Como Estimar a Vida Útil de um Capacitor Eletrolítico

A vida útil de um capacitor eletrolítico depende, principalmente, dos seguintes fatores:

• Temperatura;
• Tensão de operação;
• Ondulação de corrente.

Perto do fim de sua vida útil, o capacitor perde capacitância e sofre um aumento considerável na resistência série equivalente [1]. Para evitar falhas prematuras em conversores estáticos por conta disso, é importante avaliar a vida útil esperada para o capacitor escolhido. Um projeto bem realizado pode estender a vida útil acima de 10 anos.

Nesse contexto, alguns fabricantes de capacitores já fornecem um gráfico que nos permite estimar a vida útil com base na ondulação de corrente e na temperatura ambiente. No artigo anterior, eu apresentei um exemplo numérico utilizando tal ferramenta. Mas para que possamos estimar a vida útil de capacitores nos casos em que os fabricantes não fornecem o gráfico, precisamos recorrer aos cálculos. E é isso que vamos ver no artigo de hoje.

Cálculo da Vida Útil de um Capacitor Eletrolítico

A vida útil do capacitor pode ser estimada por meio da seguinte equação [2]:

(1)

onde:

L – vida útil resultante

L₀ – vida útil especificada no datasheet

K_T – fator de temperatura

K_R – fator da ondulação de corrente

K_V – fator de tensão

Fator de Temperatura K_T

A vida útil dos capacitores eletrolíticos segue a regra conhecida como “10-Kelvin-rule”, a qual estabelece, segundo (2), que uma queda de 10K na temperatura ambiente dobra a vida útil do capacitor [3].

(2)

Na equação acima, T₀ representa a temperatura máxima suportada pelo capacitor e T_a é a temperatura ambiente para a aplicação em questão. 

Fator da Ondulação de Corrente K_R

O impacto da ondulação de corrente na vida útil do capacitor pode ser calculado como segue [4]:

(3)

onde

I_A – valor eficaz da ondulação de corrente calculado para a aplicação em questão.

I_R – ondulação de corrente nominal na temperatura máxima (fornecido no datasheet).

ΔT₀ – variação de temperatura no núcleo (tipicamente 3,5~5K para T₀ = 105°C e 3,5~10K para T₀ = 85°C).

Fator de Tensão K_V

Para um capacitor eletrolítico radial de pequeno porte, a perda de eletrólito devido à variação de temperatura domina o modelo de vida útil. Nesse caso, o fator K_V pode ser tomado como unitário (K_V = 1) [2].  Por outro lado, para capacitores de médio e grande porte (com terminais de encaixe “snap-in” ou de parafuso), a tensão aplicada passa a impactar a vida útil do componente. Quanto mais a tensão de operação se aproxima da tensão nominal, mais o eletrólito é consumido diminuindo assim a vida útil do capacitor. 

Uma maneira simples de considerar tal influência é dada pela expressão abaixo, obtida empiricamente por diversos fabricantes.

(4)

sendo V_R a tensão nominal e V_A a tensão de operação. O exponente n é definido como segue  

Exemplo Numérico

Para ficar mais claro o uso da equação (1), recomendo assistir o vídeo abaixo. Nele eu apresento um exemplo numérico comparando o resultado estimado analiticamente com o resultado obtido através do gráfico. 

Referências

[1] A. Gupta, O. P. Yadav, D. DeVoto, and J. Major, “A review of degradation behavior and modeling of capacitors,” in Proc. Int. Tech. Conf. Exhib. Packag. Integr. Electron. Photon. Microsyst., Oct. 2018, pp. 1–10.

[2] A. Albertsen. “Electrolytic Capacitor Lifetime Estimation”. Jianghai^® Europe Electronic Components. 

[3] S. G. Parler, “Deriving life multipliers for electrolytic capacitors,” IEEE Power Electron. Soc. Newsl., vol. 16, no. 1, pp. 11–12, Feb. 2004.

[4] Nichicon Corporation^®. “General Descriptions of Aluminum Electrolytic Capacitors“. Technical Notes CAT.8101E-1.