چرا خازن های الکترولیتی منفجر می شوند؟ یک کلمه برای درک!

1. خازن های الکترولیتی 

خازن های الکترولیتی خازن هایی هستند که توسط لایه اکسیداسیون روی الکترود از طریق عمل الکترولیت به عنوان یک لایه عایق تشکیل می شوند که معمولاً ظرفیت زیادی دارد. الکترولیت یک ماده مایع و ژله مانند غنی از یون است و بیشتر خازن های الکترولیتی قطبی هستند، یعنی در هنگام کار، ولتاژ الکترود مثبت خازن باید همیشه بالاتر از ولتاژ منفی باشد.

ظرفیت بالای خازن های الکترولیتی فدای بسیاری از ویژگی های دیگر نیز می شود، مانند داشتن جریان نشتی زیاد، اندوکتانس و مقاومت سری معادل بزرگ، خطای تحمل زیاد و عمر کوتاه.

علاوه بر خازن های الکترولیتی قطبی، خازن های الکترولیتی غیر قطبی نیز وجود دارد. در شکل زیر دو نوع خازن الکترولیتی 1000uF و 16 ولت وجود دارد. در میان آنها، بزرگتر غیر قطبی است و کوچکتر قطبی است.

(خازن های الکترولیتی غیر قطبی و قطبی)

داخل خازن الکترولیتی ممکن است یک الکترولیت مایع یا یک پلیمر جامد باشد و ماده الکترود معمولاً آلومینیوم (آلومینیوم) یا تانتالیوم (Tandalum) است. در زیر یک خازن الکترولیتی آلومینیومی قطبی رایج در داخل ساختار است، بین دو لایه الکترود یک لایه کاغذ فیبر آغشته به الکترولیت، به علاوه یک لایه کاغذ عایق که به یک استوانه تبدیل شده است، در پوسته آلومینیومی مهر و موم شده است.

(ساختار داخلی خازن الکترولیتی)

با تشریح خازن الکترولیتی، ساختار اصلی آن به وضوح قابل مشاهده است. به منظور جلوگیری از تبخیر و نشت الکترولیت، قسمت پین خازن با لاستیک آب بندی ثابت می شود.

البته شکل تفاوت حجم داخلی خازن های الکترولیتی قطبی و غیر قطبی را نیز نشان می دهد. در همان ظرفیت و سطح ولتاژ، خازن الکترولیتی غیرقطبی حدود دو برابر بزرگتر از خازن قطبی است.

(ساختار داخلی خازن های الکترولیتی غیر قطبی و قطبی)

این تفاوت عمدتاً ناشی از تفاوت زیاد در مساحت الکترودهای داخل دو خازن است. الکترود خازن غیر قطبی در سمت چپ و الکترود قطبی در سمت راست قرار دارد. علاوه بر اختلاف مساحت، ضخامت دو الکترود نیز متفاوت است و ضخامت الکترود خازن قطبی نازکتر است.

(ورق آلومینیوم خازن الکترولیتی با عرض های مختلف)

2. انفجار خازن

هنگامی که ولتاژ اعمال شده توسط خازن از ولتاژ مقاومت خود فراتر رود یا زمانی که قطبیت ولتاژ خازن الکترولیتی قطبی معکوس شود، جریان نشتی خازن به شدت افزایش می یابد و در نتیجه گرمای داخلی خازن و الکترولیت افزایش می یابد. مقدار زیادی گاز تولید خواهد کرد.

به منظور جلوگیری از انفجار خازن، سه شیار در بالای محفظه خازن فشرده شده است، به طوری که قسمت بالایی خازن تحت فشار بالا به راحتی شکسته شده و فشار داخلی آزاد می شود.

(مخزن انفجار در بالای خازن الکترولیتی)

با این حال، برخی از خازن ها در فرآیند تولید، پرس شیار بالایی واجد شرایط نیست، فشار داخل خازن باعث می شود لاستیک آب بندی در پایین خازن خارج شود، در این زمان فشار داخل خازن به طور ناگهانی آزاد می شود، تشکیل می شود. یک انفجار

1، انفجار خازن الکترولیتی غیر قطبی

در شکل زیر یک خازن الکترولیتی غیر قطبی در دست، با ظرفیت 1000uF و ولتاژ 16 ولت نشان داده شده است. پس از اینکه ولتاژ اعمال شده از 18 ولت فراتر رفت، جریان نشتی به طور ناگهانی افزایش می یابد و دما و فشار داخل خازن افزایش می یابد. در نهایت، مهر و موم لاستیکی در پایین خازن باز می شود و الکترودهای داخلی مانند پاپ کورن شل می شوند.

(فشار ولتاژ خازن الکترولیتی غیر قطبی)

با بستن یک ترموکوپل به یک خازن، می توان فرآیندی را اندازه گیری کرد که در آن دمای خازن با افزایش ولتاژ اعمال شده تغییر می کند. شکل زیر خازن غیر قطبی را در فرآیند افزایش ولتاژ نشان می دهد، زمانی که ولتاژ اعمال شده از مقدار ولتاژ مقاومت فراتر رود، دمای داخلی به افزایش روند ادامه می دهد.

(رابطه بین ولتاژ و دما)

شکل زیر تغییر جریان عبوری از خازن را در طی همان فرآیند نشان می دهد. مشاهده می شود که افزایش جریان اصلی ترین دلیل افزایش دمای داخلی است. در این فرآیند ولتاژ به صورت خطی افزایش می یابد و با افزایش شدید جریان، گروه منبع تغذیه باعث کاهش ولتاژ می شود. در نهایت، زمانی که جریان از 6 آمپر تجاوز کند، خازن با یک انفجار شدید منفجر می شود.

(رابطه بین ولتاژ و جریان)

با توجه به حجم داخلی بزرگ خازن الکترولیتی غیر قطبی و مقدار الکترولیت، فشار ایجاد شده پس از سرریز بسیار زیاد است و در نتیجه مخزن کاهش فشار در بالای پوسته شکسته نمی شود و لاستیک آب بندی در پایین می باشد. خازن باز شده است.

2، انفجار خازن الکترولیتی قطبی 

برای خازن های الکترولیتی قطبی، ولتاژ اعمال می شود. هنگامی که ولتاژ از ولتاژ مقاومت خازن بیشتر شود، جریان نشتی نیز به شدت افزایش می یابد و باعث گرم شدن بیش از حد خازن و انفجار آن می شود.

شکل زیر خازن الکترولیتی محدود کننده را نشان می دهد که ظرفیت 1000uF و ولتاژ 16 ولت دارد. پس از اضافه ولتاژ، فرآیند فشار داخلی از طریق مخزن تخلیه فشار بالا آزاد می شود، بنابراین از فرآیند انفجار خازن جلوگیری می شود.

شکل زیر نشان می دهد که دمای خازن با افزایش ولتاژ اعمال شده چگونه تغییر می کند. همانطور که ولتاژ به تدریج به ولتاژ مقاومت خازن نزدیک می شود، جریان باقیمانده خازن افزایش می یابد و دمای داخلی همچنان افزایش می یابد.

(رابطه بین ولتاژ و دما)

شکل زیر تغییر جریان نشتی خازن، خازن اسمی الکترولیتی 16 ولت است، در فرآیند تست، زمانی که ولتاژ از 15 ولت بیشتر شود، نشت خازن به شدت شروع به افزایش می کند.

(رابطه بین ولتاژ و جریان)

از طریق فرآیند آزمایشی دو خازن الکترولیتی اول، همچنین می توان دید که حد ولتاژ چنین خازن های الکترولیتی معمولی 1000uF است. برای جلوگیری از خرابی خازن در ولتاژ بالا، هنگام استفاده از خازن الکترولیتی، لازم است حاشیه کافی با توجه به نوسانات واقعی ولتاژ باقی بماند.

3،خازن های الکترولیتی سری

در صورت لزوم، ظرفیت خازنی بیشتر و ولتاژ تحمل ظرفیت بیشتر را می توان به ترتیب با اتصال موازی و سری به دست آورد.

(پاپ کورن خازن الکترولیتی پس از انفجار بیش از حد فشار)

در برخی از کاربردها، ولتاژ اعمال شده به خازن ولتاژ متناوب است، مانند خازن های کوپلینگ بلندگوها، جبران فاز جریان متناوب، خازن های تغییر فاز موتور و غیره که نیاز به استفاده از خازن های الکترولیتی غیر قطبی دارند.

در کتابچه راهنمای کاربر ارائه شده توسط برخی از سازندگان خازن، همچنین اشاره شده است که استفاده از خازن های قطبی سنتی با سری پشت به پشت، یعنی دو خازن پشت سر هم، اما قطبیت مخالف است تا اثر غیر خازن های قطبی

(خازن الکترولیتی پس از انفجار اضافه ولتاژ)

در زیر مقایسه خازن قطبی در کاربرد ولتاژ رو به جلو، ولتاژ معکوس، دو خازن الکترولیتی پشت سر هم به سه حالت خازن غیر قطبی، جریان نشتی با افزایش ولتاژ اعمالی تغییر می کند.

1. ولتاژ جلو و جریان نشتی

جریان عبوری از خازن با اتصال یک مقاومت به صورت سری اندازه گیری می شود. در محدوده تحمل ولتاژ خازن الکترولیتی (1000uF، 16V)، ولتاژ اعمال شده به تدریج از 0V افزایش می یابد تا رابطه بین جریان نشتی و ولتاژ مربوطه اندازه گیری شود.

(خازن سری مثبت)

شکل زیر رابطه بین جریان نشتی و ولتاژ یک خازن الکترولیتی آلومینیومی قطبی را نشان می دهد که یک رابطه غیرخطی با جریان نشتی زیر 0.5 میلی آمپر است.

(رابطه بین ولتاژ و جریان بعد از سری فوروارد)

2، ولتاژ معکوس و جریان نشتی

با استفاده از همین جریان برای اندازه گیری رابطه بین ولتاژ جهت اعمال شده و جریان نشتی خازن الکترولیتی، از شکل زیر می توان دریافت که وقتی ولتاژ معکوس اعمال شده از 4 ولت بیشتر شود، جریان نشتی شروع به افزایش سریع می کند. از شیب منحنی زیر، خازن الکترولیتی معکوس معادل مقاومت 1 اهم است.

(ولتاژ معکوس رابطه بین ولتاژ و جریان)

3. خازن های سری پشت به پشت

دو خازن الکترولیتی یکسان (1000uF، 16V) پشت به پشت به صورت سری به هم متصل می شوند تا یک خازن الکترولیتی معادل غیر قطبی تشکیل دهند و سپس منحنی رابطه بین ولتاژ و جریان نشتی آنها اندازه گیری می شود.

(خازن سری قطب مثبت و منفی)

نمودار زیر رابطه بین ولتاژ خازن و جریان نشتی را نشان می دهد و می بینید که جریان نشتی پس از اینکه ولتاژ اعمال شده از 4 ولت بیشتر شد افزایش می یابد و دامنه جریان کمتر از 1.5 میلی آمپر است.

و این اندازه گیری کمی تعجب آور است، زیرا می بینید که جریان نشتی این دو خازن سری پشت سر هم در واقع بیشتر از جریان نشتی یک خازن زمانی است که ولتاژ به جلو اعمال شود.

(رابطه بین ولتاژ و جریان بعد از سری های مثبت و منفی)

با این حال، به دلایل زمانی، آزمایش مکرری برای این پدیده وجود نداشت. شاید یکی از خازن های استفاده شده خازن تست ولتاژ معکوس همین الان بوده و داخل آن آسیب دیده است، بنابراین منحنی تست بالا ایجاد شده است.