خازن های هیبریدی الکترولیتی و پلیمری تقریباً طراحی مشابهی دارند: آنها از یک طرف کاتد و یک طرف آند تشکیل شده اند و هر دو از فیلم آلومینیومی ساخته شده اند. فیلم آند برای تشکیل یک لایه اکسید آلومینیوم اکسید می شود که دی الکتریک را تشکیل می دهد. دو فیلم با استفاده از یک کاغذ ایزوله برای تشکیل عنصر سیم پیچی (P1, P2) رول می شوند.
P1
P2. طراحی اولیه خازن های الکترولیتی و پلیمری
تفاوت بین این دو خازن در مواد مورد استفاده در فرآیند پر کردن است که نام آن از آنجا گرفته شده است: خازن های الکترولیتی با یک الکترولیت پر می شوند، در حالی که خازن های ترکیبی پلیمری از الکترولیت پلیمری یا ترکیبی از پلیمرهای جامد و مایع استفاده می کنند.
هر دو خازن مزایای زیادی مانند اندازه کوچک اما ظرفیت خازنی بالا، هزینه کم و مناسب بودن برای طیف گسترده ای از طرح ها مانند طرح های SMD، THT یا snap-in را ارائه می دهند.
خازن های هیبریدی پلیمری ظرفیت جریان موج دار بالاتری نسبت به خازن های الکترولیتی دارند و همچنین مقاومت داخلی کمتری در دماهای پایین و ظرفیت خازنی پایدارتر در فرکانس های بالا دارند. نقطه ضعف هر دو فناوری خازن عمر محدود آنهاست. در حین کار، الکترولیت یا پلیمر مایع منقبض می شود (P3).
P3. الکترولیت یا پلیمر مایع در حین کار پخش می شود که باعث کاهش طول عمر خازن می شود.
معادله آرنیوس می تواند تقریباً عمر مفید خازن را تخمین بزند.
بزرگترین عامل موثر بر عمر خازن های هیبریدی الکترولیتی و پلیمری دمای هسته خازن است که با دمای محیط و سطح جریان موجی اعمال شده افزایش می یابد. علاوه بر این، استرس مکانیکی ناشی از جریان موج دار زیاد می تواند به لایه اکسید آسیب برساند و در نتیجه اثر خود ترمیمی ایجاد کند که الکترولیت اضافی مصرف می کند. خود ترمیمی توانایی خازن های الکترولیتی و خازن های ترکیبی پلیمری برای بازیابی لایه اکسید از طریق یک واکنش شیمیایی بین الکترولیت و آلومینیوم است. انقباض الکترولیت همچنین می تواند منجر به بدتر شدن پارامترهای الکتریکی مانند ظرفیت خازن و پارامترهایی مانند مقاومت سری معادل (ESR) و ضریب تلفات شود.
پایان عمر معمولاً مرحله ای است که پارامترهای برگه داده (معمولاً افزایش افت ظرفیت و درصد ضریب تلفات) برآورده نمی شوند.
هنگام شناسایی محصولات خازن که پارامترهای الکتریکی را در طول عملیات هدف محصول نهایی برآورده می کنند، کاربر می تواند از معادله آرنیوس برای ارزیابی اولیه استفاده کند. همانطور که در P4 نشان داده شده است، طول عمر به عنوان تابعی از ضریب انتشار تا حد زیادی مشابه معادله آرنیوس است. بنابراین، به عنوان یک قاعده کلی، می توان آن را به صورت زیر بیان کرد: کاهش 50 درجه فارنهایت (10 درجه) در دمای عملیاتی، عمر مفید را دو برابر می کند.
P4. هم معادله آرنیوس و هم روش تجربی نشان می دهد که کاهش دمای عملیاتی 50 درجه فارنهایت (10 درجه سانتیگراد)
عمر خازن را دو برابر می کند و نتایج تقریباً ثابتی را ارائه می دهد
معادله آرنیوس تنها یک راهنمای تقریبی ارائه می‌کند، زیرا تأثیر قابل‌توجه جریان موجی بر اثر خودگرمایی را در نظر نمی‌گیرد.
برای به دست آوردن مقدار دقیق برای محاسبه طول عمر، توصیه می شود که کاربر با تامین کننده خازن مناسب کار کند. این محاسبه، مشتری را ملزم می‌کند که یک نمایه کار با جزئیات ساعت‌های عملیاتی واقعی در محدوده دمایی مربوطه ارائه کند.
P5. نمایه کار نمونه نشان می دهد که فروشنده برای محاسبه دقیق طول عمر به چه پارامترهایی نیاز دارد
هر تامین کننده از یک محاسبه جداگانه برای محصولات خود استفاده می کند که شامل پروفیل های دما و بارهای جریان موج دار است. بنابراین، تامین کنندگان می توانند از پروفایل های وظیفه ارائه شده توسط مشتری برای محاسبات دقیق طول عمر استفاده کنند.
این همچنین از استفاده از خازن های بیش از حد مشخص و گران تر جلوگیری می کند.
افزایش سطح هیت سینک راه خوبی برای بهبود اتلاف گرما و در نتیجه افزایش طول عمر خازن است. به عنوان مثال، خنک کننده فعال از طریق استفاده از فن یا آب می تواند اتلاف گرمای بهتر را تضمین کند. کاربران می توانند این نوع مفهوم خنک کننده را هنگام تأیید اجزا و محاسبه عمر مفید در نظر بگیرند.
اتصال عنصر خنک کننده به خازن نیز نقش کلیدی دارد.
اتصال مستقیم المنت خنک کننده به قطعه اغلب مؤثرتر از قرار دادن آن در طرف دیگر برد است. علاوه بر این، واحد محیطی خازن باید در نظر گرفته شود، زیرا گرما را به طور همزمان از طریق پین ها تابش و جذب می کند، به خصوص اگر نیمه هادی های برق یا سایر اجزای تولید کننده گرما در نزدیکی آن نصب شده باشند. اگر داده های تجربی (به عنوان مثال، دمای حالت، جریان، ولتاژ و فرکانس) در دسترس باشد، این گرمای ورودی را می توان در محاسبه طول عمر گنجاند.
اگر کاربر از خمیرها یا پدهای رسانای حرارتی استفاده کند، مقاومت حرارتی آنها عامل تعیین کننده است. هرچه این مقدار کمتر باشد، بازده حرارتی بالاتری دارد. اگر عنصر خنک کننده نیاز به ایزوله الکتریکی داشته باشد، باید یک خمیر حرارتی عایق یا یک پد لحیم کاری مناسب انتخاب شود.
اگر کاربر بخواهد محاسبات یا شبیه‌سازی‌های خود را انجام دهد، مدل‌های مقاومت حرارتی را می‌توان از هسته خازن (عنصر سیم‌پیچ) تا پایه‌ها و پکیج از تامین‌کننده دریافت کرد.
اگر اتلاف گرما و مقاومت حرارتی از پوشش بالایی یا PCB تا عنصر خنک کننده به طور کامل درک شود، می توان اتلاف یا تامین حرارت اضافی را نتیجه گرفت. هنگامی که اتلاف حرارت احتمالی تأیید شد، تأمین‌کننده ممکن است اجازه استفاده از جریان‌های ریپلی بالاتر را برای چیدمان برد بدهد، مشروط بر اینکه از حداکثر جریان موج دار مشخص‌شده توسط تأمین‌کننده تجاوز نکند، زیرا این امر بار مکانیکی را بر خازن تحمیل می‌کند.
P6. نمودار مدار معادل حرارتی خازن
هنگام انتخاب محصول خازن، توصیه می شود که از معادله آرنیوس برای تعیین مقادیر هدایت اولیه استفاده شود. با استفاده از پروفایل وظیفه، طول عمر خازن انتخاب شده برای برنامه را می توان به طور دقیق محاسبه کرد، که همچنین درجه خود گرمایش ناشی از جریان موج دار را در نظر می گیرد. به منظور به حداکثر رساندن طول عمر خازن، کاربر باید مفاهیم خنک کننده احتمالی را بررسی کند و تامین کننده یا توزیع کننده را در مرحله توسعه درگیر کند.