1. Kondensatory elektrolityczne
Kondensatory elektrolityczne to kondensatory utworzone przez warstwę utleniającą na elektrodzie w wyniku działania elektrolitu jako warstwy izolacyjnej, która zwykle ma dużą pojemność. Elektrolit jest płynnym, galaretowatym materiałem bogatym w jony, a większość kondensatorów elektrolitycznych jest polarna, to znaczy podczas pracy napięcie elektrody dodatniej kondensatora musi być zawsze wyższe niż napięcie ujemne.
Wysoka pojemność kondensatorów elektrolitycznych jest również poświęcana na rzecz wielu innych cech, takich jak duży prąd upływowy, duża zastępcza indukcyjność i rezystancja szeregowa, duży błąd tolerancji i krótka żywotność.
Oprócz polarnych kondensatorów elektrolitycznych istnieją również niepolarne kondensatory elektrolityczne. Na poniższym rysunku znajdują się dwa rodzaje kondensatorów elektrolitycznych 1000 uF, 16 V. Wśród nich większy jest niepolarny, a mniejszy jest polarny.
(Niepolarne i polarne kondensatory elektrolityczne)
Wnętrze kondensatora elektrolitycznego może być ciekłym elektrolitem lub stałym polimerem, a materiałem elektrody jest zwykle aluminium (aluminium) lub tantal (Tandalum). Poniżej znajduje się zwykły polarny aluminiowy kondensator elektrolityczny wewnątrz konstrukcji, pomiędzy dwiema warstwami elektrod znajduje się warstwa papieru włóknistego nasączonego elektrolitem oraz warstwa papieru izolacyjnego zamienionego w cylinder, uszczelnionego w aluminiowej obudowie.
(Wewnętrzna struktura kondensatora elektrolitycznego)
Rozcinając kondensator elektrolityczny, można wyraźnie zobaczyć jego podstawową strukturę. Aby zapobiec parowaniu i wyciekowi elektrolitu, część sworznia kondensatora jest zabezpieczona gumą uszczelniającą.
Oczywiście rysunek pokazuje również różnicę w objętości wewnętrznej pomiędzy polarnymi i niepolarnymi kondensatorami elektrolitycznymi. Przy tej samej pojemności i poziomie napięcia niepolarny kondensator elektrolityczny jest około dwa razy większy niż polarny.
(Wewnętrzna struktura niepolarnych i polarnych kondensatorów elektrolitycznych)
Różnica ta wynika głównie z dużej różnicy w obszarze elektrod wewnątrz dwóch kondensatorów. Niepolarna elektroda kondensatora znajduje się po lewej stronie, a elektroda polarna po prawej stronie. Oprócz różnicy powierzchni grubość dwóch elektrod jest również inna, a grubość polarnej elektrody kondensatora jest cieńsza.
(Aluminiowa blacha kondensatora elektrolitycznego o różnej szerokości)
2. Wybuch kondensatora
Kiedy napięcie przyłożone przez kondensator przekracza jego napięcie wytrzymywane lub gdy polaryzacja napięcia polarnego kondensatora elektrolitycznego zostanie odwrócona, prąd upływowy kondensatora gwałtownie wzrośnie, co spowoduje wzrost wewnętrznego ciepła kondensatora i elektrolitu będzie wytwarzać duże ilości gazu.
Aby zapobiec eksplozji kondensatora, na górze obudowy kondensatora znajdują się trzy rowki, dzięki którym górna część kondensatora łatwo pęka pod wysokim ciśnieniem i uwalnia ciśnienie wewnętrzne.
(Zbiornik do piaskowania na górze kondensatora elektrolitycznego)
Jednakże w przypadku niektórych kondensatorów w procesie produkcyjnym, górny rowek nie jest kwalifikowany, ciśnienie wewnątrz kondensatora spowoduje wyrzucenie gumy uszczelniającej na spodzie kondensatora, w tym momencie ciśnienie wewnątrz kondensatora zostanie nagle zwolnione, utworzy się eksplozja.
1, eksplozja niepolarnego kondensatora elektrolitycznego
Poniższy rysunek przedstawia pod ręką niepolarny kondensator elektrolityczny o pojemności 1000uF i napięciu 16V. Gdy przyłożone napięcie przekroczy 18 V, prąd upływowy nagle wzrasta, a temperatura i ciśnienie wewnątrz kondensatora wzrastają. W końcu gumowa uszczelka na spodzie kondensatora pęka, a wewnętrzne elektrody zostają rozbite niczym popcorn.
(przepięcie niepolarnego kondensatora elektrolitycznego)
Łącząc termoparę z kondensatorem, można zmierzyć proces zmiany temperatury kondensatora wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. Poniższy rysunek przedstawia kondensator niepolarny w procesie wzrostu napięcia, gdy przyłożone napięcie przekracza wartość napięcia wytrzymywanego, temperatura wewnętrzna nadal rośnie.
(Zależność między napięciem i temperaturą)
Poniższy rysunek przedstawia zmianę prądu płynącego przez kondensator podczas tego samego procesu. Można zauważyć, że wzrost prądu jest główną przyczyną wzrostu temperatury wewnętrznej. W tym procesie napięcie wzrasta liniowo, a gdy prąd gwałtownie rośnie, grupa zasilacza powoduje spadek napięcia. Wreszcie, gdy prąd przekroczy 6A, kondensator eksploduje z głośnym hukiem.
(Zależność między napięciem i prądem)
Ze względu na dużą objętość wewnętrzną niepolarnego kondensatora elektrolitycznego oraz ilość elektrolitu, ciśnienie powstające po przelewie jest ogromne, co powoduje, że zbiornik nadmiarowy ciśnienia w górnej części płaszcza nie pęka, a guma uszczelniająca w dolnej części kondensatora uległo rozerwaniu.
2, eksplozja polarnego kondensatora elektrolitycznego
W przypadku polarnych kondensatorów elektrolitycznych przykładane jest napięcie. Gdy napięcie przekroczy napięcie wytrzymywane kondensatora, prąd upływowy również gwałtownie wzrośnie, powodując przegrzanie kondensatora i eksplozję.
Poniższy rysunek przedstawia ograniczający kondensator elektrolityczny, który ma pojemność 1000uF i napięcie 16V. Po wystąpieniu przepięcia proces ciśnienia wewnętrznego jest uwalniany przez górny zbiornik nadmiarowy ciśnienia, dzięki czemu unika się procesu eksplozji kondensatora.
Poniższy rysunek pokazuje, jak zmienia się temperatura kondensatora wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. Gdy napięcie stopniowo zbliża się do napięcia wytrzymywanego kondensatora, prąd resztkowy kondensatora wzrasta, a temperatura wewnętrzna nadal rośnie.
(Zależność między napięciem i temperaturą)
Poniższy rysunek przedstawia zmianę prądu upływu kondensatora, nominalnego kondensatora elektrolitycznego 16 V, w procesie testowym, gdy napięcie przekracza 15 V, wyciek kondensatora zaczyna gwałtownie rosnąć.
(Zależność między napięciem i prądem)
W procesie eksperymentalnym pierwszych dwóch kondensatorów elektrolitycznych można również zauważyć, że granica napięcia takich zwykłych kondensatorów elektrolitycznych 1000uF. Aby uniknąć przebicia kondensatora pod wysokim napięciem, przy stosowaniu kondensatora elektrolitycznego należy pozostawić wystarczający margines w zależności od rzeczywistych wahań napięcia.
3,kondensatory elektrolityczne połączone szeregowo
W stosownych przypadkach większą pojemność i większe napięcie wytrzymywane pojemnością można uzyskać odpowiednio poprzez połączenie równoległe i szeregowe.
(popcorn z kondensatorem elektrolitycznym po eksplozji nadciśnienia)
W niektórych zastosowaniach napięcie przyłożone do kondensatora to napięcie prądu przemiennego, np. kondensatory sprzęgające głośników, kompensacja fazy prądu przemiennego, kondensatory przesuwające fazę silnika itp., wymagające użycia niepolarnych kondensatorów elektrolitycznych.
W instrukcjach obsługi udostępnianych przez niektórych producentów kondensatorów podano również, że użycie tradycyjnych kondensatorów polarnych w połączeniu szeregowym, to znaczy dwóch kondensatorów połączonych szeregowo, ale biegunowość jest odwrotna, aby uzyskać efekt braku kondensatory polarne.
(pojemność elektrolityczna po eksplozji przepięcia)
Poniżej znajduje się porównanie kondensatora polarnego przy zastosowaniu napięcia przewodzenia, napięcia wstecznego, dwóch kondensatorów elektrolitycznych połączonych szeregowo w trzech przypadkach pojemności niepolarnej, prąd upływowy zmienia się wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia.
1. Napięcie przewodzenia i prąd upływowy
Prąd płynący przez kondensator mierzy się łącząc szeregowo rezystor. W zakresie tolerancji napięcia kondensatora elektrolitycznego (1000 uF, 16 V) przyłożone napięcie jest stopniowo zwiększane od 0 V, aby zmierzyć zależność pomiędzy odpowiednim prądem upływowym a napięciem.
(dodatnia pojemność szeregowa)
Poniższy rysunek przedstawia zależność pomiędzy prądem upływu i napięciem polarnego aluminiowego kondensatora elektrolitycznego, która jest zależnością nieliniową z prądem upływu poniżej 0,5 mA.
(Zależność między napięciem i prądem po serii przewodzenia)
2, napięcie wsteczne i prąd upływowy
Używając tego samego prądu do pomiaru zależności między przyłożonym napięciem kierunkowym a prądem upływu kondensatora elektrolitycznego, z poniższego rysunku można zobaczyć, że gdy przyłożone napięcie wsteczne przekracza 4 V, prąd upływowy zaczyna szybko rosnąć. Z nachylenia poniższej krzywej odwrotna pojemność elektrolityczna jest równoważna rezystancji 1 oma.
(Napięcie wsteczne Zależność między napięciem i prądem)
3. Kondensatory szeregowe typu back-to-back
Dwa identyczne kondensatory elektrolityczne (1000 uF, 16 V) są połączone szeregowo, tworząc niepolarny odpowiednik kondensatora elektrolitycznego, a następnie mierzy się krzywą zależności między ich napięciem a prądem upływu.
(pojemność szeregowa o polaryzacji dodatniej i ujemnej)
Poniższy diagram pokazuje zależność pomiędzy napięciem kondensatora a prądem upływowym. Można zauważyć, że prąd upływowy wzrasta po przyłożeniu napięcia przekraczającego 4 V, a amplituda prądu jest mniejsza niż 1,5 mA.
Pomiar ten jest nieco zaskakujący, ponieważ widać, że prąd upływu tych dwóch kondensatorów połączonych szeregowo jest w rzeczywistości większy niż prąd upływu pojedynczego kondensatora, gdy napięcie jest przyłożone do przodu.
(Zależność między napięciem i prądem po szeregu dodatnim i ujemnym)
Jednakże ze względów czasowych nie przeprowadzono ponownego badania tego zjawiska. Być może któryś z zastosowanych kondensatorów był właśnie kondensatorem do testu napięcia wstecznego i doszło do uszkodzenia w środku, więc wygenerowano powyższą krzywą testową.
Czas publikacji: 25 lipca 2023 r
