1. Kondensatory elektrolityczne
Kondensatory elektrolityczne to kondensatory utworzone przez warstwę utleniającą na elektrodzie, działającą jako warstwa izolacyjna, która zazwyczaj ma dużą pojemność. Elektrolit to ciekły, galaretowaty materiał bogaty w jony, a większość kondensatorów elektrolitycznych ma budowę polarną, co oznacza, że podczas pracy napięcie na dodatniej elektrodzie kondensatora musi być zawsze wyższe niż napięcie na ujemnej.
Duża pojemność kondensatorów elektrolitycznych wiąże się również z wieloma innymi kosztami, takimi jak duży prąd upływu, duża równoważna indukcyjność szeregowa i rezystancja, duży błąd tolerancji i krótka żywotność.
Oprócz kondensatorów elektrolitycznych polarnych istnieją również kondensatory elektrolityczne niepolarne. Na poniższym rysunku przedstawiono dwa rodzaje kondensatorów elektrolitycznych o pojemności 1000 µF i napięciu 16 V. Większy z nich jest niepolarny, a mniejszy polarny.
(Kondensatory elektrolityczne polarne i niepolarne)
Wnętrze kondensatora elektrolitycznego może być wypełnione ciekłym elektrolitem lub stałym polimerem, a materiałem elektrody jest zazwyczaj aluminium (aluminium) lub tantal (tandal). Poniżej przedstawiono typowy polarny aluminiowy kondensator elektrolityczny wewnątrz konstrukcji. Pomiędzy dwiema warstwami elektrod znajduje się warstwa papieru włóknistego nasączonego elektrolitem oraz warstwa papieru izolacyjnego w kształcie cylindra, zamknięta w aluminiowej obudowie.
(Struktura wewnętrzna kondensatora elektrolitycznego)
Rozkładając kondensator elektrolityczny, można wyraźnie zobaczyć jego podstawową strukturę. Aby zapobiec parowaniu i wyciekaniu elektrolitu, styki kondensatora są zamocowane gumową uszczelką.
Oczywiście, rysunek pokazuje również różnicę w objętości wewnętrznej między kondensatorami elektrolitycznymi polarnymi i niepolarnymi. Przy tej samej pojemności i napięciu, kondensator elektrolityczny niepolarny jest około dwa razy większy od polarnego.
(Struktura wewnętrzna kondensatorów elektrolitycznych polarnych i niepolarnych)
Różnica ta wynika głównie z dużej różnicy w powierzchni elektrod wewnątrz obu kondensatorów. Elektroda kondensatora niepolarnego znajduje się po lewej stronie, a elektroda polarna po prawej. Oprócz różnicy powierzchni, różnią się również grubością elektrod, a grubość elektrody kondensatora polarnego jest mniejsza.
(Blacha aluminiowa do kondensatorów elektrolitycznych o różnej szerokości)
2. Wybuch kondensatora
Gdy napięcie przyłożone do kondensatora przekroczy jego napięcie wytrzymywane lub gdy polaryzacja napięcia kondensatora elektrolitycznego ulegnie odwróceniu, prąd upływu kondensatora gwałtownie wzrośnie, co spowoduje wzrost ciepła wewnętrznego kondensatora, a elektrolit wytworzy dużą ilość gazu.
Aby zapobiec eksplozji kondensatora, na jego górnej powierzchni znajdują się trzy rowki, dzięki którym górna część kondensatora może łatwo pęknąć pod wpływem wysokiego ciśnienia, uwalniając w ten sposób ciśnienie wewnętrzne.
(Zbiornik wybuchowy na górze kondensatora elektrolitycznego)
Jednak w procesie produkcji niektórych kondensatorów górny rowek nie jest odpowiednio prasowany, ciśnienie wewnątrz kondensatora powoduje, że gumowa uszczelka na spodzie kondensatora zostaje wyrzucona, w tym momencie ciśnienie wewnątrz kondensatora zostaje nagle uwolnione, co powoduje eksplozję.
1. wybuch niepolarnego kondensatora elektrolitycznego
Poniższy rysunek przedstawia niepolarny kondensator elektrolityczny o pojemności 1000 uF i napięciu 16 V. Gdy przyłożone napięcie przekroczy 18 V, prąd upływu gwałtownie wzrasta, a temperatura i ciśnienie wewnątrz kondensatora rosną. W końcu gumowa uszczelka na spodzie kondensatora pęka, a wewnętrzne elektrody rozpadają się niczym popcorn.
(wybuchowe przepięcie niepolarnego kondensatora elektrolitycznego)
Podłączając termoparę do kondensatora, można zmierzyć proces, w którym temperatura kondensatora zmienia się wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. Poniższy rysunek przedstawia kondensator niepolarny w procesie wzrostu napięcia. Gdy przyłożone napięcie przekroczy wartość napięcia wytrzymywanego, temperatura wewnętrzna nadal rośnie.
(Związek między napięciem a temperaturą)
Poniższy rysunek przedstawia zmianę prądu płynącego przez kondensator podczas tego samego procesu. Widać, że wzrost prądu jest główną przyczyną wzrostu temperatury wewnętrznej. W tym procesie napięcie wzrasta liniowo, a wraz z gwałtownym wzrostem prądu, napięcie w zasilaczu spada. Ostatecznie, gdy prąd przekroczy 6 A, kondensator eksploduje z głośnym hukiem.
(Związek między napięciem i prądem)
Ze względu na dużą objętość wewnętrzną niepolarnego kondensatora elektrolitycznego i ilość elektrolitu, ciśnienie wytworzone po przelaniu jest ogromne, w wyniku czego zbiornik bezpieczeństwa w górnej części obudowy nie pęka, a uszczelka gumowa w dolnej części kondensatora zostaje rozerwana.
2. wybuch kondensatora elektrolitycznego polarnego
W przypadku kondensatorów elektrolitycznych polarnych przykładane jest napięcie. Gdy napięcie przekroczy napięcie wytrzymywane kondensatora, prąd upływu również gwałtownie wzrośnie, powodując przegrzanie i eksplozję kondensatora.
Poniższy rysunek przedstawia kondensator elektrolityczny o pojemności 1000 uF i napięciu 16 V. Po przepięciu, ciśnienie wewnętrzne jest uwalniane przez górny zbiornik bezpieczeństwa, co zapobiega eksplozji kondensatora.
Poniższy rysunek pokazuje, jak zmienia się temperatura kondensatora wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. W miarę jak napięcie stopniowo zbliża się do napięcia wytrzymywanego kondensatora, prąd resztkowy kondensatora rośnie, a temperatura wewnętrzna nadal rośnie.
(Związek między napięciem a temperaturą)
Na poniższym rysunku pokazano zmianę prądu upływu kondensatora (nominalnego kondensatora elektrolitycznego 16 V) w procesie testowania. Gdy napięcie przekroczy 15 V, prąd upływu kondensatora zaczyna gwałtownie wzrastać.
(Związek między napięciem i prądem)
W procesie eksperymentalnym z dwoma pierwszymi kondensatorami elektrolitycznymi można również zauważyć, że napięcie graniczne takich zwykłych kondensatorów elektrolitycznych o pojemności 1000 µF jest wyższe. Aby uniknąć przebicia kondensatora pod wysokim napięciem, podczas stosowania kondensatora elektrolitycznego należy pozostawić odpowiedni margines, uwzględniający rzeczywiste wahania napięcia.
3,kondensatory elektrolityczne w szeregu
W stosownych przypadkach większą pojemność i większą pojemność wytrzymującą napięcie można uzyskać odpowiednio poprzez połączenie równoległe i szeregowe.
(kondensator elektrolityczny popcorn po wybuchu nadciśnienia)
W niektórych zastosowaniach do kondensatora przykładane jest napięcie przemienne. Dotyczy to np. kondensatorów sprzęgających głośników, kompensacji fazy prądu przemiennego, kondensatorów przesuwających fazę silnika itp., co wymaga użycia niepolarnych kondensatorów elektrolitycznych.
W instrukcjach obsługi niektórych producentów kondensatorów podano również, że tradycyjne kondensatory biegunowe można stosować szeregowo, czyli łącząc dwa kondensatory szeregowo, ale z odwrotną polaryzacją, aby uzyskać efekt kondensatorów niepolarnych.
(pojemność elektrolityczna po wybuchu przepięcia)
Poniżej przedstawiono porównanie kondensatora polarnego przy zastosowaniu napięcia przewodzenia, napięcia wstecznego, dwóch kondensatorów elektrolitycznych połączonych szeregowo w trzech przypadkach pojemności niepolarnej, prąd upływu zmienia się wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia.
1. Napięcie przewodzenia i prąd upływu
Prąd płynący przez kondensator mierzy się poprzez szeregowe połączenie rezystora. W zakresie tolerancji napięcia kondensatora elektrolitycznego (1000 uF, 16 V) napięcie przyłożone jest stopniowo zwiększane od 0 V, aby zmierzyć zależność między odpowiadającym mu prądem upływu a napięciem.
(pojemność szeregowa dodatnia)
Poniższy rysunek przedstawia zależność pomiędzy prądem upływu a napięciem polarnego aluminiowego kondensatora elektrolitycznego. Jest to zależność nieliniowa dla prądu upływu poniżej 0,5 mA.
(Związek między napięciem i prądem po szeregu przewodzenia)
2. napięcie wsteczne i prąd upływu
Używając tego samego prądu do pomiaru zależności między przyłożonym napięciem kierunkowym a prądem upływu kondensatora elektrolitycznego, na poniższym rysunku widać, że gdy przyłożone napięcie wsteczne przekroczy 4 V, prąd upływu zaczyna gwałtownie rosnąć. Z nachylenia poniższej krzywej wynika, że pojemność elektrolityczna w kierunku wstecznym jest równoważna rezystancji 1 oma.
(Odwrotny związek napięciowy między napięciem a prądem)
3. Kondensatory szeregowe
Dwa identyczne kondensatory elektrolityczne (1000uF, 16V) są połączone szeregowo, tworząc niepolarny kondensator elektrolityczny, a następnie mierzona jest krzywa zależności między ich napięciem i prądem upływu.
(pojemność szeregowa biegunowości dodatniej i ujemnej)
Poniższy diagram przedstawia zależność między napięciem kondensatora a prądem upływu. Widać na nim, że prąd upływu wzrasta, gdy przyłożone napięcie przekroczy 4 V, a amplituda prądu jest mniejsza niż 1,5 mA.
Pomiar ten jest nieco zaskakujący, ponieważ widać, że prąd upływowy tych dwóch kondensatorów szeregowo połączonych jest w rzeczywistości większy niż prąd upływowy pojedynczego kondensatora, gdy napięcie jest przyłożone do niego w kierunku przewodzenia.
(Związek między napięciem i prądem po dodatnim i ujemnym szeregu)
Jednak ze względu na ograniczenia czasowe nie przeprowadzono powtórnego testu tego zjawiska. Być może jeden z użytych kondensatorów był kondensatorem, który właśnie testowano napięciem wstecznym, a jego wnętrze uległo uszkodzeniu, co spowodowało wygenerowanie powyższej krzywej testowej.
Czas publikacji: 25 lipca 2023 r.
