Zrozumienie znaczenia parametrów specyfikacji kluczem do zwiększenia czasu życia produktów LED

Kondensatory elektrolityczne są zwykle produkowane, aby zapewnić trwałość rzędu 2 do 5 tys. godzin w temperaturze 85°C, dlatego nie mogły one zapewnić żywotności lamp LED deklarowanej na poziomie 30 do 50 tys. godzin. Ponadto wielu producentów nie było świadomych tego, że parametry kondensatora wykonanego na 105°C będą zgodne ze specyfikacją tylko przez 2 tys. godzin pracy w takiej temperaturze.

Kondensatory elektrolityczne mają określoną przez producenta wytrzymałość, zależną od temperatury i wynoszącą zwykle od 1 do 10 tys. godzin pracy. Maksymalna dopuszczalna temperatura wynosi z reguły 105°C. W przybliżeniu przyjmuje się, że czas życia kondensatora elektrolitycznego podwaja się co każde 10°C spadku temperatury oraz zmniejsza dwukrotnie po jej wzroście o taką samą wartość. Jeśli zatem dla 105°C trwałość wynosi 2 tys. godzin, to w temperaturze 100°C wyniesie ona 21/2 × 2000, czyli ok. 2800. Nawet gdy kondensator będzie pracował w średniej temperaturze 95°C, to jego żywotność wzrośnie tylko do 4 tys. godzin. Jest to wartość daleka od pożądanej żywotności lamp LED.

Maksymalizacja czasu życia

W jednostopniowych projektach LED możliwe jest uzyskanie zarówno dobrej korekcji współczynnika mocy, jak i mniejszego migotania dzięki dodaniu na wyjściu kondensatora o dużej pojemności. Zwykle kondensator ten powinien mieć pojemność kilkudziesięciu-kilkuset mikrofaradów i być wykonany na napięcie znamionowe od 25-100 V zależnie od liczby szeregowych LED.

Z biegiem czasu sprawność LED-ów wzrosła, gdyż coraz większa część mocy była przetwarzana na światło zamiast na ciepło. W rezultacie spadły temperatury pracy, co zwiększyło możliwości doboru kondensatorów elektrolitycznych, które mogą być wykonane na 5, 7 lub 10 tys. godzin pracy w temperaturze 105°C czy nawet 125°C. Wiele z nich, a szczególnie te o specyfikacji 105°C, jest tylko niewiele droższych od kondensatorów wykonanych na 2 tys. godzin.

Zatem w przypadku kondensatora o specyfikacji 7 tys. godzin w 105°C wystarczyłoby utrzymanie jego temperatury na poziomie 90°C, aby działał prawidłowo przez 20 tys. godzin. To jednak wciąż mniej niż 30 do 50 tys. godzin oczekiwanego czasu pracy LED.

Co naprawdę oznacza czas życia kondensatora elektrolitycznego?

Według dokumentacji producentów kondensatorów wytrzymałość 7 tys. godzin w 105°C oznacza, że praca w danej temperaturze przez podany czas i przy znamionowych tętnieniach prądu nie spowoduje zmiany pojemności kondensatora o więcej niż 25% ani wzrostu współczynnika strat i tym samym ESR powyżej dwukrotności wartości znamionowej.

Czyli deklarowany przez producenta czas nie oznacza zatem końca życia kondensatora, a jest to raczej czas, w którym nastąpi pogorszenie jego parametrów w stosunku do specyfikacji. Ponadto wytrzymałość kondensatora można zwiększyć poprzez oddalenie go od źródła ciepła, aby nie był narażony na temperatury przekraczające 90°C. Będzie ona również większa, jeśli kondensator nie będzie pracował przy maksymalnych tętnieniach prądu. Tętnienia są przyczyną samonagrzewania, a mniejsze samonagrzewanie ograniczy temperaturę pracy kondensatora o np. 10°C w stosunku do temperatury uzyskiwanej przy tętnieniach maksymalnych.

Powyższe operacje pozwolą podwoić trwałość nawet do 40 tys. godzin. To jeszcze mniej niż pożądane 50 tys., ale wciąż nie oznacza końca życia kondensatora. Jeśli zatem element został dobrany z odpowiednim zapasem, to pogorszenie specyfikacji nie powinno być problemem i taki kondensator będzie pracował znacznie dłużej niż 40 tys. godzin.

Podsumowanie

Kiepski kondensator filtrujący może prowadzić do znacznie krótszego niż oczekiwany czasu życia produktu. Nie wystarczy dobranie komponentu, którego specyfikacja temperaturowa przewyższa maksymalną temperaturę pracy, ale należy również uwzględniać podstawowy parametr wytrzymałość. Najważniejsze jest jednak dokładne zrozumienie wszystkich ważnych parametrów dokumentacji oraz dobór komponentów z zapasem uwzględniającym warunki pracy, gdyż tylko wtedy możliwe będzie uzyskanie długiego czasu życia produktu.

Grzegorz Michałowski