Как проблема распределения питания электролитических конденсаторов почти вывела из строя здание

March 7, 2019 Altium Designer

Недавно я наткнулся на интересную историю о котельной системе, которая не запустилась под пристальным наблюдением представителя TDK-Lambda, а решение было найдено только специалистом по обслуживанию здания. История начинается с отключения стареющего котла в разгар лютой британской зимы, что требовалось заменой семилетних радиаторов. После ремонта и замены котел был включён, но он не запустился.

Услышав разговоры о дополнительных материальных и временных затратах и не желая больше ждать возвращения тепла в своём здании, техник поднялся на чердак с представителем TDK-Lambda, чтобы изучить проблему. После показа подозрительной панели техник включил небольшой электрический нагревательный вентилятор, направил его на источник питания, и через двадцать минут котёл заработал.

Почему проблему удалось решить таким простым решением? Ответ находится в электролитических конденсаторах малого диаметра в источнике питания.

Электролитические конденсаторы: решение раскрыто

Часто в источниках питания высокого напряжения, общей практикой является применение громоздких алюминиевых электролитических конденсаторов с диаметром 10 мм и даже достигающих 50 мм. Такие большие конденсаторы, что неудивительно, хорошо подходят для подобных применений, благодаря отличной ёмкости, а также способности гасить пульсации напряжения.

К тому же такие конденсаторы обеспечивают устойчивую работу источника питания даже в случае короткого замыкания по входной линии питания переменного тока, что является важным для обеспечения надёжности котла. Конечно не хотелось бы, чтобы котлы отказывали зимой в морозы.

Такие конденсаторы имеют ряд ограничений по причине большого размера. Рассматривая спецификации изготовителя можно найти ключевые качества, являющие их сильные и слабые стороны.

Размер в обмен на правильную работу в цепях питания?

Чаще всего во внимание принимается время жизни алюминиевых электролитических конденсаторов. По истечении времени жизни беспокойство в отношении больших конденсаторов начинает вызывать снижение надёжности при повышенной температуре. Электролит постепенно испаряется вследствии диффузии через резиновые уплотнения, что выражается в потере ёмкости и снижении эквивалентного последовательного сопротивления (ESR).

Для таких конденсаторов деградация может уменьшать время установления источника питания и, как следствие старения, увеличение пульсаций выходного напряжения может достигнуть точки нестабильной работы источника питания. Очевидно, что это будет проблемой для любой системы, не говоря уже о нашем холодном здании котельной.

Решением запроса рынка было отреагировать долгоживущими при высоких температурах конденсаторами. К тому же мы часто недооцениваем важность конденсаторов в схемах запуска и обслуживания. С такими экономически оправданными долгоживущими конденсаторами мы обязаны увидеть лучшую системную эффективность, не так ли? Не совсем.

 

Компромиссы срабатывают при обмене размера на правильность функционирования… иногда.

 

Дьявол в деталях распределения питания

Учёт нескольких нюансов проектирования может иногда дать результат положительного улучшения эффективности системы. Но даже немного переменных – это слишком много, и можно в результате получить неправильную работу устройства.

Если взглянуть в спецификации изготовителей долгоживущих конденсаторов, то можно увидеть, например, что конденсатор 12,5 мм может иметь срок службы около 10 тысяч часов при температуре 105 градусов Цельсия. В той же серии конденсатор с диаметром 6,3 мм при той же температуре может иметь срок службы только 4 тысячи часов. В нашей котельной, работающей 24 часа в сутки, этот срок соответствует лишь 6 месяцам. После этого срока, конденсатор в лучшем случае будет иметь 75% от первоначальной ёмкости.

К тому же не так часто можно видеть маленькие конденсаторы около главного трансформатора источника питания, а также в горячем окружении, следовательно, наш обзор упускает эту часть качеств конденсаторов.

Назад к котлу

Стартовые цепи очень близки и важны котлу, который сообщает высокую температуру конденсатору. Это даёт эффект существенного снижения напряжения с годами, которые служил котёл.

Это может не представлять проблемы, пока котёл функционирует, однако, зная то, что источник питания начинает перезапускаться только после некоторого определённого порогового напряжения, которое накапливается в предшествующих конденсаторах (с уже пониженным значением ёмкости в условиях повышенной температуры), было бы разумно, если бы попытка перезапустить этот источник питания в разгар зимнего холода не сработала бы столь успешно.

Поэтому техник решил просто нагреть конденсатор настолько, чтобы был достигнут надлежащий порог напряжения для источника питания, чтобы затем он снова пришёл в себя и снова стал функционировать.

Выученный урок

Несмотря на то, как весела и увлекательна была эта загадка, остался неотвеченным вопрос, какие уроки мы можем извлечь из всего этого и как мы можем улучшить проекты в будущем. Для начала я рекомендую нанять техников, похожих на учёных, которые будет заниматься вашими проектами. Это обеспечит критически важный уровень изобретательности.

После этого, следует быть уверенным, что изученные мелкие особенности (особенно для “экономичных”, долгоживущих конденсаторов) внутри источников питания и цепях распределения питания будут абсолютно учтены. Проверьте спецификации. Проверьте требования к окружающим условиям. Не скупитесь, чтобы сэкономить всего несколько долларов. Иначе можете оказаться посреди зимы с растерянным представителем TDK-Lambda.

 

Цепи распределения питания конденсаторов могут иногда быть такими же запутанными, как математика уровня докторов наук.

 

К тому же, используя программное обеспечение для анализа электрических режимов схемы, мы сможем выполнить её моделирование для различных условий окружающей среды, даже с учетом эффектов старения, таких как уменьшение ёмкости электролитических конденсаторов.

Программное обеспечение, такое как имитатор электрических схем Altium Mixed Sim в Altium Designer, феноменально подходит для такого анализы, позволяя выполнять расчёты при изменении глобальной температуры схемы, расчёты при изменении параметров компонентов, расчёты с учётом технологического разброса параметров компонентов.

Чтобы услышать больше примеров или узнать о том, как Altium может сделать ваши схемы выверенными и работоспособными, поговорите с экспертом Altium сегодня!

Об авторе

Altium Designer


Инструменты проектирования электронных устройств на базе печатных плат. Информация для экспертов отрасли.

Посетите веб-сайт Больше ресурсов от Altium Designer
Предыдущая статья
Оптимизация пакетного формирования выходных файлов
Оптимизация пакетного формирования выходных файлов

Следующая статья
Использование Altium PDN Analyzer и объединение с модельно-ориентированным процессом проектирования
Использование Altium PDN Analyzer и объединение с модельно-ориентированным процессом проектирования