O que aconteceu com os capacitores eletrolíticos no século XXI?

Às vezes, podemos ver capacitores de décadas (como os fabricados na URSS) ainda funcionando. Eles são maiores e mais pesados , mas duráveis ​​e não dessecantes. Os capacitores de alumínio modernos funcionam por cerca de 11 anos; se você tiver sorte, fica seco e falha silenciosamente. Lembro-me de dispositivos do início dos anos 2000 em que os capacitores falharam após 3 a 4 anos de serviço, e não necessariamente de dispositivos low-end (um exemplo é o modem a cabo E-TECH ICE-200 no valor de 240 USD em 2000). Um reparo devido a falhas nos capacitores eletrolíticos tornou-se um lugar-comum, algo pouco característico nos anos 80.

Essa degradação dos anos 90 foi causada pela produção em massa barata? Ou por tecnologias mal testadas relacionadas à miniaturização? Ou muitos fabricantes simplesmente não se importaram?

Parece que a tendência agora está invertida, e os capacitores recentes são um pouco melhores que os de 1994-2002. Os especialistas podem confirmar isso?

Houve um período em que muitos capacitores foram fabricados com um eletrólito desonesto, especialmente por alguns grandes fabricantes de Taiwan. Os capacitores pareciam bons em uma ampla variedade de testes quando novos, mas não envelheciam bem. Como levou alguns anos para os capacitores falharem e a alta taxa de falhas se tornar conhecida, muitos deles foram produzidos e incorporados às coisas antes que as pessoas percebessem que havia um problema. Levou mais alguns anos para que as coisas saíssem de circulação.

Exatamente por que esses fabricantes tiveram problemas com eletrólitos não está completamente claro. Eles estavam usando novos eletrólitos à base de água que haviam sido desenvolvidos no Japão e funcionavam muito bem. Presumivelmente, os fabricantes mais baratos perderam algo ou cortaram alguns cantos enquanto reproduziam (ou roubavam) as pesquisas japonesas.

O tipo de capacitor afetado foi barato, capacitância grande, capacitores ESR baixos. Esse é o tipo de coisa que aparece em um grande número de dispositivos de consumo, e o problema ficou conhecido na comunidade em geral. Além disso, o modo de falha desses capacitores era de ruptura e ventilação, por isso era fácil, mesmo para pessoas não familiarizadas com a eletrônica, ver qual componente estava com defeito quando a placa-mãe parou de funcionar.

A Wikipedia tem um artigo sobre isso: Praga do Capacitor

A espionagem industrial deu errado. Verificado muitos anos após o fato.

Embora se suspeitasse quase do começo. (Cortesia de artigo de The Wayback Machine , já que o original saiu da Web.)

História básica: Guy deixa o fabricante japonês de capacitores Rubycon e vai trabalhar para uma empresa na China, levando consigo uma cópia da fórmula eletrolítica para capacitores eletrolíticos de alumínio de alto desempenho.

Mais tarde, parte de sua equipe chinesa sai e vai trabalhar para um fabricante de capacitores em Taiwan. Eles também tiraram uma cópia da fórmula Rubycon, mas a destruíram em algum lugar ao longo do caminho.

Assim, o fabricante de Taiwan constrói o que ele considera valiosos, bonés de alta qualidade fabricados com a fórmula de Rubycon. Ele os vende a um bom preço, mas mais barato que o Rubycon e promete a mesma qualidade.

Cargas de empresas compram e instalam esses limites, então as coisas começam a falhar em massa.

Durante os anos 70, os cálculos de Mil-Std-HDBK217 para MTBF incluíram um fator de aceleração inverso ao circuito ESR. Isso implica correntes de surto e aumento térmico que, por sua vez, seguem os efeitos de degradação localizada de Arhennius. A saída de gás é um aviso prévio primário com uma tampa abaulada.

Lembre-se também de que o desenvolvimento do SMPS estava em alta, pois as pressões no custo do material exigiam menor custo e menor quantidade de peças ESR. Isso implica ignorar os modos de falha natural do circuito ESR para obter conversores de alta eficiência.

Portanto, a tendência de ver mais falhas no limite de SMPS deve-se, em parte, aos designers que ignoram os efeitos do envelhecimento na ESR e a fuga térmica inerente ao seguir o auto aquecimento.

É verdade que os eletrolíticos de novas tecnologias melhoraram, assim como o acabamento da superfície do condutor, para diminuir a VHS na folha. Os custos crescentes no tântalo de lugares como a Rússia forçaram as empresas a mudar para os eletrolíticos de alumínio.

é preciso avaliar o MTBF caso a caso, se a causa raiz foi:

• design ruim,
• partes ruins,
• mau processo (sem fluxo limpo ou Aqua limpo com resíduo ácido ou excesso de pico térmico no perfil de refluxo, etc.).

Um modem de ponta não valida se eles usaram peças qualificadas de alta qualidade com a verificação MTBF feita internamente e talvez apenas confiassem no fornecedor.

Geralmente, o melhor MTBF de capacitor vem de empresas no Japão, Taiwan e China, um terceiro distante, devido à confiabilidade do controle de qualidade e à diligência de verificação do controle de processo necessária para peças de longa vida útil. A contaminação do material é uma das principais causas na fabricação de tampas.

**** A maior melhoria nos eletrolíticos de alumínio é a constante de tempo de carga / descarga T = VHS x C reduziu para igual ou melhor que o tântalo em baixa qualidade de VHS, em alguns casos, mas não todos. Você precisará calcular da próxima vez que escolher um limite que precisa ser baixo ESR e comparar 10 partes com 1 a 10x o valor de um limite de ponte grande. Se for menor, é possível que você obtenha um ESR mais baixo e um SRF mais alto ou se no mesmo tamanho de voltagem e família for a mesma constante T.
Caps ESR ultra baixos. agora são <1 ~ 20us, enquanto o objetivo geral é de 100us a> 1ms. ****

Os principais motivos foram:

• A praga de capacitores de 1999-2002 - uma tentativa de reproduzir uma fórmula roubada da Rubycon Inc. para eletrólitos, que deu errado.
• Caso contrário, alterar a composição do eletrólito; mais H ₂ O (útil para obter baixa ESR) faz com que seja mais corrosivo.
• Otimização de custos devido à crescente produção em massa de eletrônicos.
• Erros no design, processo ou materiais de baixa qualidade; controle de qualidade ruim.

Um motivo pode ter a ver com o circuito ao redor dos capacitores, não com os próprios capacitores. Até (por volta de 1980), a maioria das fontes de alimentação estava operando na frequência da rede (50 ou 60 Hz), usando um capacitor de filtro grande após a ponte de diodos e um pós-regulador linear, usando mais capacitores na maior parte da CC, com apenas um shopping Componente AC. Não há muitos problemas causados ​​pela corrente RMS dentro dos capacitores e (muito) baixa ESR não era uma grande preocupação, porque mesmo com uma resistência interna alta, os capacitores não aqueciam muito sozinhos.

Mais tarde, as fontes de alimentação de modo comutador (e pós-reguladores, incluindo conversores de redução de ponto de carga) tornaram-se cada vez mais populares, e eles colocaram uma corrente RMS muito maior nos capacitores que eles usam. Portanto, a escolha correta de capacitores tornou-se cada vez mais importante, e decisões imprudentes de design eram mais importantes. Além disso, com a miniaturização, mais componentes acabam em compartimentos menores, tornando a dissipação de calor mais crítica. Quanto menor o seu dispositivo, mais difícil fica separar os componentes quentes dos capacitores sensíveis ao calor. Um capacitor pequeno (5 mm de diâmetro) 10 µF / 16 V com capacidade de 2000 h / 105 ° C ao lado de um grande dissipador de calor? Péssima ideia. Um capacitor grande (25 mm de diâmetro), 47 µF / 400 V, avaliado a 5000 h / 105 ° C, é colocado em um local fresco da sua fonte de alimentação comutada? Pode até nunca se tornar um problema perceptível.

Além disso, por um tempo, os circuitos podem ter exigido mais do que os avanços na tecnologia de capacitores poderiam acompanhar. Os projetistas podem não estar cientes da importância das classificações I _RMS e do aquecimento interno. Acrescente pressão constante para economizar centavos em qualquer componente, considere o fato de que os capacitores tendem a ser seus componentes mais caros, conclua que isso faz das tampas uma área de foco no que diz respeito à contagem de centavos e você tem uma boa explicação.

Portanto, para ser justo, não são apenas as tampas, mas também o design geral e a aplicação das tampas em circuitos cada vez mais exigentes.

Dito isto, felizmente utilizo alguns dispositivos com fontes de alimentação comutadas comerciais há anos sem problemas e também substituí uma quantidade razoável de capacitores (datados do final dos anos 70, por exemplo, em coisas como bobinas de alta qualidade gravadores de bobina ou equipamento de teste e medição).

Então, os capacitores de cerâmica estão alcançando. Antes de 2005, 22 µF a 25 V em um pacote de 1206 SMD eram incomuns. Hoje, você pode usá-los em vez de tampas eletrolíticas ou tipos de tântalo, e nem gastar mais dinheiro. Isso torna possível tomar decisões de projeto gerais muito boas: Evite tampões de tântalo (porque são muito sensíveis a picos de corrente ou tensão, mesmo os muito pequenos. Use tampões eleitorais somente quando precisar de muita capacitância e quando puder escolher grandes latas que normalmente têm uma vida útil muito mais longa.Tome boas tampas de cerâmica para todo o resto.

Os capacitores variam muito nos modos de falha devido ao envelhecimento, e é realmente falso que os projetos mais antigos sempre foram melhores.

As pessoas que consertam equipamentos antigos quase sempre substituem certos capacitores sem sequer testá-los e certificam-se de que testam outros apenas para ter certeza.

Por exemplo, os velhos retângulos de cera são praticamente um aterro tóxico quando você abre um amplificador antigo. Eles terão envelhecido bem fora das especificações. Sem mencionar que o mesmo equipamento assumiu certa qualidade de tensão da rede que mudou ao longo das décadas, o que impulsionará seu sinal de energia ou alta tensão ou as tampas de desacoplamento muito além das especificações nominais, mesmo quando novas.

Mas, como outros já apontaram, é uma coisa complicada. Os mercados de materiais, manufatura e mercados mudaram bastante, o que teve um efeito em toda a indústria. Em geral, porém, os capacitores modernos a um determinado preço por muitos milhares são muito melhores que os mesmos dispositivos do passado.

Minhas únicas referências a isso são canais do YouTube como o Mr. Carlson's Lab, como visto na barra lateral do SE.EE!