Choix d'un condensateur électrolytique en aluminium longue durée

La durée de vie d'un condensateur électrolytique en aluminium peut être cruciale pour l'application, mais le fait d'interpréter un tel constat grâce à la fiche de données nécessite beaucoup de précautions. Cet article explique les détails auxquels prêter attention et montre quelques exemples.

La recherche du condensateur électrolytique parfait pour une application spécifique et au meilleur rapport qualité/prix peut s'avérer difficile. Ajoutez le fait qu'il doit présenter une durée de vie longue et le problème se corse encore plus. Cette recherche n'est pas toujours facilitée en raison du défaut de normalisation des fiches de données des différents fabricants. Chaque société met en avant les fonctions qu'elle maîtrise le mieux dans ses produits et la comparaison sur une base égalitaire n'est donc pas facile.

Comme pour tous les condensateurs, la fiche de données doit mentionner la tension et la capacité et généralement plus ces valeurs sont élevées, plus l'équipement est cher. Vient s'y ajouter la nécessité de disposer d'un appareil compact et d'une résistance série équivalente (ESR), ce qui augmente le coût. En outre, tous ces facteurs sont souvent en corrélation.

Ces chiffres sont généralement disponibles dans la fiche de données, mais lorsqu'il s'agit de connaître la durée de vie, également facteur de coûts supplémentaires, les choses se compliquent car cette durée dépend de la température de service. Ainsi, vous trouverez des informations telles que « x » heures à +85 °C chez certains fabricants et « y » heures à +105 °C chez d'autres fabricants.

Pour commencer, nous vous conseillons de déterminer le nombre d'heures de fonctionnement prévues de votre appareil, puis de se pencher sur l'environnement dans lequel il devra être utilisé. Les durées de vie sont généralement plus longues à basse température et si l'environnement ne doit jamais atteindre de températures élevées, le choix d'un appareil destiné aux températures faibles avec une durée de vie plus longue peut s'avérer idéal. Bien qu'il soit important de regarder le prix d'achat d'un appareil, il convient de pondérer cet aspect par rapport aux coûts en cas de panne.

L'une des raisons courantes pour lesquelles un condensateur doit présenter une durée de vie longue est par exemple le fait qu'il soit installé dans un endroit difficile d'accès, comme une plate-forme pétrolière. Dans ce cas, le coût du condensateur ne représente qu'une infime partie de ce que coûteraient les frais de réparation en cas de panne.

Un concepteur doit également vérifier ce que signifie la fin de la durée de vie. De nombreux composants perdent en performances lorsqu'ils vieillissent, mais leurs paramètres de service sont toujours considérés comme dans les tolérances. Ce qui peut être acceptable pour une application ne l'est pas obligatoirement pour toutes. Dans une application d'alimentation électrique, lorsque le condensateur est utilisé comme tampon d'entrée, la fin de sa durée de vie correspond au moment où la capacité n'est plus suffisante pour fournir l'énergie requise au convertisseur CC-CC lorsque la tension de sortie est trop faible. Concernant le tampon de sortie, la durée de vie est considérée comme terminée lorsque l'impédance augmente au-delà du point auquel la tension d'ondulation de sortie cause des problèmes aux circuits alimentés par l'alimentation électrique.

La cause la plus courante de panne réside dans l'électrolyte en lui-même, qui s'évapore au fil du temps en altérant les caractéristiques électriques. L'électrolyte est trempé dans du papier recouvert de chaque côté par des films en aluminium.

Le condensateur est composé de deux couches de matériau conducteur, séparées par une couche diélectrique. L'anode est formée par un film en aluminium avec une aire plus grande. La couche d'oxyde posée par-dessus est utilisée comme composant diélectrique. L'électrolyte de service est un liquide conducteur qui s'évapore. Un second film en aluminium, le film de la cathode, sert de zone de contact de grande taille pour le passage du courant vers l'électrolyte de service. Les techniques de fabrication permettant d'augmenter la durée de vie du condensateur sont par exemple le revêtement par anodisation et le choix de matériaux avec un degré de pureté élevé.

Généralement, la durée de vie décroît d'un facteur de deux tous les 10 °C de température de moins sur la plage de fonctionnement normale. Le fait d'augmenter la tension nominale pour réduire les possibilités de panne diélectrique peut conduire à l'effet contraire à celui recherché, dans la mesure où cela augmente l'ESR et donc la température du condensateur, accroissant ainsi les chances de panne. L'ESR augmente également lorsque la température décroit, pouvant ainsi augmenter la tension d'ondulation de sortie et le gain de boucle. Dans une alimentation électrique, cela peut provoquer des oscillations et donc de l'instabilité.

En Europe, trois des principaux fournisseurs de condensateurs électrolytiques en aluminium longue durée sont Panasonic, Vishay et Epcos. Vous trouverez ci-après des exemples de produits vendus par ces sociétés, avec une indication de leur évolution en fonction de la durée de vie utile et de longévité.

 

Produits et applications

Un bon exemple de condensateurs électrolytiques longue durée est la série EEU-FR de Panasonic. Ces équipements en aluminium à conducteurs radiaux présentent une durée de vie annoncée de 10 000 heures à 105 °C, c.-à-d. plus du double de celle de la génération précédente et avec une capacité d'environ un tiers supérieure. Ces condensateurs sont adaptés aux adaptateurs à découpage, aux applications d'élimination des bruits de ligne, aux systèmes à LED et aux applications similaires. Ils sont généralement utilisés dans les éléments de commande industriels, l'éclairage LED, les équipements à courant alternatif et les appareils ménagers.

La capacité de ces composants est comprise entre 22 et 8 200 µF et leur plage de température entre -40 et +105 ˚C. La durée de vie de 10 000 heures est donnée pour les boîtiers de 10 mm de diamètre et plus, mais la série existe avec des tailles de boîtiers allant de 5 à 16 mm. Sous 10 mm de diamètre, la longévité peut être considérablement plus faible et doit être consultée sur la fiche de données. Le modèle EEU-FR1E470 est par exemple indiqué avec une capacité de 47 µF, un diamètre de boîtier de 5 mm et une longévité de seulement 2 000 heures.

La série EEU-TP de condensateurs électrolytiques en aluminium de Panasonic pousse également les limites de la longévité. Dans ce cas, la longévité est donnée à 5 000 heures à +125 °C, tout en étant capable de résister 2 000 heures à 135 °C, la température de service maximale indiquée. La plage de capacité est comprise entre 100 et 5 100 µF. Outre les alimentations électriques, ces condensateurs peuvent être utilisés dans les applications de direction assistée dans les véhicules.

Parmi l'offre longue durée de vie proposée par Vishay, l'on trouve les condensateurs en aluminium à conducteur radial 128 SAL-RPM. Ils présentent également une longévité annoncée de 10 000 heures, mais à +125 °C, ils se vantent également d'une durée de vie utile de 20 000 heures. Toutefois, lorsque la température monte jusqu'à +175 °C, la durée de vie baisse rapidement à seulement 2 000 heures. Dans la mesure où les températures aussi élevées sont rares dans les applications, les fiches de données Vishay indiquent la durée de vie utile à +40 °C, qui est dans ce cas supérieure à 300 000 heures.

La capacité de ces équipements va de 0,22 à 68 µF et leur valeur limite de température inférieure est de -55 °C. La température supérieure peut être de +85 ou +125 °C en fonction de la tension.

Les applications adaptées à ces plages sont notamment l'équipement audiovisuel, l'automobile, l'utilisation industrielle haute température et les télécommunications, où ces condensateurs sont utilisés pour le lissage, le filtrage et la mise en tampon dans les alimentations électriques basse tension et les convertisseurs CC-CC.

Il existe également la série B41554 de condensateurs électrolytiques en aluminium avec borniers à vis d'Epcos. Ces derniers sont prescrits pour une plage de capacité de 1 500 à 220 000 µF et résistent 2 000 heures dans le cadre d'un essai de longévité à la tension à +125 °C.  La durée de vie utile indiquée est toutefois supérieure pour cette température, avec plus de 2 500 heures lorsque le diamètre est inférieur à 51,56 mm et plus de 5 000 heures lorsque le diamètre est supérieur à 64,3 mm. La durée de vie utile augmente toutefois considérablement lorsque la température baisse, avec 15 000 et 25 000 heures respectivement à +85 °C. Pour toutes les tailles, cette durée de vie est de 200 000 heures à +40 °C.

Un bon exemple d'application pour ce type de condensateurs qui ne nécessite pas de température supérieure aussi élevée est son utilisation dans les éoliennes, basées sur des topologies de conversion complète qui éliminent la transmission mécanique soumise à usure et dégradation mécanique. Pour permettre un bon rapport coût/efficacité pendant la durée de vie de l'installation (souvent plus de 20 ans dans des conditions de fonctionnement typiques), il est essentiel que les composants dans l'éolienne ne nécessitent pas de maintenance.

Les condensateurs électrolytiques en aluminium Epcos B43564 et B43584 avec des borniers à vis répondent à ces exigences complexes en matière de capacité, de fiabilité, de durée de vie et de température. Ils disposent de la densité énergétique requise dans les environnements éoliens exigus et peuvent être connectés en parallèle et en série pour s'adapter aux applications dans les installations éoliennes. Ils fonctionnent jusqu'à une température de +85 °C, à laquelle ils présentent une durée de vie supérieure à 12 000, voire 15 000 heures en fonction de leur tension. Cette durée de vie va jusqu'à 250 000 heures à +40 °C. La capacité est comprise entre 820 et 33 000 µF.

 

Conclusion

Les condensateurs en aluminium sont généralement utilisés pour le filtrage haute et basse fréquence et l'accumulation d'énergie. Ces applications exigent des valeurs de capacité et des puissances nominales élevées. Les équipements sont de petite taille en comparaison avec d'autres techniques et sont peu sensibles aux pics de tension. L'éventail de tailles disponibles est suffisamment grand pour correspondre à la plupart des applications. Cela représente toutefois souvent un inconvénient en matière de prix dans la mesure où les condensateurs sont l'un des composants passifs les plus chers d'une alimentation électrique, même si les versions électrolytiques en aluminium décrites plus haut font partie des options les plus économiques.

Mais, comme vous avez pu vous en apercevoir plus haut, la sélection du bon condensateur en aluminium peut s'avérer laborieuse, car elle implique souvent des recherches dans les fiches de données qui contiennent les informations de manière non harmonisée. Les programmes de simulation de circuits peuvent quelquefois vous aider à faire le bon choix, mais ne servent à rien lorsqu'il s'agit des caractéristiques dépendantes de la fréquence du composant. Le concepteur doit également avoir conscience de la façon dont le comportement dépendant de la fréquence varie au fil du temps, ce qui est un élément critique pour les types d'applications longue durée de vie décrites ici.