1. Електролітичні конденсатори
Електролітичні конденсатори - це конденсатори, утворені шаром окислення на електроді під дією електроліту як ізоляційного шару, який зазвичай має велику ємність. Електроліт - це рідкий, желеподібний матеріал, багатий на іони, і більшість електролітичних конденсаторів є полярними, тобто під час роботи напруга на позитивному електроді конденсатора завжди повинна бути вищою за негативну напругу.
Висока ємність електролітичних конденсаторів також приноситься в жертву заради багатьох інших характеристик, таких як великий струм витоку, велика еквівалентна послідовна індуктивність та опір, велика похибка допуску та короткий термін служби.
Окрім полярних електролітичних конденсаторів, існують також неполярні електролітичні конденсатори. На малюнку нижче показано два типи електролітичних конденсаторів ємністю 1000 мкФ, 16 В. Серед них більший – неполярний, а менший – полярний.
(Неполярні та полярні електролітичні конденсатори)
Внутрішня частина електролітичного конденсатора може бути рідким електролітом або твердим полімером, а матеріалом електродів зазвичай є алюміній (алюміній) або тантал (тандал). Нижче наведено звичайний полярний алюмінієвий електролітичний конденсатор всередині конструкції, між двома шарами електродів є шар волокнистого паперу, просоченого електролітом, плюс шар ізоляційного паперу, перетвореного на циліндр, герметично запечатаний в алюмінієву оболонку.
(Внутрішня структура електролітичного конденсатора)
Розбираючи електролітичний конденсатор, можна чітко побачити його основну структуру. Щоб запобігти випаровуванню та витоку електроліту, контактна частина конденсатора закріплена гумовим ущільнювачем.
Звичайно, на рисунку також показано різницю у внутрішньому об'ємі між полярними та неполярними електролітичними конденсаторами. За однакової ємності та рівня напруги неполярний електролітичний конденсатор приблизно вдвічі більший за полярний.
(Внутрішня структура неполярних та полярних електролітичних конденсаторів)
Ця різниця головним чином пов'язана з великою різницею в площі електродів всередині двох конденсаторів. Неполярний електрод конденсатора знаходиться ліворуч, а полярний електрод - праворуч. Окрім різниці в площі, товщина двох електродів також відрізняється, а товщина полярного електрода конденсатора менша.
(Алюмінієвий лист електролітичного конденсатора різної ширини)
2. Вибух конденсатора
Коли напруга, що прикладається до конденсатора, перевищує його витримувану напругу або коли полярність напруги полярного електролітичного конденсатора змінюється на протилежну, струм витоку конденсатора різко зростає, що призводить до збільшення внутрішнього нагрівання конденсатора, а електроліт виробляє велику кількість газу.
Щоб запобігти вибуху конденсатора, на верхній частині корпусу конденсатора є три пази, що дозволяють легко зламати верхню частину конденсатора під високим тиском та звільнити внутрішній тиск.
(Вибуховий резервуар у верхній частині електролітичного конденсатора)
Однак, у деяких конденсаторах у процесі виробництва верхнє пресування паза не є кваліфікованим, через що всередині конденсатора через тиск виштовхується гумовий ущільнювач у нижній частині конденсатора, що призводить до раптового звільнення тиску всередині конденсатора, що призводить до вибуху.
1, вибух неполярного електролітичного конденсатора
На рисунку нижче показано неполярний електролітичний конденсатор ємністю 1000 мкФ та напругою 16 В. Після того, як прикладена напруга перевищує 18 В, струм витоку раптово зростає, а температура та тиск всередині конденсатора підвищуються. Зрештою, гумове ущільнення в нижній частині конденсатора розривається, і внутрішні електроди розбиваються, як попкорн.
(підрив неполярних електролітичних конденсаторів від перенапруги)
Підключивши термопару до конденсатора, можна виміряти процес зміни температури конденсатора зі збільшенням прикладеної напруги. На наступному рисунку показано неполярний конденсатор у процесі збільшення напруги. Коли прикладена напруга перевищує значення витримуваної напруги, внутрішня температура продовжує зростати.
(Зв'язок між напругою та температурою)
На рисунку нижче показано зміну струму, що протікає через конденсатор під час того ж процесу. Видно, що збільшення струму є основною причиною підвищення внутрішньої температури. У цьому процесі напруга лінійно зростає, і коли струм різко зростає, група живлення призводить до його падіння. Зрештою, коли струм перевищує 6 А, конденсатор вибухає з гучним тріском.
(Зв'язок між напругою та струмом)
Через великий внутрішній об'єм неполярного електролітичного конденсатора та кількість електроліту, тиск, що утворюється після переповнення, є величезним, в результаті чого резервуар для скидання тиску у верхній частині корпусу не ламається, а ущільнювальна гума в нижній частині конденсатора розривається.
2, вибух полярного електролітичного конденсатора
До полярних електролітичних конденсаторів застосовується напруга. Коли напруга перевищує витримувану напругу конденсатора, струм витоку також різко зростає, що призводить до перегріву та вибуху конденсатора.
На рисунку нижче показано обмежувальний електролітичний конденсатор, який має ємність 1000 мкФ та напругу 16 В. Після перенапруги внутрішній тиск скидається через верхній резервуар для скидання тиску, таким чином запобігається вибуху конденсатора.
На наступному рисунку показано, як змінюється температура конденсатора зі збільшенням прикладеної напруги. Коли напруга поступово наближається до витримуваної напруги конденсатора, залишковий струм конденсатора збільшується, а внутрішня температура продовжує зростати.
(Зв'язок між напругою та температурою)
На наступному рисунку показано зміну струму витоку конденсатора, номінального електролітичного конденсатора 16 В, у процесі випробування. Коли напруга перевищує 15 В, витік конденсатора починає різко зростати.
(Зв'язок між напругою та струмом)
Експериментальний процес з першими двома електролітичними конденсаторами також показує, що гранична напруга для звичайних електролітичних конденсаторів ємністю 1000 мкФ є граничною. Щоб уникнути високовольтного пробою конденсатора, під час використання електролітичного конденсатора необхідно залишати достатній запас відповідно до фактичних коливань напруги.
3,електролітичні конденсатори послідовно з'єднані
Де це доречно, більшу ємність та більшу витримувану напругу ємності можна отримати шляхом паралельного та послідовного з'єднання відповідно.
(електролітичний конденсаторний попкорн після вибуху надлишкового тиску)
У деяких випадках напруга, що подається на конденсатор, є змінною напругою, наприклад, у зв'язуючих конденсаторах динаміків, компенсації фази змінного струму, конденсаторах фазозсуву двигуна тощо, що вимагає використання неполярних електролітичних конденсаторів.
У посібниках користувача, наданих деякими виробниками конденсаторів, також зазначено, що традиційні полярні конденсатори використовуються послідовно «спина до спини», тобто два конденсатори послідовно разом, але з протилежною полярністю, щоб отримати ефект неполярних конденсаторів.
(електролітична ємність після вибуху перенапруги)
Нижче наведено порівняння полярного конденсатора при застосуванні прямої напруги, зворотної напруги, двох електролітичних конденсаторів, з'єднаних послідовно, у трьох випадках неполярної ємності, струм витоку змінюється зі збільшенням прикладеної напруги.
1. Пряма напруга та струм витоку
Струм, що протікає через конденсатор, вимірюється послідовним підключенням резистора. У межах діапазону допустимої напруги електролітичного конденсатора (1000 мкФ, 16 В) прикладена напруга поступово збільшується від 0 В для вимірювання співвідношення між відповідним струмом витоку та напругою.
(позитивна послідовна ємність)
На наступному рисунку показано залежність між струмом витоку та напругою полярного алюмінієвого електролітичного конденсатора, яка є нелінійною залежністю для струму витоку нижче 0,5 мА.
(Зв'язок між напругою та струмом після прямого послідовного з'єднання)
2, зворотна напруга та струм витоку
Використовуючи той самий струм для вимірювання співвідношення між прикладеною напрямленою напругою та струмом витоку електролітичного конденсатора, з рисунка нижче видно, що коли прикладена зворотна напруга перевищує 4 В, струм витоку починає швидко зростати. З нахилу наступної кривої видно, що зворотна електролітична ємність еквівалентна опору 1 Ом.
(Зворотна напруга. Зв'язок між напругою та струмом)
3. Конденсатори, з'єднані послідовно «спина до спини»
Два однакові електролітичні конденсатори (1000 мкФ, 16 В) з'єднані послідовно спиною до спини, утворюючи неполярний еквівалентний електролітичний конденсатор, а потім вимірюється крива залежності між їх напругою та струмом витоку.
(ємність послідовно позитивної та негативної полярності)
На наступній діаграмі показано зв'язок між напругою конденсатора та струмом витоку, і ви можете бачити, що струм витоку збільшується після того, як прикладена напруга перевищує 4 В, а амплітуда струму менше 1,5 мА.
І це вимірювання трохи дивує, оскільки ви бачите, що струм витоку цих двох послідовно з'єднаних конденсаторів насправді більший, ніж струм витоку одного конденсатора, коли напруга прикладена в прямому напрямку.
(Зв'язок між напругою та струмом після позитивної та негативної послідовних замикань)
Однак, через брак часу, повторне випробування цього явища не проводилося. Можливо, один із використаних конденсаторів був тим самим, щойно випробуваним зворотною напругою, і всередині було пошкоджено, тому була згенерована наведена вище крива випробування.
Час публікації: 25 липня 2023 р.
