La durée de vie d’un condensateur chimique est très liée à sa température, mais aussi à son courant d’ondulation et à la tension appliquée à ses bornes. Ce sont les composants les plus critiques d’une carte électronique avec les transistors de puissance et les parties mécaniques (connecteurs, commutateurs, etc).

Durée de vie des condensateurs et température

La durée de vie d’un condensateur chimique (ou électrolytique) double quand sa température diminue de 10 degrés, comme l’affirme la loi d’Arrhenius :

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Loi d’Arrhenius : durée de vie fonction de la température du condensateur

Exemple 1 :

Durée de vie (« useful life ») : 5000 heures à 85°C

Ici, L0 = 5000 heures et Tmax = 85°C

Quelle est la durée de vie de ce condensateur dans un environnement à 55°C ?

Réponse :

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On vérifie pour d’autres températures le doublement de durée de vie à chaque diminution de 10°C :

  • 5 000 h à 85°C
  • 10 000 h à 75°C
  • 20 000 h à 65°C
  • 40 000 h à 55°C (ce qui fait 4,5 années)…
  • 320 000 h à 25°C (ce qui fait 36 années !)

Au delà de la température maximale, aucune garantie de fonctionnement n’est donnée.

La plupart des condensateurs chimiques sont donnés pour 85°C ou 105°C max. Il est préférable d’utiliser des condensateurs 105°C si on souhaite une longue durée de vie.

Un condensateur 2000 h à 105°C aura la même durée de vie qu’un condensateur 8000 h à 85°C, sauf qu’il fonctionnera jusqu’à 105°C !

Durée de vie des condensateurs et courant d’ondulation

En fonction de l’utilisation du condensateur, il existe un courant de charge et de décharge (ondulation, « ripple current » en anglais), en particulier pour le lissage de la tension après redressement dans le domaine des alimentations linéaires (travaillant à 50 Hz, ou plutôt 100 Hz après redressement), ou des alimentations à découpage (travaillant autour de 50 – 200 kHz). Ce courant d’ondulation crée de l’effet Joule dans le condensateur, ce qui le conduit à s’échauffer. L’écart de température entre le boitier et la température ambiante vaut :

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  • I : courant d’ondulation efficace (Ampères RMS, ou efficaces)
  • ESR : résistance série équivalente du condensateur
  • S : surface du condensateur
  • a : conductivité thermique

La puissance (en Watts) dissipée en chaleur par le condensateur est exprimée comme tout effet Joule classique (type RI²).

Ci dessous, un extrait d’une série de condensateurs (électrolytique aluminium) de Vishay : courant d’ondulation et ESR

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Courant d’ondulation et ESR en fonction de la capacité (uF)

Par exemple, le modèle 100 uF a un ESR de 1,5 Ohm et supporte 580 mA efficaces d’ondulation au maximum (effet Joule : 1,5 x 0,58² = 0,50 W). Si la conception d’un circuit demande une ondulation de 650 mA par exemple, ce condensateur ne convient pas. On peut en revanche mettre 2 x 47 uF en parallèle : on obtient alors 2 x 350 mA = 700 mA d’ondulation possible.

Plus le courant d’ondulation est élevé, plus le condensateur chauffe de l’intérieur et donc plus la durée de vie du condensateur est réduite. La durée de vie réelle expérimentale se trouve ainsi souvent plus courte que ce que prédit la loi d’Arrhenius. Un courant d’ondulation plus élevé est autorisé à une température ambiante plus faible.

Exemple de durée de vie de condensateurs électrolytiques Vishay

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Durée de vie des condensateurs en fonction du courant d’ondulation et de la température (Vishay)

Il s’agit d’une gamme de condensateurs de Vishay. Le point (1) représente le fonctionnement nominal : température nominale (105°C) et courant d’ondulation nominal (Ia=Ir, c’est-à-dire Ia/Ir=1). La durée de vie annoncée de 5000 heures n’est donc pas à modifier (le point est sur la droite où le coefficient « life multiplier » vaut 1).

Ce même condensateur peut supporter 2x son courant d’ondulation nominal à 75°C et aura alors la même durée de vie. A 50°C et 2 2 fois son courant d’ondulation nominale, sa durée de vie sera triplée. On ne peut en revanche pas aller bien au delà de 2,7 fois le courant d’ondulation nominal, même à 40°C.

Exemple de durée de vie de condensateurs électrolytiques Epcos

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Durée de vie des condensateurs en fonction du courant d’ondulation et de la température (Epcos)

La partie grise du graphique correspond à une zone de fonctionnement à éviter. L’intersection des pointillés, comme le point (1) ci dessus, représente le fonctionnement nominal : température nominale (85°C) et courant d’ondulation nominal (Ia = Ir, c’est-à-dire Ia/Ir = 1). La durée de vie est de 2000 h. Même à 40°C, on ne peut aller au delà de 2x le courant d’ondulation nominal. On voit aussi le doublement de durée de vie à chaque déplacement vers la gauche de 10°C.

Durée de vie d’un condensateur : c’est quoi ?

Un condensateur est considéré en « vie » tant qu’il n’est pas « mort ». Mais qu’est-ce que la mort d’un condensateur ?

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La mort d’un condensateur est définie comme un changement de capacité, de facteur de dissipation ou de courant de fuite au delà d’un seuil donné. Ce seuil varie selon le fabricant de condensateurs. Il ne s’agit pas d’une mort subite et violente, comme une explosion suite à une surchauffe ou un défaut de fabrication (condensateur gonflé par exemple). La durée de vie n’a aucun rapport avec la probabilité de ce type de défaillance.

Un condensateur chimique peut donc continuer à fonctionner après sa fin de vie si le circuit le permet avec un condensateur qui a perdu par exemple la moitié de sa valeur…

Exemples de définition de fin de vie de condensateur

Epcos série B41827 : exemple de fin de vie de condensateur

  • modification de plus de 20% de la capacité
  • facteur de dissipation qui a doublé ou plus
  • courant de fuite au delà d’un seuil donné

Epcos série B43890 :

  • modification de plus de 40% de la capacité (chez le même fabricant, le seuil dépend de la gamme de condensateur !)
  • facteur de dissipation qui a triplé ou plus
  • courant de fuite au delà d’un seuil donné

Vishay série 021ASM

  • modification de plus de +45% ou -50% de la capacité
  • facteur de dissipation qui a triplé ou plus
  • courant de fuite au delà d’un seuil donné
  • moins de 1% de mort

Durée de vie des condensateurs : courant d’ondulation et fréquence

Le courant d’ondulation autorisé augmente un peu avec la fréquence. Pour une alimentation à découpage, l’ondulation se fait plutôt autour de 50 à 200 kHz.

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Courant d’ondulation et fréquence (exemple de chez Epcos)

A 100 Hz, le courant d’ondulation est environ deux fois plus petit qu’à 100 kHz. Si le courant d’ondulation à 100 kHz est de 100 mA, on en déduit qu’à 100 Hz, il vaut environ 46 mA.

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Courant d’ondulation et fréquence (exemple de chez Vishay)

A 100 Hz, le courant d’ondulation est environ deux fois plus petit qu’à 100 kHz. Si le courant d’ondulation à 100 Hz est de 100 mA, on en déduit qu’à 10 kHz et plus, il atteint 120 mA.

Durée de vie des condensateurs et tension

La durée de vie d’un condensateur ne dépend que très peu de la tension à ses bornes. Pour la fiabilité du condensateur, il est recommandé de ne pas dépasser 70 à 80% de la tension nominale.

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Condensateur électrolytique 25 V

Pour un condensateur 25 V : ne pas dépasser 25 V x 0,8 = 20 V à ses bornes. Bien sur, il ne faut jamais le polariser à l’envers. Si un montage nécessite 22 V ou 24 V par exemple, il est préférable de choisir un condensateur 35 V.

Condensateurs chimiques en pratique

L’elixir de longue vie pour un condensateur chimique contient ces règles :

  • éloigner les condensateurs chimiques des sources de chaleur (transfo, transistors, résistances de puissance, etc)
  • garder une ambiance aussi fraîche que possible (bonne ventilation)
  • faire attention au courant d’ondulation maximum : au besoin mettre plusieurs condensateurs identiques de plus petite capacité en parallèle
  • ne pas dépasser 80% de la tension nominale

Conclusion sur la durée de vie de condensateurs chimiques

La durée de vie des condensateurs chimiques (électrolytique aluminium) est donnée par le fabricant (2000 h, 5000 h, etc) mais dépend largement de :

  • la température : durée de vie divisée par 2 quand la température augmente de 10°C !
  • le courant d’ondulation à ne pas dépasser (fonction de la température et de la fréquence)
  • la tension d’utilisation ne doit pas dépasser 80% de la tension nominale