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3D打印机电源之元器件--电容分析

来源:   发布时间:2019-04-18   点击量:465

3D打印机电源之元器件--电容分析


对于3D打印机电源的寿命来说很大程度受到电解电容的制约,而电解电容的寿命取决于其内核温升。本文从设计选型到寿命分析来从以下方面来对3D打印机电源的电解电容作全面的分析。

3D打印机电源的电解电容的纹波电流产生的热量引起电容的内部温升,加速电解液的蒸发,当容值下降20%或损耗角增大为初始值的2~3倍时,预示着电解电容寿命的终结。通过检查电容器上的纹波电流,可预测电容器的寿命。

1、纹波电流计算

假设已知连续工作模式的反激变换器,其输出电流Io为1.25A,纹波率r为1.1,占空比D为0.62,开关频率为60kHz,由此可以计算次级纹波电流ΔIo和有效值电流Io.rms。

次级纹波电流ΔIo:有效值电流Io.rms:最终得到流过输出电容的纹波电流:

2、电解电容选型

由上述分析得到流过电容的纹波电流为1.72A,综合考虑体积和成本,选择了纹波电流为1.655A的电解电容。
该纹波电流需在3D打印机电源开关频率下选择,纹波电流还有一个温度系数,例如105℃电容,在85℃环境温度下,允许的最大纹波电流约为额定最大纹波电流的1.73倍,该参数一般不在电容手册中体现。

3、纹波电流实测

测试3D打印机电源的电解电容纹波电流时,需将电容引脚穿入电流探头中,通过示波器可读得交流有效值。本设计实例的纹波电流测试结果如图3所示,示波器读得有效纹波电流为1。64A,与理论设计接近。因此理论计算具有较大的工程指导意义。

4、温度测试方法

测量容体表面温度Ts:需在电容器侧面的中间位置进行,如果由于外部影响导致电容器表面温度不均匀、不稳定,需综合测量电容器表面4个点的温度,再取平均值。
测量环境温度Tx:热电偶需放置在离铝壳表面20毫米左右处,如果空间不足,则保持最小10毫米距离,如果由于外部影响导致附近环境温度不均匀、不稳定,则需综合测量4个点以上的温度,再取平均值。

5、电解电容寿命估算

本设计,选择的3D打印机电源电解电容为-40~105℃、5000小时、1。655A纹波电流的高频低阻电解电容,最高实测环境温度Tx为80℃,壳体表面温度Ts为85℃。则其寿命估算如下步骤如下。

(1)估算实际内核温升:
其中:△To为To时允许的内核温升,即额定纹波电流时的电容器芯子温升,此次选择的105℃电容△To为5℃,可查原厂或行业资料得到;△Tx为实际内核温升;Ix为实际纹波电流1.64A;Io为额定纹波电流1.655A。

(2)估算电容寿命:
其中:Lo为额定寿命5000小时;To为最高额定工作环境温度105℃;Tx为实际环境温度80℃。

本文以连续工作模式的反激变换器输出3D打印机电源的电容分析为例,重点从纹波电流角度全面分析电解电容的选型与寿命。如果想了解更多内容请到成良官网获取更多资讯。

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