更好的电解电容器能减少电子垃圾吗?

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近年来人们一直在高度关注所产生的电子垃圾(e-waste)量。智能型手机、电视、各种小工具以及其他各种配件等产品几年后就会被扔掉,如果不是因为生命周期短而使其过时,就是产品故障了。目前关于减少电子垃圾的大部份讨论都着重于提高可修复性或支持回收。

但问题是,尽管有良好的设计意图,但由于基本的实体存取、用户安全和更换组件的考虑,无论是作为单一组件还是电路板,实作时都难以制造出易于维修的低成本、大众市场产品。如同《华尔街日报》(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。由于电子产品具有复杂的组装和元素物质的化合物,因此回收也非常困难且充满陷阱。考虑一下这个比较:尽管理论上很简单,但实际上回收玻璃或纸张等基本消耗品却出奇地困难。因此,电子产品的回收——无论该术语在实作时的实际含义如何——更具挑战性也就不足为奇了。

但从另一个角度来看:为什么不看看产品被扔掉的原因并试图减少这个数字呢?丢弃产品的两个常见原因是它们现在已经过时了——通常只在几年之后——或者它们在某些方面故障了,而且已经使用到「值回票价」了,或者如果想试着修复它们也很不切实际。问题是:我们可以降低这种故障率吗?

根据我的个人经验、工程师同事的轶事以及网络上的聊天室和论坛,除了产品的实体滥用或严重机械故障之外,许多消费品的故障似乎有两个主要原因。

首先,充电电池无法再使用了而且难以或无法更换,或者交流(AV)装置的电源出现故障。为电池增加更多使用周期将有助于提高电池寿命,这是一个深入研究的主题,但使其易于更换则将是一个临时的解决方案。

其次是供电故障。在几乎所有情况下,根本原因都是用于电源滤波的电解电容器(通常为100μF数量级)出现故障。相较于更小的旁路和定时电容器,这些通常被称为“大容量”电容器具有相对较高的法拉额定值。我可以举两个例子加以说明。

我有一个以AC供电的大型LED时钟,它很便宜约仅15美元,大约使用五、六年了;后来,它的数字段开始变得不均匀和变暗(如图1)。起初,我以为LED开始老化了,甚至试着计算出哪些数字段在24小时内被「开启」最多,因此也应该是呈现最老化的部份。

图1:由于电解滤波电容器磨损,这款基本的LED时钟在几年后变暗并出现故障。(数据源:Bill Schweber)

但才刚在发展和探索我的假设之后,我还注意到所有的数字段都有些暗淡,因为更多的段被“开启”,并且还伴随着低速率闪烁。这让我做出了一个更可能的诊断结果:大型滤波电解电容器老化了。很显然地,这个时钟单元是24/7全天候运行的,不可能处于待机模式,这意味着电源总是提供最大负载或几乎如此。再经过几个月后,所有的LED灯明显变暗,然后这台LED时钟就坏了。与其把它扔掉再买一个新的,我更想尝试修复它。所幸这个单元很容易就打开了,而且很容易就接触到PCB上的电容器。我花了4美元换上新的电容器后,这台时钟又快后正常工作了,LED数字段也表现不错、均匀且明亮。

同样地,我有一个50美元的数字/模拟电视转换盒,我把它用来搭配一台老旧但功能正常的CFRT TV (图2)。没错,我承认自己可能对这部1996年左右的电视太着迷了。在过去八年来,在这个电视盒中的滤波电容器发生了两次故障,不过转换器在几小时未启动后仍能切换至待机模式,因此具有适度的满载占空比。

图2:这台数字/模拟电视转换盒运作良好,尽管它每天只工作几个小时,但几年后电源中的电容器仍出现故障。(来源:Groupon)

RF侧PCB极其紧凑,但用于AC/DC电源的单独电路板尺寸更大,采用单侧酚醛树脂——没错,目前仍在广泛使用中——因此更换电容器只需要一般的注意事项和小心谨慎即可(图3)。

图3:带有故障电容器(圈选处)的电源板(左)是一种易于取得的单面酚醛板,右侧是紧密的多层FR-4 RF电路板。(数据源:Bill Schweber)

很显然地,我更换维修电容器的作法,对于一般消费者来说都不实用。他们需要时间、经验和一些技巧来打开外壳、拆掉焊接的电容器再安装新电容器。但是,如果这些原始电解装置是更耐用的版本,那么这些就都不必要了,垃圾掩埋场也不至于充斥着那些其实状况良好、还堪用且未过时的装置。

在设计中主张加强维修和回收是一回事,但现代电子产品的严酷现实已使其变得相当困难且具挑战了。尽管如此,如果在物料清单(BOM)上使用更好的电容器能够延长产品的使用寿命,那么这些产品就不至于过时,这不是更好的解决方案吗?尤其是在那些无应力的设计中?或者,认为这会发生只是一厢情愿的想法?因为采用更好的电容器相应地增加成本,但消费者根本不会为了一个在包装上标示着“具有10年显示寿命”的时钟多支付1美元?

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