La dissipazione termica nei condensatori elettrolitici

L’aspettativa di vita dei condensatori elettrolitici è legata alla velocità di decadimento dell’elettrolita stesso, regolata dalla legge di Arrhenius che mette in relazione la costante di velocità di decadimento con la temperatura dell’elettrolita.

In particolare ad un aumento della temperatura ambiente dell’elettrolita di 10°C corrisponde un dimezzamento dell’aspettativa di vita dell’elettrolita stesso.

La temperatura dell’elettrolita può essere vista come la risultante della temperatura ambiente in cui si trova il condensatore (od il banco di condensatori nel suo insieme) unita alla temperatura dovuta al ripple di corrente nel condensatore.

Modificare la temperatura dovuta al ripple vorrebbe dire riprogettare il componente dal punto di vista della resistenza interna; ma una buona gestione termica del condensatore ne abbassa la temperatura e ne allunga la vita.

Si impone quindi l’importanza del trasferimento termico dal condensatore verso un dissipatore di calore proprio (ad es. le classiche alette di alluminio estruse) od improprio (ad es. un contenitore in metallo termodissipativo che funga da dispersore di calore verso l’ambiente).

La quantità di calore che viene trasferita tra le due superfici in contatto, quella del componente e quella del dissipatore, dipende sia dalla loro ampiezza, sia dalla qualità del contatto.

Risulta, quindi, molto importante che tra le due superfici sia interposto un materiale termoconduttivo che ne permetta il contatto migliore possibile; altra cosa che va considerata è se tale materiale termoconduttivo debba essere anche elettroisolante.

Un corretto interfacciamento termico permette di rimuovere il massimo calore generato, abbassando la temperatura del condensatore, così da prolungarne la durata di vita, come si vede dalla termografia qui sotto che riporta (in condizioni al contorno completamente identiche) a sinistra il caso di condensatore non dissipato (T_MAX = 48°C) e a destra il caso di condensatore dissipato (T_MAX = 38°C).

Soluzioni proposte da REI

REI è un’azienda con una lunga esperienza nel mercato dell’elettronica di potenza e che, a partire dal 2003, è presente in ambito europeo con prodotti per la gestione termica ed elettrica, operando come gestore indipendente di stock per produttori di materiali quali Denka e Timtronics, basati oltre oceano.

Punto di forza del servizio offerto è la trasformazione meccanica dei materiali termoconduttori su specifica del cliente (trasformazione di formato, fustellatura, taglio numerico, affettatura).

Grazie alla collaborazione a stretto contatto con il cliente, REI è in grado di identificare la soluzione con il miglior rapporto qualità/prezzo e di fornire in tempi brevi campionature per la validazione delle scelte progettuali fatte. Per approfondimenti si veda il sito www.reipower.it .

Per la dissipazione termica nei condensatori elettrolitici, mirata ad allungare la vita di questi ultimi, REI propone diverse soluzioni suddivisibili in due macro famiglie:

Interfacce Termiche

Pad Sottili – Si tratta di pad termoconduttivi ed elettroisolanti che col loro ridotto spessore (normalmente solo 0,20 .. 0,30 mm) si impiegano soprattutto nei montaggi di condensatori con collare. Tre sono i prodotti principalmente impiegati, tutti con struttura rinforzata in fibra di vetro:

• BFG20 – caratterizzato da alte prestazioni termiche e dielettriche
• LR20 – con buone prestazioni termiche, ma mediocri capacità dielettriche
• M20 – con discrete prestazioni termiche e buoni valori dielettrici

Tappetini spessi – Sono tappetini similari ai pad ma per lo più privi di rinforzo, a carattere termoconduttivo ed elettroisolante. Si impiegano preferibilmente nei montaggi di condensatori su superfici con forti irregolarità (tali da richiedere di essere compensate con la compressione di materiali di spessore relativamente alto) ed in cui si voglia ottenere un effetto guarnizione.

Anche in questo caso ci sono almeno tre soluzioni, basate sulle seguenti famiglie di materiali:

• FSL-D – possiede alte prestazioni termiche e dielettriche; non ha rinforzo in fibra di vetro
• FSL-F3 – con discrete prestazioni termiche e alte prestazioni dielettriche, privo di rinforzo in fibra di vetro
• FR(N)G – con discrete prestazioni termiche e alte prestazioni dielettriche); tali materiali sono accoppiati da un lato con un pad rinforzato in fibra di vetro per migliorare l’impiego e l’isolamento elettrico.

L’assenza di rinforzo in fibra di vetro per FLS-D e FLS-F3 non impedisce che eventuali lacerazioni di taglio del materiale creino percorsi di scarica elettrica relativamente brevi, anche se il carattere fortemente elettroisolante di questi materiali (~ 10 KV/mm) e l’elevato spessore ne rendono l’impiego piuttosto sicuro anche dal punto di vista dell’isolamento elettrico.

Riempimenti termoconduttivi

Gap filler liquidi – si tratta di materiali riempitivi termoconduttivi per lo più a base di silicone, che sono stati creati con l’obiettivo di unire sia le proprietà delle gomme che polimerizzano sia una buona resistenza alla compressione. Sono disponibili sia in versione a carattere elettricamente isolante che elettricamente conduttivo.

Ad esempio il gap filler liquido Timtronics Timtronics TIM-LGF 2004 è un riempitivo bi-componente ad alte prestazioni termiche che polimerizzando assume la consistenza dei tipici tappetini siliconici spessi e che, depositato solo dove serve, permette di minimizzare gli spessori del materiale di interfacciamento termico. La polimerizzazione in situ di tale materiale ne garantisce un buon adattamento alle superfici di condensatore e dissipatore.

Stucchi termoconduttivi – sono materiali con ottimo rapporto prezzo/prestazioni (come ad es. la serie TIM- PUTTY di Timtronics), a carattere per lo più elettroisolante. Hanno l’aspetto di paste ad alta viscosità, sia a base siliconica che a base non-siliconica, appiccicose e modellabili, che non polimerizzano assumendo una consistenza definitiva, ma sono sempre riposizionabili e rimodellabili. La buona conducibilità termica è data dalla combinazione di ossidi metallici presenti come filler e un legante complementare.

Resine di riempimento volumico termoconduttive – sono resine che aiutano a creare volumi di riempimento termoconduttivo all’interno dei contenitori per l’elettronica che polimerizzando assumono una consistenza solida e solidale con il resto del montaggio elettronico, fornendogli anche la prerogativa di un’elevata robustezza e di un buon assorbimento delle vibrazioni. Resine di natura siliconica (come ad es. la Timtronics TIM-PC 8550TC) offrono anche un buon adattamento ai diversi coefficienti di dilatazione dei materiali inglobati.

Grassi–nel caso sia necessario che il materiale di interfacciamento svolga anche la funzione di riempimento tra le due parti coinvolte dallo scambio termico, si possono utilizzare i classici grassi temici.

I grassi richiedono di essere opportunamente sigillati nella cava che ospita il condensatore. La proposta REI cade ad es. sul materiale Blue Ice 411, un grasso non-siliconico a carattere elettroisolante analogo alla tipica pasta bianca usata in molti fissaggi elettronici.

Impaccamenti di Nitruro di Boro “BN100” – si tratta di una soluzione poco conosciuta in ambito industriale, ma già consolidata in ambito aeronautico e soprattutto aerospaziale.

Mentre le soluzioni normalmente impiegate in ambito industriale impiegano filler ceramici termoconduttivi ed elettroisolanti dispersi bidimensionalmente in una base siliconica o sintetica, questa innovativa tecnologia consiste nel realizzare impaccamenti (tridimensionali) delle sole polveri ceramiche nei volumi interessati dalla dispersione del calore, con superlative prestazioni termiche (fino a ~ 21 [W/(m·K)] ) e dielettriche. Altri vantaggi sono l’intrinseca assenza di outgassing, ottime prestazioni di smorzamento delle vibrazioni, assorbimento delle radiazioni cosmiche e relativamente basso peso specifico.

Per maggiori informazioni scrivi a marketing@tecnoimprese.it