پاور کامپیوتر زیر ذره‌بین: بررسی ساختار، اجزا و نحوه عملکرد

محاسبه ریپل جریان و عمر خازن

اندازه‌گیری ریپل جریان در خازن

یکی از مهم‌ترین عوامل در تعیین طول عمر یک خازن، ریپل جریان (Current Ripple) است. در ادامه مثالی می‌زنیم تا روش محاسبه ریپل جریان روی یک خازن بالک (Bulk Capacitor) که در مبدل APFC استفاده می‌شود، مشخص شود.

فرض کنید ریپل ولتاژ خازن برابر با 5V_pp و مقاومت ESR آن 0.5Ω باشد. برای سادگی، فرض می‌کنیم مقدار ESR ثابت است (اگرچه در عمل وابسته به فرکانس است). ابتدا باید مقدار V_pp را به V_rms تبدیل کنیم:

V_rms (V_rms = V_pp × 1/  √2= V_pp × 0.7071)

اکنون با استفاده از قانون اهم (I = V/R)، ریپل جریان مؤثر را محاسبه می‌کنیم:

V_rms = 5V × 0.7071 = 3.5355 V_rms

این مقدار جریان ریپل بسیار بالاست و فشار زیادی به خازن وارد می‌کند. حالا اگر توان تلف‌شده را با فرمول P = I² × R محاسبه کنیم:

25W (7.071² × 0.5Ω)

یعنی خازن بالک در اثر این جریان داغ خواهد شد. برای کنترل دما نیاز به فن خنک‌کننده قوی وجود دارد (که به معنای افزایش نویز صوتی است). بهترین راه برای کاهش ریپل جریان، کم کردن ریپل ولتاژ و انتخاب خازن بالک با مقدار ESR مناسب است.

محاسبه عمر خازن الکترولیتی

داشتن روشی ساده برای تخمین عمر خازن اهمیت زیادی دارد. فرمول پایه به شکل زیر است:

L₂ = L₁ x (V_r/V_o) x 2^x

که در آن:

• T_a = دمای محیط
• T_m = دمای بیشینه مجاز خازن
• ΔT = افزایش دمای خازن به دلیل ریپل جریان
• V_r = حداکثر ولتاژ نامی خازن
• V_o = ولتاژ کاری خازن
• L₁ = طول عمر نامی خازن (توسط سازنده مشخص می‌شود)
• L₂ = طول عمر تخمینی خازن در شرایط کاری فعلی

نمونه:

x = (T_m-(T_a+ΔT))/10

APFC چیست؟

APFC مخفف عبارت active power correction factor (اصلاح ضریب توان فعال) است و یک مبدل APFC شکل موج جریان را طوری تنظیم می‌کند که با شکل موج ولتاژ تطابق داشته باشد. همچنین باعث می‌شود منبع تغذیه با محدوده وسیعی از ولتاژهای ورودی سازگار شود.

حال فرض کنیم یک خازن الکترولیت بزرگ با عمر بارگذاری 2000 ساعت، حداکثر ولتاژ 420 ولت و حداکثر دمای 105 درجه سانتی‌گراد داریم. اگر این خازن را داخل یک مبدل APFC استفاده کنیم که باس جریان مستقیم آن حدود 380 ولت DC است و فرض کنیم دمای داخلی آن 50 درجه سانتی‌گراد نگه داشته شود و افزایش دما به خاطر جریان ریپل 10 درجه باشد، عمر تخمینی آن با معادله زیر محاسبه می‌شود:

L_{2 =} 2000 x (420/380) x 2^4.5 ≈ 50,019 hours     

اگر فرض کنیم دمای محیط 40 درجه سانتی‌گراد باشد، مقدار زیر داریم:

L_{2 =} 2000 x (420/380) x 2^5.5 ≈ 100,037 hours    

مثال فوق به وضوح نشان می‌دهد که اختلاف 10 درجه در دمای کاری یک خازن الکترولیت می‌تواند عمر تخمینی آن را دو برابر یا نصف کند. علاوه بر این، خازن‌هایی با درجه حرارت 105 درجه سانتی‌گراد، چهار برابر عمر بیشتری نسبت به خازن‌های مشابه با درجه حرارت 85 درجه سانتی‌گراد دارند.