更好的電解電容器能減少電子垃圾嗎?

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

使用更好的電容器能延長產品的使用壽命嗎?如果能讓產品不至於太快過時,不就是更好的解決方案嗎?或者,這只是一廂情願的想法?因為這可能相應地增加成本,但消費者根本不會為此買單?

近年來人們一直在高度關注所產生的電子垃圾(e-waste)量。智慧型手機、電視、各種小工具以及其他各種配件等產品幾年後就會被扔掉,如果不是因為生命週期短而使其過時,就是產品故障了。目前關於減少電子垃圾的大部份討論都著重於提高可修復性或支持回收。

但問題是,儘管有良好的設計意圖,但由於基本的實體存取、用戶安全和更換元件的考慮,無論是作為單一元件還是電路板,實作時都難以製造出易於維修的低成本、大眾市場產品。如同《華爾街日報》(Wall Street Journal)近期的一篇文章《Spare Parts, Fix-It-Yourself Guides Hit the Market as Brands Ponder Repairability》所提到的。由於電子產品具有複雜的組裝和元素物質的化合物,因此回收也非常困難且充滿陷阱。考慮一下這個比較:儘管理論上很簡單,但實際上回收玻璃或紙張等基本消耗品卻出奇地困難。因此,電子產品的回收——無論該術語在實作時的實際含義如何——更具挑戰性也就不足為奇了。

但從另一個角度來看:為什麼不看看產品被扔掉的原因並試圖減少這個數字呢?丟棄產品的兩個常見原因是它們現在已經過時了——通常只在幾年之後——或者它們在某些方面故障了,而且已經使用到「值回票價」了,或者如果想試著修復它們也很不切實際。問題是:我們可以降低這種故障率嗎?

根據我的個人經驗、工程師同事的軼事以及網路上的聊天室和論壇,除了產品的實體濫用或嚴重機械故障之外,許多消費品的故障似乎有兩個主要原因。

首先,充電電池無法再使用了而且難以或無法更換,或者交流(AV)裝置的電源出現故障。為電池增加更多使用週期將有助於提高電池壽命,這是一個深入研究的主題,但使其易於更換則將是一個臨時的解決方案。

其次是供電故障。在幾乎所有情況下,根本原因都是用於電源濾波的電解電容器(通常為100μF數量級)出現故障。相較於更小的旁路和定時電容器,這些通常被稱為「大容量」電容器具有相對較高的法拉額定值。我可以舉兩個例子加以說明。

我有一個以AC供電的大型LED時鐘,它很便宜約僅15美元,大約使用五、六年了;後來,它的數字段開始變得不均勻和變暗(如圖1)。起初,我以為LED開始老化了,甚至試著計算出哪些數字段在24小時內被「開啟」最多,因此也應該是呈現最老化的部份。photo of an LED clock with dim sections

圖1:由於電解濾波電容器磨損,這款基本的LED時鐘在幾年後變暗並出現故障。(資料來源:Bill Schweber

但才剛在發展和探索我的假設之後,我還注意到所有的數字段都有些暗淡,因為更多的段被「開啟」,並且還伴隨著低速率閃爍。這讓我做出了一個更可能的診斷結果:大型濾波電解電容器老化了。很顯然地,這個時鐘單元是24/7全天候運行的,不可能處於待機模式,這意味著電源總是提供最大負載或幾乎如此。再經過幾個月後,所有的LED燈明顯變暗,然後這台LED時鐘就壞了。與其把它扔掉再買一個新的,我更想嘗試修復它。所幸這個單元很容易就打開了,而且很容易就接觸到PCB上的電容器。我花了4美元換上新的電容器後,這台時鐘又快後正常工作了,LED數字段也表現不錯、均勻且明亮。

同樣地,我有一個50美元的數位/類比電視轉換盒,我把它用來搭配一台老舊但功能正常的CFRT TV (圖2)。沒錯,我承認自己可能對這部1996年左右的電視太著迷了。在過去八年來,在這個電視盒中的濾波電容器發生了兩次故障,不過轉換器在幾小時未啟動後仍能切換至待機模式,因此具有適度的滿載佔空比。photo of a digital stream digital/analog TV converter

圖2:這台數位/類比電視轉換盒運作良好,儘管它每天只工作幾個小時,但幾年後電源中的電容器仍出現故障。(來源:Groupon)

RF側PCB極其緊湊,但用於AC/DC電源的單獨電路板尺寸更大,採用單側酚醛樹脂——沒錯,目前仍在廣泛使用中——因此更換電容器只需要一般的注意事項和小心謹慎即可(圖3)。photo of a digital stream digital/analog TV converter's PCBs

圖3:帶有故障電容器(圈選處)的電源板(左)是一種易於取得的單面酚醛板,右側是緊密的多層FR-4 RF電路板。(資料來源:Bill Schweber

很顯然地,我更換維修電容器的作法,對於一般消費者來說都不實用。他們需要時間、經驗和一些技巧來打開外殼、拆掉焊接的電容器再安裝新電容器。但是,如果這些原始電解裝置是更耐用的版本,那麼這些就都不必要了,垃圾掩埋場也不至於充斥著那些其實狀況良好、還堪用且未過時的裝置。

在設計中主張加強維修和回收是一回事,但現代電子產品的嚴酷現實已使其變得相當困難且具挑戰了。儘管如此,如果在物料清單(BOM)上使用更好的電容器能夠延長產品的使用壽命,那麼這些產品就不至於過時,這不是更好的解決方案嗎?尤其是在那些無應力的設計中?或者,認為這會發生只是一廂情願的想法?因為採用更好的電容器相應地增加成本,但消費者根本不會為了一個在包裝上標示著「具有10年顯示壽命」的時鐘多支付1美元?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Would better electrolytic capacitors reduce e-waste?,by Bill Schweber)

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