Värmeutveckling, Hot Spot och kylning
i elektrolytkondensatorer

• Värmeutveckling
• Hot Spot
• Kylning

Värmeutveckling

Som du kommer se så ställer värmeutvecklingen inuti kondensatorn i en stereoförstärkare sällan till några problem. Inte desto mindre är det viktigt att känna till problemet, hur det uppstår, påverkar livslängden och hur man kan undvika det. Värmeutvecklingen uppstår när det går en ström genom kondensatorn. Eftersom en kondensator i stort sett spärrar likström (det är endast en mycket liten läckström av likström som kan passera) så är det växelströmmen som ger upphov till värme.

Alla kondensatorer har ett visst inre motstånd, ESR. (mer om ESR) Denna resistans är olika vid olika frekvenser. I denna artikel pratar jag bara om när kondensatorn används i nätdelar och för att glätta likströmmen efter en likriktare, dvs 100Hz (vid halvvågslikriktning = 50 Hz). Skall du använda kondensatorn vid andra frekvenser bör du sätta dig in i problematiken lite djupare genom att läsa till exempel Application Guide från RIFA.

ERS vid 100 Hz är det värde som oftast anges när man talar om ESR. När man skall beräkna värmeutvecklingen så måste man först räkna ut hur mycket effekt som utvecklas i kondensatorn. Detta sker helt enkelt genom att man använder sig av Ohms lag U=RxI² eller U=VxI. Vi måste alltså veta ESR och strömmen genom kondensatorn.

ESR hittar du i databladen för kondensatorn och strömmen räknar du enkelt ut (skall du vara mycket exakt hänvisas åter till Application guide men för överslagsberäkningar duger denna metod utmärkt) genom att du vet hur mycket ström din apparat drar vid full effekt.

Vi kan ta ett exempel med ett transistorslutsteg på 200W maxeffekt. Ansluter du ett par 4 Ohms högtalare så blir maxström enligt Ohms lag ca 7A. (U=RxI²= 200/4 = 50. Roten ur 50 är drygt 7 (7x7=49))

I förstärkaren har du tänkt dig en kondensator på 10 000µF/63V. En sådan har en ESR på 13mOhm dvs 13 tusendels Ohm. Effektutvecklingen blir då 0,00013x50 dvs 0,0065W.Det är alltså denna effekt som kommer höja temperaturen inuti kondensatorn till en temperatur som överstiger omgivningstemperaturen. Hur mycket högre temperaturen blir beror av den kylning som kondensatorn får. Läs mera om detta nedan under rubriken kylning.

Hot Spot

Hot spot är den varmaste punkten i en elektrolytkondensator. Oftast är det inte en speciellt definierad liten punkt utan när kondensatorn fungerar som den skall så är Hot Spot en stor del av kondensatorns linda.

Om kondensatorn är trasig eller utsätts för överspänning, backspänning eller för hög temperatur kan det dock uppstå "fläckar" i kondensatorlindan där temperaturen blir extra hög. Det kan bli så varmt att kondensatorn helt eller delvis förstörs genom kortslutning. Temperaturen kan också stiga så högt att kondensatorn exploderar på grund av övertrycket inuti kåpan. På stora kondensatorer finns det därför en övertrycksventil där övertrycket kan pysa ut utan att förorsaka någon större skada. Annars skulle det kunna uppstå stora skador på omgivningen vid en explosion.

Alla som hört smällen då en liten axiell kondensator exploderar inser vilken enorm kraft som uppstår. Alla jag träffat kommer ihåg om de har hört en exploderande kondensator eller inte - det är ingenting man glömmer lätt. Man skall ha en stor respekt för denna kraft. En stor kondensator skall därför monteras enligt anvisningarna så att inte övertrycksventilens funktion försämras. I princip skall kondensatorn monteras upprättstående eller, om den monteras horisontellt, med ventilen så högt som möjligt.

Högsta Hot Spot-temperatur varierar med fabrikat och modell men är oftast runt 100°. Därefter uppstår skador på kondensatorn och i sämsta fall kan den helt förstöras. I vilket fall förkortas livslängden.

När man räknar ut Hot Spot-temperaturen så är det summan av omgivningstemperaturen och den förhöjning av temperaturen som genereras av värmeutvecklingen vid drift. Nedan kan du läsa om hur man beräknar denna förhöjning som givetvis är beroende av värmeutvecklingen minus avkylningen.

Kylning

Som du förstår av det ovanstående så är det viktigt att en kondensator kyls på ett riktigt sätt. I de flesta fall sker detta "med automatik" i audioapplikationer eftersom effektutvecklingen i kondensatorn är så liten och därmed kräver mycket liten kylning. I andra fall - som när man t ex bygger ett svetsaggregat med effektutveckling i kondensatorn på flera Watt - är det en synnerligen viktig sak att ta med i konstruktionsarbetet.

I specifikationerna på en kondensator finns ibland kylningsförmågan angiven. Den varierar med konstruktion och montering. Luftväxlingen runt kondensatorn påverkar också.

Det effektivaste är att montera med hjälp av mutter mot kylplåt och att fläktkyla kondensatorn. Som exempel kan nämnas att en kondensator som monterad med bult och har värdet 2°C/W endast har värdet 3,6°C/W om den är monterad med klammer. Dvs montering med mutter ger nästan dubbelt så effektiv kylning som montering med ring. Anledningen till detta är givetvis att kylningen blir bättre ju bättre kontakt man har mot monteringsplåten.

Låter du sedan en luftström på 2m/sek strömma förbi kondensatorn så sjunker temperaturstegringen per Watt till 1,8°C. Detta vid montering med mutter.

I exemplet ovan så konstaterade vi att effektutvecklingen i kondensatorn var 0,0065W. Som du lätt inser så innebär detta att en normal burk-kondensator sällan överhuvudtaget får någon mätbar temperaturstegring att tala om i hifisammanhang! Även en ringmonterad kondensator hade i exemplet en temperaturhöjning av endast 3,8°C per Watt. Det innebär att 0,0065W ger en temperaturhöjning av 0,025°C.

Man skall också vara medveten om att kondensatorn får högre kapacitans och lägre ESR vid högre temperatur. Så länge man håller temperaturen inom rimliga gränser är det alltså inte något att eftersträva att hålla temperaturen låg.

För att få reda på hur värme påverkar livslängden kan du läsa mer i avsnittet Livslängd.