決定開關(guān)電源壽命的元器件

1、電解電容器

電解電容器的封口部位會(huì)漏出氣化的電解液，這種現(xiàn)象會(huì)隨著溫度的升高而加速，一般認(rèn)為溫度每上升10℃，泄漏速度會(huì)提高至2倍。因此可以說電解電容器決定了電源裝置的壽命。

2、風(fēng)扇

球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機(jī)械裝置部件的磨損，會(huì)加速風(fēng)扇的老化。加之近年的DC風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)回路開始使用電解電容器等部件，所以有必要將回路部件壽命等因素也一并考慮進(jìn)去。

3、光電耦合器

電流傳達(dá)率（CTR；Current Transfer Ratio）隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸減少，結(jié)果發(fā)光二極管的電流不斷增大，有時(shí)會(huì)達(dá)到最大限制電流，致使系統(tǒng)失控。

4、開關(guān)

多數(shù)開關(guān)電源設(shè)有電容器輸入型的整流回路，在通入電源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，導(dǎo)致開關(guān)接點(diǎn)疲勞，引發(fā)接觸電阻增大及吸附等問題。理論上認(rèn)為，在電源期望壽命期間，開關(guān)的通斷次數(shù)約有5,000回。

5、沖擊電流保護(hù)電阻、熱敏功率電阻器

為抵抗電源通入時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流，設(shè)計(jì)者將電阻與SCR等元件并聯(lián)起來使用。電源通入時(shí)的電力峰值高達(dá)額定數(shù)值的數(shù)十倍至數(shù)百倍，結(jié)果導(dǎo)致電阻熱疲勞，引起斷路。處在相同情況下的熱敏功率電阻器也會(huì)發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象。

各元器件壽命的評(píng)估計(jì)算

1、電解電容器

1.1 壽命性能

電解電容器的壽命結(jié)束形式為磨損故障，決定壽命的主要因素為靜電容量、損失角的正切（tanδ）、漏電流等。隨著時(shí)間的推移，靜電容量減少，tanδ增大。漏電流在外加電壓時(shí)有增加的趨勢(shì)，所以對(duì)負(fù)荷的壽命影響不大。

1.2 壽命的判定

用百分比來表示靜電容量相對(duì)于起始值的變化率，一般達(dá)到－20%以下時(shí)即告壽命結(jié)束。tanδ的值在超過規(guī)定值時(shí)壽命結(jié)束。漏電流在零負(fù)荷的情況下有增加的趨勢(shì)，同理，在超過規(guī)定值時(shí)壽命結(jié)束。

1.3 影響壽命的主要原因

前面講到的特性之所以會(huì)產(chǎn)生劣化，其主要原因在于電解液。隨著溫度的上升，電解液氣化，經(jīng)電容器的封口部位向外泄漏，內(nèi)部的電解液不斷減少。隨著電解液量的減少，tanδ會(huì)逐漸增大，結(jié)果，脈沖電流經(jīng)由時(shí)產(chǎn)生的發(fā)熱量增大，又進(jìn)一步加快了劣化過程。這種關(guān)系如圖1所示。

圖1

左圖：電解液的減少與容量變化

右圖：電解液量與tanδ變化

1.4 壽命的推算

鋁電解電容器的近似壽命可以由環(huán)境溫度與脈沖電流引起的自發(fā)熱溫度中推得。下面的式子表現(xiàn)了壽命與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。

測(cè)定脈沖發(fā)熱的升溫值時(shí)，需避開其它熱輻射。另外，小型電解電容器受熱極易升溫，最好進(jìn)行表面溫度實(shí)測(cè)。

2、光電耦合器

GaAs系的紅外發(fā)光二極管多使用光電耦合器。這種發(fā)光二極管的發(fā)光效率的退化會(huì)導(dǎo)致CTR（電流傳達(dá)率）下降，其它的CTR劣化形式還有芯片面的光結(jié)合樹脂剝離。溫度越高，CTR的下降也越快。同時(shí)，二極管電流越大，CTR下降也越快。圖 2標(biāo)明了這些因素間的關(guān)系。

圖2

左圖：保存溫度對(duì)CTR的徑時(shí)變化

右圖：動(dòng)作試驗(yàn)與CTR的徑時(shí)變化

CTR降至起始值的50%所耗的時(shí)間稱為半衰期。電源回路的統(tǒng)計(jì)中以此為限界值，所以可以認(rèn)為半衰期就是壽命時(shí)間。通常條件下，半衰期為5萬～10萬小時(shí)，但所有的光電耦合器都具有如圖3所示的壽命值，因而在進(jìn)行壽命評(píng)估之前最好確認(rèn)一次。

圖3光電偶合器的壽命特性

3、風(fēng)扇

風(fēng)扇的壽命受軸承及球形軸承的磨損程度影響。軸承部分因旋轉(zhuǎn)而發(fā)熱，風(fēng)扇自身雖能進(jìn)行一定程度的冷卻，但不能從根本上解決發(fā)熱問題。測(cè)出軸承部位的升溫值，升溫值越小，質(zhì)量越好，由此來選擇合適的制造商。

軸承部位的潤滑油干枯及軸承的磨損導(dǎo)致轉(zhuǎn)數(shù)下降，噪音增大，加快了壽命的終結(jié)。關(guān)于轉(zhuǎn)數(shù)的減少，各制造商的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，但一般以起始值的3～5%為上限。壽命隨著溫度的上升而縮短。普通的 DC 無刷電動(dòng)機(jī)在40℃的環(huán)境下，壽命約為 40,000小時(shí)，廉價(jià)的金屬軸承風(fēng)扇約為10,000小時(shí)。圖4標(biāo)出了風(fēng)扇的壽命的特性值。

圖4 DC無風(fēng)扇的壽命特性

另外，DC風(fēng)扇的壽命還受內(nèi)臟部分——電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路影響。風(fēng)扇中經(jīng)常會(huì)用到鋁電解電容器，因此有必要將電容器拆開檢查（鋁電解是 105℃）。

4、防浪涌電阻

電阻的穩(wěn)定性高，故障率為1FIT以下，壽命極長，所以平時(shí)使用時(shí)無需特別留意。

沖擊電流防護(hù)回路中使用的像電阻器一樣帶有浪涌電力的元件，會(huì)因?yàn)殚_關(guān)的循環(huán)而發(fā)生熱疲勞，導(dǎo)致斷路。浪涌電力、持續(xù)時(shí)間和循環(huán)次數(shù)成以下關(guān)系。

帶負(fù)荷的衰減波形的耐浪涌特性如圖5所示。將最大的第一波形的峰值電壓(Vp)代入(7)式，可得 Vrms；再代入(8)式，可求得額定電力倍數(shù)。這兩個(gè)數(shù)值和衰減時(shí)間常數(shù)r都適用于圖5。該曲線的內(nèi)側(cè)為安全地帶。使用普通的鎳鉻線（耐浪涌）時(shí)，約可承受30,000次浪涌。

圖5繞線電阻器的耐浪涌特性

時(shí)間常數(shù)是當(dāng)衰減波形的實(shí)效值降至第一波形的0.368倍時(shí)的時(shí)間值，所以其數(shù)值一般從電阻值上的波形照片中獲得。

5、熱敏電阻

5.1 壽命性能

作為沖擊電流防護(hù)回路的部件，使用在較小容量（不超過70W）的電源中。電源接入時(shí)，電流達(dá)到最大值，熱敏電阻隨著溫度的上升，電阻值降低。通常溫度會(huì)上升至70～90℃，雖然熱敏電阻采用的是耐熱材料，但熱疲勞仍然會(huì)影響其壽命。

制造商方面的壽命規(guī)格：當(dāng)通過最大允許電流時(shí)，斷續(xù)負(fù)荷的壽命為10,000次循環(huán)。然而，熱敏電阻器在用來防護(hù)沖擊電流時(shí)，電源通入后，電阻上通過的電流會(huì)達(dá)到最大允許電流的10～20倍，所以功率循環(huán)的耐用期也會(huì)縮短。

5.2 壽命判定

電阻值隨時(shí)間的推移而發(fā)生變化，其變化率超過規(guī)定值時(shí)，壽命即告終止。熱敏功率電阻在用來防護(hù)沖擊電流時(shí)，電阻值會(huì)逐漸變大。表1列出了熱敏電阻壽命性能規(guī)格。

表1熱敏功率電阻器的壽命性能

6、繼電器、開關(guān)

繼電器和開關(guān)的壽命分兩種：一為機(jī)械壽命，一為電壽命。前者由機(jī)械部件的磨損程度決定，包括開關(guān)靈活性下降、繼電器工作時(shí)間和復(fù)位時(shí)間延長等現(xiàn)象。后者主要受絕緣電阻和接點(diǎn)的接觸電阻增大的影響。

以上幾種劣化形式中，最需要引起注意的是電感負(fù)載的浪涌電壓引發(fā)的接點(diǎn)電弧現(xiàn)象，以及沖擊電流引發(fā)的接點(diǎn)劣化問題。一般來說，開關(guān)電壓和電流越大，接點(diǎn)壽命越短。功率因數(shù)越小，壽命越短。圖6表示了繼電器的壽命性能。

審核編輯：湯梓紅