Kapasitor hibrida elektrolit dan polimer memiliki desain yang hampir sama: mereka terdiri dari sisi katoda dan sisi anoda, dan keduanya terbuat dari film aluminium. Film anoda dioksidasi untuk membentuk lapisan aluminium oksida, yang membentuk dielektrik. Kedua film digulung menggunakan kertas isolasi untuk membentuk elemen melingkar (P1, P2).
P1
P2. Desain dasar kapasitor elektrolitik dan polimer
Perbedaan kedua kapasitor tersebut adalah bahan yang digunakan dalam proses pengisiannya, dari situlah namanya berasal: kapasitor elektrolit diisi dengan elektrolit, sedangkan kapasitor hibrida polimer menggunakan elektrolit polimer atau kombinasi polimer padat dan cair.
Kedua kapasitor menawarkan banyak keunggulan, seperti ukuran kecil tetapi nilai kapasitansi tinggi, biaya rendah, dan kesesuaian untuk berbagai desain, seperti desain SMD, THT atau snap-in.
Kapasitor hibrida polimer memiliki kapasitas arus riak yang lebih tinggi daripada kapasitor elektrolitik, serta resistansi internal yang lebih rendah pada suhu rendah dan kapasitansi yang lebih stabil pada frekuensi tinggi. Kerugian dari kedua teknologi kapasitor adalah masa pakainya yang terbatas. Selama operasi, elektrolit atau polimer cair akan menyusut (P3).
P3. Elektrolit atau polimer cair berdifusi selama operasi, yang memperpendek masa pakai kapasitor.
Persamaan Arrhenius secara kasar dapat memperkirakan masa pakai kapasitor.
Faktor terbesar yang mempengaruhi masa pakai kapasitor elektrolitik dan polimer hibrida adalah suhu inti kapasitor, yang naik dengan suhu lingkungan dan tingkat arus riak yang diterapkan. Selain itu, tekanan mekanis akibat arus riak yang tinggi dapat merusak lapisan oksida, sehingga menimbulkan efek penyembuhan diri yang mengonsumsi elektrolit tambahan. Self-healing adalah kemampuan kapasitor elektrolitik dan kapasitor hibrida polimer untuk mengembalikan lapisan oksida melalui reaksi kimia antara elektrolit dan aluminium. Penyusutan elektrolit juga dapat menyebabkan penurunan parameter listrik seperti kapasitansi dan parameter seperti resistansi seri ekivalen (ESR) dan faktor kerugian.
Akhir masa pakai biasanya merupakan tahap di mana parameter lembar data (biasanya peningkatan kerugian kapasitansi dan persentase faktor kerugian) tidak terpenuhi.
Saat mengidentifikasi produk kapasitor yang memenuhi parameter listrik selama operasi target produk akhir, pengguna dapat menggunakan persamaan Arrhenius untuk evaluasi awal. Seperti yang ditunjukkan pada P4, masa pakai sebagai fungsi dari koefisien difusi sebagian besar analog dengan persamaan Arrhenius. Dengan demikian, sebagai aturan praktis, dapat dinyatakan sebagai berikut: penurunan suhu operasi sebesar 50 derajat F (10 derajat ) menggandakan masa pakai.
P4. Baik persamaan Arrhenius dan metode empiris menunjukkan bahwa penurunan suhu operasi sebesar 50 derajat F (10 C)
menggandakan umur kapasitor, memberikan hasil yang hampir konsisten
Persamaan Arrhenius hanya memberikan panduan kasar, karena tidak memperhitungkan efek signifikan arus riak pada efek pemanasan sendiri.
Untuk mendapatkan nilai yang akurat untuk perhitungan masa pakai, disarankan agar pengguna bekerja dengan pemasok kapasitor yang sesuai. Perhitungan ini mengharuskan pelanggan untuk memberikan profil tugas yang merinci jam operasi aktual dalam kisaran suhu yang relevan.
P5. Contoh profil tugas menunjukkan parameter apa yang dibutuhkan vendor untuk menghitung masa pakai secara akurat
Setiap pemasok menggunakan perhitungan terpisah untuk produknya sendiri, yang mencakup profil suhu dan beban arus riak. Oleh karena itu, pemasok dapat menggunakan profil tugas yang disediakan oleh pelanggan untuk perhitungan masa pakai yang terperinci.
Ini juga mencegah penggunaan kapasitor yang terlalu ditentukan dan lebih mahal.
Meningkatkan luas permukaan heat sink adalah cara yang baik untuk meningkatkan pembuangan panas dan dengan demikian memperpanjang umur kapasitor. Misalnya, pendinginan aktif melalui penggunaan kipas atau air dapat memastikan pembuangan panas yang lebih baik. Pengguna dapat mempertimbangkan jenis konsep pendinginan ini saat memverifikasi komponen dan menghitung masa pakai.
Sambungan elemen pendingin ke kapasitor juga memainkan peran penting.
Menghubungkan elemen pendingin langsung ke komponen seringkali lebih efektif daripada menempatkannya di sisi lain papan. Selain itu, unit periferal kapasitor perlu dipertimbangkan, karena memancarkan dan menyerap panas secara bersamaan melalui pin, terutama jika semikonduktor daya atau komponen penghasil panas lainnya dipasang di dekatnya. Jika data empiris (misalnya, suhu, arus, tegangan, dan frekuensi keadaan) tersedia, masukan panas ini dapat dimasukkan ke dalam perhitungan masa pakai.
Jika pengguna menggunakan pasta atau bantalan konduktif termal, ketahanan termalnya adalah faktor penentu. Semakin rendah nilainya, semakin tinggi efisiensi termal. Jika elemen pendingin perlu diisolasi secara elektrik, pasta termal isolasi atau bantalan solder yang sesuai harus dipilih.
Jika pengguna ingin melakukan perhitungan atau simulasi sendiri, model ketahanan termal dapat diperoleh dari pemasok dari inti kapasitor (elemen belitan) ke kaki dan paket.
Jika pembuangan panas dan tahanan termal dari penutup atas atau PCB ke elemen pendingin dipahami sepenuhnya, pembuangan atau suplai panas tambahan dapat disimpulkan. Setelah kemungkinan pembuangan panas diverifikasi, pemasok dapat mengizinkan penggunaan arus riak yang lebih tinggi untuk tata letak papan, asalkan arus riak maksimum yang ditentukan oleh pemasok tidak terlampaui, karena hal ini akan membebani beban mekanis pada kapasitor.
P6. Diagram rangkaian ekivalen termal kapasitor
Saat memilih produk kapasitor, disarankan agar persamaan Arrhenius digunakan untuk menentukan nilai panduan awal. Dengan menggunakan profil tugas, masa pakai kapasitor yang dipilih untuk aplikasi dapat dihitung secara akurat, yang juga memperhitungkan tingkat pemanasan sendiri yang disebabkan oleh arus riak. Untuk memaksimalkan masa pakai kapasitor, pengguna harus menyelidiki kemungkinan konsep pendinginan dan melibatkan pemasok atau distributor selama fase pengembangan.