1. Электролитические конденсаторы
Электролитические конденсаторы – это конденсаторы, образованные оксидным слоем на электроде, создающим электролит, который выполняет функцию изолирующего слоя, обычно обладающего большой ёмкостью. Электролит представляет собой жидкий, желеобразный материал, богатый ионами. Большинство электролитических конденсаторов являются полярными, то есть при работе напряжение на положительном электроде конденсатора всегда должно быть выше напряжения на отрицательном.
Высокая емкость электролитических конденсаторов также приносит в жертву многим другим характеристикам, таким как большой ток утечки, большая эквивалентная последовательная индуктивность и сопротивление, большая погрешность допуска и короткий срок службы.
Помимо полярных электролитических конденсаторов, существуют и неполярные. На рисунке ниже показаны два типа электролитических конденсаторов ёмкостью 1000 мкФ и напряжением 16 В. Более крупный из них — неполярный, а меньший — полярный.
(Неполярные и полярные электролитические конденсаторы)
Внутри электролитического конденсатора может быть жидкий электролит или твёрдый полимер, а материал электродов обычно — алюминий (Aluminium) или тантал (Tandalum). Ниже представлена конструкция распространённого полярного алюминиевого электролитического конденсатора: между двумя слоями электродов находится слой волокнистой бумаги, пропитанной электролитом, и слой изоляционной бумаги, свёрнутый в цилиндр, запаянный в алюминиевую оболочку.
(Внутренняя структура электролитического конденсатора)
Разрезав электролитический конденсатор, можно наглядно увидеть его основную конструкцию. Для предотвращения испарения и утечки электролита выводы конденсатора зафиксированы уплотнительной резиной.
Конечно, рисунок также показывает разницу во внутреннем объёме полярных и неполярных электролитических конденсаторов. При одинаковой ёмкости и напряжении неполярный электролитический конденсатор примерно вдвое больше полярного.
(Внутреннее строение неполярных и полярных электролитических конденсаторов)
Это различие обусловлено главным образом большой разницей в площади электродов внутри двух конденсаторов. Неполярный электрод конденсатора находится слева, а полярный — справа. Помимо разницы в площади, различается также и толщина двух электродов, причём толщина электрода полярного конденсатора меньше.
(Электролитические конденсаторы, алюминиевые листы разной ширины)
2. Взрыв конденсатора
Когда напряжение, прикладываемое к конденсатору, превышает его выдерживаемое напряжение или когда полярность напряжения полярного электролитического конденсатора меняется на обратную, ток утечки конденсатора резко возрастает, что приводит к увеличению внутреннего тепла конденсатора, а электролит начинает выделять большое количество газа.
Для предотвращения взрыва конденсатора в верхней части корпуса конденсатора имеются три канавки, благодаря которым верхняя часть конденсатора легко разрушается под высоким давлением и высвобождает внутреннее давление.
(Взрывной резервуар в верхней части электролитического конденсатора)
Однако в процессе производства некоторых конденсаторов верхняя канавка прессуется неквалифицированно, давление внутри конденсатора приводит к выталкиванию уплотнительной резины в нижней части конденсатора, в этот момент давление внутри конденсатора внезапно высвобождается, что приводит к взрыву.
1. Взрыв неполярного электролитического конденсатора
На рисунке ниже показан неполярный электролитический конденсатор ёмкостью 1000 мкФ и напряжением 16 В. Когда приложенное напряжение превышает 18 В, ток утечки резко возрастает, а температура и давление внутри конденсатора повышаются. В конце концов, резиновое уплотнение в нижней части конденсатора лопается, и внутренние электроды разлетаются, как попкорн.
(взрыв перенапряжения неполярного электролитического конденсатора)
Подключив термопару к конденсатору, можно измерить процесс изменения температуры конденсатора при увеличении приложенного напряжения. На следующем рисунке показан неполярный конденсатор в процессе увеличения напряжения: когда приложенное напряжение превышает значение выдерживаемого напряжения, внутренняя температура продолжает расти.
(Соотношение между напряжением и температурой)
На рисунке ниже показано изменение тока, протекающего через конденсатор, в ходе того же процесса. Видно, что увеличение тока является основной причиной повышения внутренней температуры. При этом напряжение линейно увеличивается, и при резком увеличении тока группа питания обеспечивает его снижение. Наконец, когда ток превышает 6 А, конденсатор взрывается с громким хлопком.
(Соотношение между напряжением и током)
Из-за большого внутреннего объема неполярного электролитического конденсатора и количества электролита давление, создаваемое после перелива, огромно, в результате чего резервуар сброса давления в верхней части корпуса не разрушается, а уплотнительная резина в нижней части конденсатора разрывается.
2. Взрыв полярного электролитического конденсатора
В полярных электролитических конденсаторах напряжение прикладывается к конденсатору. Когда напряжение превышает предельное напряжение конденсатора, ток утечки резко возрастает, что приводит к перегреву и взрыву конденсатора.
На рисунке ниже показан ограничительный электролитический конденсатор ёмкостью 1000 мкФ и напряжением 16 В. После перенапряжения внутреннее давление сбрасывается через верхний резервуар сброса давления, что позволяет избежать взрыва конденсатора.
На следующем рисунке показано, как изменяется температура конденсатора с ростом приложенного напряжения. По мере того, как напряжение постепенно приближается к предельному напряжению конденсатора, его остаточный ток увеличивается, а внутренняя температура продолжает расти.
(Соотношение между напряжением и температурой)
На следующем рисунке показано изменение тока утечки конденсатора, номинал электролитического конденсатора 16 В, в процессе испытания, когда напряжение превышает 15 В, утечка конденсатора начинает резко расти.
(Соотношение между напряжением и током)
Экспериментальный процесс с первыми двумя электролитическими конденсаторами показал, что предел напряжения для обычных электролитических конденсаторов ёмкостью 1000 мкФ ограничен. Во избежание высоковольтного пробоя конденсатора при его использовании необходимо обеспечить достаточный запас в соответствии с фактическими колебаниями напряжения.
3，электролитические конденсаторы последовательно
При необходимости можно получить большую емкость и большее выдерживаемое емкостное напряжение путем параллельного и последовательного соединения соответственно.
(попкорн электролитического конденсатора после взрыва от избыточного давления)
В некоторых приложениях к конденсатору прикладывается напряжение переменного тока, например, в качестве разделительных конденсаторов динамиков, компенсаций фаз переменного тока, фазосдвигающих конденсаторов двигателей и т. д., требующих использования неполярных электролитических конденсаторов.
В руководстве пользователя, предоставляемом некоторыми производителями конденсаторов, также указано, что для получения эффекта неполярных конденсаторов можно использовать традиционные полярные конденсаторы, соединенные «спина к спине», то есть два конденсатора соединенных последовательно, но с противоположной полярностью.
(электролитическая емкость после взрыва перенапряжения)
Ниже приведено сравнение полярного конденсатора при приложении прямого напряжения, обратного напряжения, двух электролитических конденсаторов, соединенных последовательно «спина к спине», в трех случаях неполярной емкости, ток утечки изменяется с увеличением приложенного напряжения.
1. Прямое напряжение и ток утечки
Ток, протекающий через конденсатор, измеряется путём последовательного подключения резистора. В пределах допустимого напряжения электролитического конденсатора (1000 мкФ, 16 В) приложенное напряжение постепенно увеличивается от 0 В для измерения зависимости между соответствующим током утечки и напряжением.
(положительная последовательная емкость)
На следующем рисунке показана зависимость между током утечки и напряжением полярного алюминиевого электролитического конденсатора, которая является нелинейной при токе утечки ниже 0,5 мА.
(Соотношение между напряжением и током после прямого ряда)
2. обратное напряжение и ток утечки
Используя тот же ток для измерения зависимости между приложенным прямым напряжением и током утечки электролитического конденсатора, из рисунка ниже видно, что при приложенном обратном напряжении, превышающем 4 В, ток утечки начинает быстро расти. Из наклона следующей кривой следует, что обратная электролитическая ёмкость эквивалентна сопротивлению 1 Ом.
(Обратное напряжение. Соотношение между напряжением и током)
3. Последовательное соединение конденсаторов
Два одинаковых электролитических конденсатора (1000 мкФ, 16 В) соединяются последовательно встык, образуя неполярный эквивалентный электролитический конденсатор, а затем измеряется кривая зависимости между их напряжением и током утечки.
(последовательная емкость положительной и отрицательной полярности)
На следующей диаграмме показана зависимость между напряжением конденсатора и током утечки. Видно, что ток утечки увеличивается после того, как приложенное напряжение превышает 4 В, а амплитуда тока составляет менее 1,5 мА.
И это измерение немного удивительно, потому что вы видите, что ток утечки этих двух последовательно соединенных конденсаторов на самом деле больше, чем ток утечки одного конденсатора, когда напряжение подано в прямом направлении.
(Соотношение между напряжением и током после положительного и отрицательного ряда)
Однако из-за нехватки времени повторные испытания этого явления не проводились. Возможно, один из использованных конденсаторов был тем же, что и в предыдущем испытании на обратное напряжение, и внутри него были обнаружены повреждения, поэтому и была получена указанная выше кривая испытания.
Время публикации: 25 июля 2023 г.
