche beim Einbau in eine Applikation herrschen. Speziell bei Systemen mit Konvektionskühlung ist es unerlässlich, dass die Kondensatorlebensdauer im Endgerät geprüft wird.

Die Summe aller sich aus den Systembedingungen und dem Design ergebenden Faktoren ergibt die tatsächliche Bauteiletemperatur. Da das Messen der Rippleströme nicht einfach ist, stellt die in der Applikation gemessene Gehäusetemperatur eines Elkos und die Anwendung der Arrhenius-Gleichung ein guter Indikator der zu erwartenden Kondensatorlebensdauer dar.

Wie man Lebendsdauer­relevante Komponenten findet

In vielen Stromversorgungsdatenblättern, wie auch in denen der GCS-Serie von XP Power, sind die für die Gerätelebensdauer relevanten Bauteile gekennzeichnet. Dies ist besonders wichtig für Geräte bei denen die Entwärmung durch forcierte Kühlung mittels Systembelüftung oder Konvektionskühlung sicherzustellen ist. Diese Informationen dienen der Unterstützung der Systementwickler um die Lebensdauer des eingesetzten Netzteils im Gesamtsystem bestimmen zu können. Die Zeichnung in Bild 1 zeigt diese relevanten Bauteile (C₆ und C₂₃) und die Kurven in Bild 2 die zu erwartenden Lebensdauer der beiden Kondensatoren im Netzteil GCS180, basierend auf deren Temperaturen.

Netzteile im Gehäuse mit Lüfter bieten Vorteile

Netzteile mit Gehäuse mit einem oder mehreren eingebauten Lüftern zur Kühlung sind weniger empfindlich, ob die spezifizierte Umgebungstemperaturen und der für die ordnungsgemäße Kühlung erforderliche Bauraum eingehalten werden. Die Tabelle zeigt die zu erwartende Kondensatorlebensdauer mit von den Herstellern spezifizierten Lebensdauerwerten von 2000 bzw. 5000 Stunden bei verschiedenen Temperaturen und geht von einem Betrieb mit 24 Stunden/7 Tage pro Woche aus. In Applikationen mit einer Betriebsdauer von 8 bis 10 Stunden pro Tag und 5 Tagen pro Woche wird demnach eine signifikant höhere Lebensdauer erreicht.

* Gary Bocock ist Technical Director bei XP Power.

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