Implementación de condensadores con resistencia a vibraciones.


La exposición a fuerzas vibratorias puede tener un tremendo efecto adverso en la operación del equipo. Puede acortar la vida útil de dichos dispositivos al aflojar los sujetadores, interrumpir las conexiones o dañar directamente los componentes. Es posible mitigar su impacto en los elementos mecánicos fijándolos con sujetadores adicionales o aislando deliberadamente las áreas sensibles mediante el uso de soportes antivibración. Sin embargo, con elementos electrónicos, puede ser mucho más difícil.

Un sistema electrónico puede constar de una variedad de componentes diferentes que pueden dañarse por vibraciones fuertes. Existen numerosos entornos de aplicaciones en los que esto podría suceder, incluidos aquellos en los que el hardware electrónico se encuentra muy cerca de unidades industriales, motores de aeronaves, etc.

Los automóviles presentan un entorno donde los problemas de vibración son comunes, pero la naturaleza crítica de las funciones que los sistemas electrónicos deben proporcionar significa que la confiabilidad continua no debe verse comprometida; de lo contrario, la seguridad de los ocupantes del vehículo u otros usuarios de la carretera podría verse comprometida. Los métodos probados de la industria de la aviónica no se pueden utilizar en el diseño de automóviles porque son complejos y caros. Se necesitan soluciones alternativas que se adapten mejor a los requisitos sensibles a los costos de la producción de alto volumen en la industria automotriz.

Garantizar la resistencia a las vibraciones.

Para garantizar que los componentes electrónicos sean lo suficientemente resistentes a las vibraciones, primero se deben establecer puntos de referencia, que luego se deben cumplir. Aunque en una aplicación industrial la fuente desde la que se generan las vibraciones puede ser relativamente fácil de determinar (por ejemplo, un motor grande), para un automóvil hay muchas fuentes potenciales diferentes desde las que podrían originarse las vibraciones experimentadas. Por lo tanto, los fabricantes de automóviles deben realizar pruebas exhaustivas en sus modelos de vehículos.

Sin embargo, cabe señalar que las vibraciones aleatorias no se pueden estandarizar. Por lo tanto, una técnica común es usar una excitación sinusoidal, en la que el dispositivo bajo prueba (DUT) se expone a un rango de diferentes frecuencias de vibración durante el procedimiento de prueba, mientras se monitorean sus resonancias mecánicas. Si se identifica un área específica como un problema, la entrada de vibración permanece enfocada en esa frecuencia durante un período prolongado de tiempo para ver si se produce una falla en el componente. El estándar IEC 60068-2-6:2008, reconocido internacionalmente, somete los objetos de prueba a barridos cíclicos en un rango predefinido de frecuencias de vibración durante un período de tiempo prolongado. Estas frecuencias se pueden configurar a voluntad, pero en la mayoría de los casos van desde 10 Hz a 150 Hz, usando 1 g de fuerzas de vibración. Si los componentes están destinados al despliegue espacial, se pueden realizar barridos de hasta 2 MHz (para determinar si estos componentes son capaces de manejar las vibraciones encontradas en el lanzamiento).

Pruebas de vibración y las matemáticas detrás de esto

La agudeza de una onda sinusoidal se puede expresar de tres maneras diferentes. Estos son los siguientes.

  1. La máxima amplitud/desplazamiento.
  2. La velocidad máxima, que ocurre cuando la forma de onda sinusoidal cruza el punto de cambio cero.
  3. La aceleración máxima, que se produce en la parte superior de la forma de onda (cuando cambia de dirección).

La gráfica logarítmica que se muestra en la Figura 1 muestra la relación entre las tres cantidades a través de diferentes frecuencias. Esto se basa en que la velocidad es la diferencia de desplazamiento con el tiempo y la aceleración es la diferencia de velocidad con el tiempo. Dado que el diferencial del seno es un coseno, representa un cambio de fase de 90°. Una mayor diferenciación da como resultado un cambio de fase adicional de 90°.

Las tres líneas dibujadas en la Figura 1 son equivalentes entre sí, por lo que cualquiera de ellas podría usarse para definir la intensidad de la vibración a una frecuencia específica. Es conveniente reportar una cantidad constante, pero las limitaciones de la prueba hacen que sea conveniente reportar la intensidad de la vibración en términos de desplazamiento constante a frecuencias más bajas y luego aceleración constante a frecuencias más altas.

Protección de condensadores contra daño inminente por vibración

Los condensadores son una parte esencial de cualquier circuito electrónico: permiten que la energía eléctrica se almacene y libere cuando sea necesario. Pueden servir para una serie de propósitos diferentes, tales como B. alimentar dispositivos, suavizar las ondas de voltaje en un suministro para hacerlo más estable o filtrar el ruido de las señales para mejorar su integridad. Desafortunadamente, estos componentes se encuentran entre los más propensos a problemas de vibración. Esto es especialmente cierto para los capacitores electrolíticos de alta calidad. Los capacitores electrolíticos de orificio pasante a menudo solo pueden manejar un máximo de 10 g y un desplazamiento de pico a pico de 1,5 mm en un barrido de frecuencia de 10 Hz a 55 Hz. Si bien esto puede ser lo suficientemente bueno para equipos comerciales no críticos, no hay duda de que se requerirán clasificaciones más altas para automóviles, equipos agrícolas y vehículos de construcción.

Hay Condensadores cerámicos multicapa (MLCC) disponibles de Kyocera AVX, que están optimizados para su uso en entornos donde se esperan altos niveles de vibración. Está plazo flexibleTM La serie se beneficia de un diseño innovador que mantiene la integridad de los componentes y la confiabilidad operativa gracias a los conectores flexibles de estos MLCC. En caso de fuertes vibraciones, se evitan las fracturas que de otro modo se producirían entre el material cerámico y las superficies de conexión correspondientes (que amenazan con la entrada de humedad que daña irreparablemente el condensador). Esto se debe a la capa adicional integrada en estos grados. La capa (que consiste en un polímero conductor que ha sido recubierto con depósitos de níquel y estaño) actúa como un amortiguador invaluable contra las tensiones que causará la flexión de la placa de circuito en la que se montan los MLCC, y proporciona flexibilidad mecánica adicional. La incorporación de esta característica se logró manteniendo bajos los costos unitarios involucrados.

Flexiterm MLCC se puede suministrar con valores de capacitancia de 220 pF a 100 nF y tamaños de caja de 0805 a 2225. Los escenarios de aplicación en los que se pueden usar estos componentes incluyen la industria automotriz (donde la serie está completamente calificada para AEC-Q200), infraestructura inalámbrica, sistemas de automatización industrial e instrumentación.

KEMET ha abordado el problema de la resistencia a la vibración de los condensadores con el desarrollo de su MLCC FT-CAP. Aquí, se coloca un epoxi de plata conductor entre el metal base y las capas de barrera de níquel del conjunto de conector estándar de la empresa. Esto permite la retención de la fuerza de la terminal y no tiene impacto en el rendimiento eléctrico, pero proporciona la flexibilidad necesaria para evitar que se produzcan grietas durante la flexión de la PCB. Estos dispositivos tienen clasificaciones de CC de hasta 250 V. Están disponibles en tamaños de caja de 0603 a 2225 y cubren capacitancias de 180 pF a 22 μF (con márgenes de tolerancia de ±5 %, ±10 % y ±20 %). Los mercados clave para estos MLCC incluyen industrial, automotriz, aviónica, telecomunicaciones, etc.

Conclusión

Hay un número creciente de casos de uso en los que la capacidad de soportar altos niveles de vibración es una prioridad muy alta. Aprovechando la tecnología patentada, los principales fabricantes de capacitores ahora están produciendo componentes que exhiben tales características, lo que garantiza la confiabilidad operativa a largo plazo incluso en los entornos más exigentes, al mismo tiempo que se ofrecen a precios atractivos. TME reconoce la importancia de tal ingenio y está trabajando con estas empresas para construir los canales de suministro necesarios para ayudar a los clientes que buscan condensadores resistentes a las vibraciones.




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