Imaginez que vous sélectionniez le condensateur de masse pour une alimentation industrielle de 48 V. Le rail en régime permanent mesure 52 V et les transitoires de charge sonnent jusqu'à 58 V. Un condensateur de 63 V semble assez proche, une pièce de 75 V semble plus sûre et les deux sont bien en dessous de la tension de claquage réelle du condensateur. La question de conception n’est donc pas de savoir si la pièce peut survivre à 58 V. C’est presque certainement le cas. La vraie question est de savoir quel niveau de fiabilité à long terme vous êtes prêt à échanger contre cette marge apparente.
La tension de claquage dans un condensateur électrolytique est la tension à laquelle le diélectrique en oxyde d'aluminium cesse de se comporter comme un isolant et commence à conduire. Il s'agit d'une limite physique fixée par l'épaisseur de la couche d'oxyde développée sur la feuille anodique. Chaque tension nominale imprimée sur le condensateur, y compris la tension nominale, la surtension et la tension transitoire, existe pour maintenir le diélectrique en toute sécurité en dessous de cette limite. Cet article explique comment cette limite est établie, ce qui se passe lorsqu'elle est franchie et comment sélectionner une tension nominale avec la bonne marge.
Qu'est-ce que la tension de claquage dans un condensateur électrolytique ?
Les condensateurs électrolytiques en aluminium stockent la charge dans une fine couche d'oxyde d'aluminium (Al2O3) formée électrochimiquement à la surface d'une feuille d'anode gravée. Au cours du processus de formage, l'oxyde croît jusqu'à une épaisseur proportionnelle à la tension de formage appliquée, à une vitesse d'environ 1,2 à 1,5 nanomètres par volt. Un condensateur avec une tension nominale de 100 V porte donc une couche d'oxyde comprise entre 120 et 150 nm, et cette épaisseur est le principal facteur qui détermine la tension de claquage du diélectrique.
Lorsqu'une tension continue continue est appliquée, la couche d'oxyde doit retenir le champ électrique entre l'anode et l'électrolyte. Si la tension augmente suffisamment, le champ dépasse la rigidité diélectrique de l'oxyde. Les électrons commencent à traverser des défauts microscopiques, le courant de fuite augmente fortement et un échauffement localisé s'ensuit. Dans un condensateur à électrolyte liquide humide, la chaleur peut décomposer l'électrolyte et générer du gaz. Dans un condensateur polymère solide, la même surtension produit plus souvent un court-circuit important.
Étant donné que l'épaisseur de l'oxyde est fixée à la fin de la fabrication, la tension de claquage d'un condensateur fini est une propriété physique et non une valeur qui change avec la température ou l'ondulation. Les notes publiées sont choisies avec une marge délibérée en dessous.
Tension nominale, surtension et tension de claquage : leurs relations
La tension nominale est la tension continue continue maximale que le condensateur est conçu pour gérer à sa température nominale tout en répondant à toutes les spécifications de durée de vie, d'ondulation et de fuite. La surtension est une surtension non répétitive que le condensateur peut tolérer pendant une courte période et qui est définie individuellement pour chaque série. Les deux sont placés bien en dessous de la limite de claquage diélectrique.
| Paramètre | Signification | Relation avec la tension de claquage |
|---|---|---|
| Tension nominale (CC) | Tension continue continue maximale à la température nominale pour laquelle le condensateur répond à ses spécifications de durée de vie et d'ondulation | Généralement 60 à 80 pour cent de la tension de claquage |
| Surtension | Surtension maximale non répétitive à laquelle le condensateur peut survivre pendant une durée courte et définie | Entre tension nominale et tension de claquage |
| Tension transitoire | Pic de tension de courte durée que le condensateur peut voir lors d'une commutation, d'étapes de charge ou d'événements système | Au-dessus de la tension nominale mais toujours en dessous de la tension de claquage |
| Tension de claquage | Tension à laquelle le diélectrique en oxyde d'aluminium perd sa propriété isolante et conduit le courant | La limite physique elle-même |
Pour un condensateur électrolytique en aluminium typique, la tension nominale se situe entre 60 et 80 % de la tension de claquage. Un composant évalué à 63 V, par exemple, peut ne pas tomber en panne avant environ 85 à 100 V. Cette marge interne permet au condensateur de survivre aux tests de surtension, aux pics de tension et aux brefs événements de surtension sans défaillance immédiate. Elle ne doit pas être considérée comme une évaluation utilisable.
Que se passe-t-il lorsque la tension de claquage est dépassée ?
Un fonctionnement au-dessus de la tension nominale mais en dessous de la limite de claquage n'est pas instantanément mortel, mais il est nocif. Le courant de fuite augmente, la couche d'oxyde subit une contrainte de champ accrue et l'électrolyte est consommé plus rapidement. Des excursions répétées à proximité du point de panne réduisent progressivement la capacité et augmentent l'ESR, ce qui, dans une partie liquide-électrolyte, se traduit par une perte de vie mesurable.
Le franchissement de la tension de claquage est un événement différent. Le point le plus faible de l’oxyde transporte un courant croissant et la température localisée entraîne une dégradation supplémentaire. Dans les condensateurs électrolytiques en aluminium humides, un petit défaut peut s'auto-réparer, car la chaleur régénère l'oxyde sur le site endommagé. Avec une énergie disponible plus élevée, la génération de gaz ouvre l’évent de pression et le condensateur est détruit. Les condensateurs polymères solides n'ont pratiquement aucune capacité d'auto-guérison dans ce mode et leur défaillance est généralement un court-circuit interne.
L'inversion de polarité doit être traitée comme une condition de défaillance distincte. La couche d'oxyde clé n'existe que sur l'anode, donc une tension inverse attaque le mince oxyde sur la feuille cathodique. Même une faible tension inverse peut détruire cette couche rapidement. Les condensateurs exposés à une polarisation inverse lors de la mise sous tension ou de l'arrêt doivent être spécifiés comme bipolaires ou protégés par la conception du circuit.
Comment sélectionner une tension nominale avec la bonne marge
Le point de départ pratique est la tension la plus défavorable que le condensateur verra, et non la tension nominale du bus. Ajoutez le pic de toute ondulation CA ou sonnerie transitoire au niveau CC maximum, puis appliquez un facteur de déclassement. Une règle courante pour les condensateurs électrolytiques en aluminium est de maintenir la tension maximale appliquée à 80 % ou moins de la tension nominale. Pour les environnements transitoires sévères, de nombreux concepteurs ciblent 65 à 70 pour cent.
Reprenons l'exemple du bus 48 V. Avec un maximum de 52 V en régime permanent et un transitoire de 58 V dans le pire des cas, la règle des 80 % exige une tension nominale d'au moins 72,5 V. Les valeurs nominales standard les plus proches sont 75 V et 80 V, donc un condensateur de 75 V devient le choix technique, tandis qu'un composant de 63 V supprime le transitoire de seulement 8 %. Le coût du choix le plus sûr est la taille physique, car une tension nominale plus élevée implique un oxyde plus épais et, pour la même capacité, un boîtier plus grand.
- Mesurez ou simulez la tension de crête la plus défavorable aux bornes du condensateur, y compris la tolérance CC, l'ondulation, les étapes de charge et le dépassement de démarrage.
- Multipliez ce pic par le facteur de déclassement utilisé dans votre objectif de fiabilité, généralement 1,2 ou plus.
- Sélectionnez la tension nominale standard la plus proche au-dessus du résultat.
- Confirmez que la tension nominale de surtension de la pièce choisie élimine également votre pire pic transitoire.
Pièces radiales pour bus CC au niveau de la carte
Les condensateurs à plomb radial sont courants dans les bus CC au niveau de la carte, et nous avons examiné comment la tension nominale des condensateurs électrolytiques radiaux affecte la fiabilité du circuit dans un article séparé. Au format radial, la série de condensateurs radiaux longue durée ultra haute tension CD11H est conçu pour résister à des contraintes CC soutenues dans des positions moyenne et haute tension.
Condensateur électrolytique radial en aluminium, ultra haute tension, longue durée de vie, CD11H Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. est un fournisseur chinois de condensateurs électrolytiques radiaux en aluminium à très haute tension et longue durée de vie CD11H. Voir le produit → Pièces encliquetables pour étages compacts haute puissance
À des niveaux de puissance plus élevés, des condensateurs enfichables prennent le relais. Lorsqu'un étage redresseur ou onduleur nécessite une capacité élevée dans un boîtier compact monté sur carte, une pièce telle que la série de condensateurs enfichables longue durée à ultra haute tension et à faible fuite CD297 offre une tension nominale élevée tout en maintenant un faible courant de fuite.
CD297 C électrolytique en aluminium à très haute tension, faible fuite et longue durée de vie Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. est un bouchon électrolytique en aluminium à clipser en aluminium ultra-haute tension, faible fuite et longue durée de vie CD297, vente en gros en Chine... Voir le produit → Ce que cela signifie pour votre conception
La tension de claquage est un concept utile pour comprendre pourquoi les condensateurs tombent en panne, mais ce n'est pas un paramètre de conception. Concevez avec la tension nominale, respectez la protection contre les surtensions et conservez une marge de déclassement adaptée à la gravité transitoire de votre circuit. Un condensateur fonctionnant à 60 à 80 pour cent de sa tension nominale répondra à sa durée de vie ; celui exploité au bord de sa cote ne peut pas le faire. Choisir une classe de tension supérieure et accepter la taille du boîtier associée représente généralement un petit prix pour des performances prévisibles.
Pour les convertisseurs industriels qui fonctionnent à des tensions ferroviaires très élevées et à un courant ondulatoire important, la construction à bornes à vis est souvent le format pratique. Série de condensateurs à bornes à vis haute tension et haute température CD136 , par exemple, est conçu pour un fonctionnement continu à des températures ambiantes élevées, ce qui contribue à préserver les limites de tension et de durée de vie spécifiées par le fabricant.
Électrolytique en aluminium terminal résistant à haute tension et à hautes températures CD136 Nantong Xingchen Electron Co., Ltd.est un terminal électrolytique en aluminium CD136, terminal résistant à haute tension et haute température, vente en gros en Chine... Voir le produit → Avant de finaliser un numéro de pièce, mesurez ou simulez la tension de crête la plus défavorable aux bornes du condensateur, y compris l'ondulation, les étapes de charge et le dépassement de démarrage. Si ce pic se situe à moins de 20 % de la tension nominale, passez à la classe de tension suivante. Votre estimation de durée de vie et vos évaluations de fiabilité en seront toutes deux plus saines.
