ลดขนาดบอร์ดและเวลาออกสู่ตลาดโดยใช้ตัวเก็บประจุแบบบางพิเศษที่ผลิตในอเมริกา ความจุสูง

วิศวกรออกแบบฮาร์ดแวร์มักจะมองหาโอกาสในการลดต้นทุนส่วนประกอบ ขนาด และน้ำหนัก ในขณะเดียวกันก็บรรลุหรือเกินเป้าหมายส่วนประกอบและระบบเพื่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ องค์ประกอบที่พบบ่อยและสำคัญที่สุดสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพคือตัวเก็บประจุที่ติดตั้งบนบอร์ดพีซีเนื่องจากมีการใช้งานจำนวนมากและกว้าง ความน่าเชื่อถือยังต้องพิจารณาเมื่อเลือกใช้ตัวเก็บประจุ เนื่องจากมีความไวต่อการรั่วไหลและการเสื่อมของความจุเมื่อเวลาผ่านไปเมื่ออยู่ภายใต้อุณหภูมิสุดขั้ว การเสื่อมสภาพนี้อาจส่งผลให้วงจรทำงานผิดปกติ ส่งผลให้ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบลดลง

ในขณะที่ซัพพลายเออร์ตัวเก็บประจุยังคงปรับปรุงการออกแบบเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน ความน่าเชื่อถือ และน้ำหนัก ส่วนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานอาจไม่สามารถใช้ได้เนื่องจากระยะเวลารอคอยสินค้านานที่เกิดจากปัญหาซัพพลายเชน

บทความนี้กล่าวถึงบทบาทของตัวกรองและตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ แสดงให้เห็นว่าตัวเก็บประจุตัวเดียวสามารถแทนที่ตัวเก็บประจุประเภทอื่น ๆ ได้อย่างไร เช่น อาร์เรย์ของตัวเก็บประจุแบบยึดบนพื้นผิว ส่งผลให้ส่วนประกอบบอร์ดและวงจรเชื่อมต่อน้อยลง ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของวงจรโดยรวม ระหว่างทางจะแนะนำตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ที่มีความน่าเชื่อถือสูงจาก Cornell Dubilier Electronics ที่มีข้อดีสองประการคือมีรูปทรงที่บางและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงมาก เนื่องจากตัวเก็บประจุผลิตในสหรัฐอเมริกาและความพร้อมในการจัดส่งอย่างรวดเร็วไปยังโรงงานผลิตในอเมริกาเหนือ ตัวเก็บประจุจึงอาจเป็นช่องทางให้ระยะเวลารอคอยสินค้าสั้นลง

ความน่าเชื่อถือของตัวเก็บประจุแบบติดบนบอร์ด

อายุการใช้งานของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดยอัตราการเสื่อมสภาพทางไฟฟ้าเคมีของโครงสร้างภายในเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากการเสื่อมสภาพนี้สามารถคาดการณ์ได้ภายใต้สภาวะการทำงานทั่วไป ผู้ผลิตจึงสามารถคำนวณอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุได้อย่างง่ายดาย ความน่าเชื่อถือของตัวเก็บประจุคือการวัดว่าอายุการใช้งานจริงของตัวเก็บประจุใกล้เคียงกับอายุการใช้งานที่คาดไว้มากเพียงใดเมื่อต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างหรือการสัมผัสกับสภาวะที่รุนแรง

แม้ว่าอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุขนาดใหญ่และขนาดเล็กจะใกล้เคียงกัน แต่ตัวเก็บประจุขนาดเล็กก็มีความน่าเชื่อถือมากกว่า เนื่องจากมีพื้นที่ผิวระหว่างพื้นผิวแอโนดและแคโทดน้อยกว่า ยิ่งตัวเก็บประจุมีขนาดใหญ่ขึ้น ความน่าเชื่อถือก็ยิ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกใช้ เช่นเดียวกับความพร้อมใช้งาน ในการเขียนบทความนี้ มีปัญหาด้านซัพพลายเชนสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงความล่าช้าในการขนส่งระหว่างประเทศอย่างมาก ด้วยเหตุผลดังกล่าว ความพร้อมใช้งานและระยะเวลารอคอยสินค้าจึงกลายเป็นเกณฑ์สำคัญสำหรับการเลือกส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์

ตัวเก็บประจุไม่ได้ขึ้นอยู่กับการปรับขนาดให้เหมาะสมที่สุดซึ่งพบได้ทั่วไปในเซมิคอนดักเตอร์หลายตัว โดยที่ขนาดของตัวเก็บประจุไม่สามารถลดขนาดลงได้โดยการย่อขนาดให้เป็นรูปทรงของกระบวนการที่มีขนาดเล็กลง เนื่องจากฟิสิกส์ของการออกแบบตัวเก็บประจุ ยิ่งอัตราตัวเก็บประจุใน Farads (F) สูงเท่าใด พื้นที่ผิวระหว่างขั้วบวกและขั้วลบก็จะยิ่งมากขึ้น จึงมีขนาดทางกายภาพที่ใหญ่ขึ้น ตัวเก็บประจุแบบยึดแนวตั้งหรือที่เรียกว่า V-chips เป็นตัวเลือกบรรจุภัณฑ์ยอดนิยมสำหรับการประหยัดอสังหาริมทรัพย์ของบอร์ด การแลกเปลี่ยนคือโปรไฟล์บอร์ดที่สูงขึ้นและการกวาดล้างน้อยลงซึ่งอาจส่งผลต่อตัวเลือกบรรจุภัณฑ์ของส่วนประกอบใกล้เคียง

ตำแหน่งการติดตั้งของตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่อาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือได้เช่นกัน ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่อาจร้อนจัดและต้องการการไหลเวียนของอากาศหรือแม้กระทั่งฮีทซิงค์ภายใต้เงื่อนไขบางประการ แรงดันไฟตรงที่ใช้ กระแสกระเพื่อม และอุณหภูมิแวดล้อมสุดขั้ว ล้วนทำให้อายุการใช้งานสั้นลงเนื่องจากการเลื่อนแบบพาราเมตริก โดยปกติ ค่าความต้านทานอนุกรมที่มีประสิทธิภาพ (ESR) ของตัวเก็บประจุเป็นพารามิเตอร์แรกที่เบี่ยงเบนไปจากข้อกำหนดของแผ่นข้อมูล เมื่อ ESR สูงขึ้น ตัวเก็บประจุก็จะร้อนขึ้นเรื่อย ๆ ในที่สุดการทำงานของตัวเก็บประจุจะล้มเหลวเมื่อมันร้อนจนโครงสร้างภายในพังและทำให้แอโนดและแคโทดสั้นลงอย่างชะงัด ในกรณีที่หายากมาก ความร้อนจะทำให้ตัวเก็บประจุแห้งและกลายเป็นวงจรเปิด

การเสื่อมสภาพของตัวเก็บประจุในระบบสามารถแสดงเป็นความล้มเหลวแบบสุ่มได้ก่อน ซึ่งจะกลายเป็นความล้มเหลวของระบบอย่างรวดเร็วเมื่อตัวเก็บประจุลัดวงจร ปัญหานี้ได้รับการขยายสำหรับธนาคารของตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนาน ถ้าตัวเก็บประจุตัวหนึ่งเสีย ธนาคารทั้งหมดก็จะล้มเหลว ตู้ตัวเก็บประจุจะลดความน่าเชื่อถือของระบบเนื่องจากการคิดอัตราความล้มเหลวของตู้ตัวเก็บประจุคิดจากอัตราความล้มเหลวของตัวเก็บประจุหนึ่งตัวคูณด้วยจำนวนตัวเก็บประจุในตู้ ด้วยเหตุผลนี้ ตู้ตัวเก็บประจุจึงถูกห้ามใช้ในการออกแบบที่มีความน่าเชื่อถือสูง แทนที่จะใช้ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่เพียงตัวเดียว

ตัวเก็บประจุที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงและเชื่อถือได้สูง

สำหรับการใช้งานที่มีพื้นที่จำกัดและมีความน่าเชื่อถือสูง Cornell Dubilier ได้นำเสนอ THA และ THAS Thinpack ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ ตัวเก็บประจุได้รับการออกแบบสำหรับความหนาแน่นของพลังงานที่สูงมากด้วยแพ็คเกจที่บางและมีรายละเอียดต่ำ ตัวเก็บประจุมีเคสเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ปิดตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าเพื่อป้องกันการรั่วซึม การเชื่อมด้วยเลเซอร์นี้ทำให้ไม่ต้องใช้ปะเก็นซีลปลายขนาดใหญ่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการปิดผนึกปลายของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าส่วนใหญ่ วาล์วในเคสช่วยให้ระบายแก๊ส บรรเทาความดันภายในซึ่งช่วยลดอาการบวม เส้น THA หนา 8.2 มม. (มม.) และเส้น THAS หนา 9 มม. (มม.) การออกแบบตัวเก็บประจุ THA และ THAS ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงาน 5,000 ชั่วโมงที่ 85°C และ 105°C ตามลำดับ มีความหนาแน่นของพลังงานเท่ากับ 0.9 จูลต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (J/cm³)

สำหรับการใช้งานการกรองและการควบคุมมอเตอร์จำนวนมาก นักออกแบบสามารถใช้ THAS131M450AD0C THAS ซีรีส์ 130 ตัวเก็บประจุแบบไมโครฟารัด (µF) (รูปที่ 1) ตัวเก็บประจุมีความยาว 66.5 มม. และกว้างเพียง 25.4 มม. ดังที่กล่าวไว้ ตัวเก็บประจุซีรีส์ THAS มีความหนาเพียง 9 มม. ดังนั้นเมื่อติดตั้งไว้ ตัวเก็บประจุดังกล่าวจะทำให้บอร์ดพีซีมีโปรไฟล์ที่ต่ำมาก ได้รับการจัดอันดับที่ 450 โวลต์ ซีรีส์นี้เหมาะสำหรับการใช้งานในการควบคุมมอเตอร์และแหล่งจ่ายไฟขนาดกะทัดรัด เนื่องจากซีรีส์นี้มีความบางมาก จึงเหมาะสำหรับแล็ปท็อปหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ low-profile ที่คล้ายกันซึ่งมีพื้นที่ว่างสำหรับส่วนประกอบอย่างจำกัด ตัวเก็บประจุยังสามารถติดตั้งในแนวตั้งบนบอร์ดพีซีเพื่อประหยัดพื้นที่ เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุที่คล้ายกัน

รูปที่ 1: ตัวเก็บประจุ THAS131M450AD0C 130 µF ได้รับการจัดอันดับที่ 450 โวลต์และมีความหนาเพียง 9 มม. ทำให้เหมาะสำหรับการควบคุมมอเตอร์และการใช้งานบอร์ดพีซีแบบเรียบ (ที่มาของภาพ: Cornell Dubilier)

ที่ 130 µF สามารถใช้ THAS131M450AD0C เพื่อแทนที่ตัวเก็บประจุขนาดเล็กเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือ ESR ของ THAS131M450AD0C ที่ 25°C คือ 1.12 โอห์ม (Ω) ที่ 120 เฮิรตซ์ (Hz) ซึ่งลดลงเหลือ 0.54 Ω ที่ 20 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ESR ต่ำทำให้เหมาะสมสำหรับการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งที่ต้องลดการสร้างความร้อน กระแสไฟกระเพื่อมที่ 85 องศาเซลเซียสได้รับการจัดอันดับที่ 1.36 แอมแปร์ (A) ซึ่งมีความสำคัญต่อแหล่งจ่ายไฟเช่นกัน

ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มผลิตภัณฑ์ Cornell Dubilier THAS ตัวเก็บประจุ THAS131M450AD0C มีปลอกหุ้มสเตนเลสสตีลเพื่อเพิ่มความทนทาน ขั้วของมันคือ 20 AWG เหมาะสำหรับการติดตั้งบอร์ดพีซีแบบเจาะรูส่วนใหญ่

สำหรับการใช้งานที่ต้องเก็บแรงดันไฟฟ้าไว้ในช่วงเวลาสั้น ๆ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ TAS322M050AD0C THAS ซีรีส์ 3200 µF ตัวเก็บประจุ 50 โวลต์ มีความยาว 66.5 มม. หนา 9 มม. และมีปลอกหุ้มสแตนเลส ESR ที่ 120 Hz คือ 0.05 Ω ซึ่งลดลงเล็กน้อยเป็น 0.04 Ω ที่ 20 kHz รองรับกระแสกระเพื่อม 3.48 A ที่ 20 kHz และ 2.90 A ที่ 20 Hz ด้วย ESR ที่ต่ำและความสามารถกระแสไฟสูงนี้ จึงเหมาะสำหรับใช้เป็นตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ขนาด 50 โวลต์ เพื่อจ่ายพลังงานให้กับวงจรขนาดเล็กชั่วคราวหากไม่มีแหล่งจ่ายไฟหลัก

เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุ THAS ของ Cornell Dubilier THAS322M050AD0C มีช่องระบายอากาศที่ด้านบน ดังแสดงไว้อย่างชัดเจนในรูปที่ 2 ช่องระบายอากาศช่วยให้ก๊าซไหลออกจากตัวเก็บประจุซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทำงานปกติ แม้ว่าก๊าซอาจเพิ่มขึ้นภายใต้อุณหภูมิสูง ก๊าซที่ระบายออกเป็นส่วนผสมของไฮโดรเจนและก๊าซเสีย

รูปที่ 2: ช่องระบายอากาศที่ด้านบนของตัวเก็บประจุ THAS322M050AD0C ช่วยให้ก๊าซภายในที่สร้างขึ้นภายใต้การทำงานปกติสามารถหลบหนีได้อย่างปลอดภัย (ที่มาของภาพ: Cornell Dubilier)

การระบายก๊าซภายในมีความสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในตัวเก็บประจุที่มีมูลค่าสูง ไฮโดรเจนและก๊าซอื่น ๆ สามารถสะสมอยู่ภายในโครงเหล็ก ทำให้เกิดแรงดันที่อาจนำไปสู่ความล้มเหลวได้ หากตัวเก็บประจุมีการระบายอากาศไม่เพียงพอ ก๊าซภายในอาจก่อตัวจนถึงจุดที่อิเล็กโทรไลต์สามารถรั่วไหลออกมาบนบอร์ดพีซีและทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ลัดวงจร หรือในบางกรณี ตัวเก็บประจุอาจระเบิดได้ อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าการจัดวางบอร์ดพีซีเป็นสิ่งสำคัญมาก เพื่อให้แน่ใจว่าช่องระบายอากาศของตัวเก็บประจุไม่มีสิ่งกีดขวาง

สำหรับความจุในการชาร์จที่มากขึ้น Cornell Dubilier ได้พัฒนาซีรีส์ THA ตัวเก็บประจุ THA Thinpack มีปลอกอะลูมิเนียม และความหนา 8.2 มม. จะบางกว่ารุ่น THAS เล็กน้อย ตัวอย่างชุด THA คือ 4400 µF 50 โวลต์THA442M035AC0C มีความยาว 53.8 มม. และมีความหนาแน่นของพลังงานสูงมากเมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุที่คล้ายกัน มี ESR 0.07 Ω ที่ 120 Hz และ 0.06 Ω ที่ 20 kHz ทำให้เหมาะสำหรับใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟชั่วคราวสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กในระหว่างการหยุดชะงักของแหล่งจ่ายไฟในช่วงเวลาสั้น ๆ ตัวเก็บประจุขนาด 4400 µF อาจร้อนจัดได้เช่นกัน ดังนั้นสิ่งสำคัญคือต้องมีการไหลเวียนของอากาศที่เพียงพอเพื่อให้อยู่ในช่วงการทำงานที่แนะนำ ซึ่งก็คือ -55°C ถึง +85°C สำหรับตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ สิ่งสำคัญยิ่งกว่าคือต้องแน่ใจว่าช่องระบายอากาศไม่มีสิ่งกีดขวาง ขอแนะนำว่าช่องระบายอากาศไม่ชี้ไปทางวัตถุไวไฟ เนื่องจากก๊าซไฮโดรเจนจะระเบิดได้

บทสรุป

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในระบบอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยการผสมผสานความน่าเชื่อถือสูงกับความหนาแน่นของพลังงานสูงและโปรไฟล์ต่ำ นักออกแบบสามารถลดขนาดและปรับปรุงอายุการใช้งานของระบบอิเล็กทรอนิกส์ได้ ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์แบบหนาแน่นของพลังงานที่ผลิตในประเทศสหรัฐอเมริกาเพียงตัวเดียวสามารถหลีกเลี่ยงระยะเวลารอคอยสินค้าที่ยาวนาน รวมทั้งเปลี่ยนช่องเก็บประจุเพื่อประหยัดพื้นที่บอร์ด

แหล่งข้อมูล

1. โมดูลการฝึกอบรมตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติค THA และ THAS Thinpack