چرا خازن‌های الکترولیتی منفجر می‌شوند؟ یک کلمه برای فهمیدن!

۱. خازن‌های الکترولیتی 

خازن‌های الکترولیتی خازن‌هایی هستند که توسط لایه اکسیداسیون روی الکترود از طریق عملکرد الکترولیت به عنوان یک لایه عایق تشکیل می‌شوند که معمولاً ظرفیت زیادی دارد. الکترولیت یک ماده مایع و ژله‌ای غنی از یون‌ها است و بیشتر خازن‌های الکترولیتی قطبی هستند، یعنی هنگام کار، ولتاژ الکترود مثبت خازن باید همیشه بالاتر از ولتاژ منفی باشد.

ظرفیت بالای خازن‌های الکترولیتی همچنین فدای بسیاری از ویژگی‌های دیگر مانند جریان نشتی زیاد، اندوکتانس و مقاومت سری معادل بزرگ، خطای تلرانس زیاد و عمر کوتاه می‌شود.

علاوه بر خازن‌های الکترولیتی قطبی، خازن‌های الکترولیتی غیرقطبی نیز وجود دارند. در شکل زیر، دو نوع خازن الکترولیتی ۱۰۰۰ میکروفاراد و ۱۶ ولت وجود دارد. در بین آنها، خازن بزرگتر غیرقطبی و خازن کوچکتر قطبی است.

(خازن‌های الکترولیتی غیرقطبی و قطبی)

داخل خازن الکترولیتی ممکن است یک الکترولیت مایع یا یک پلیمر جامد باشد و جنس الکترود معمولاً آلومینیوم (Aluminum) یا تانتالوم (Tandalum) است. در زیر یک خازن الکترولیتی آلومینیومی قطبی رایج در داخل ساختار وجود دارد، بین دو لایه الکترود یک لایه کاغذ فیبری آغشته به الکترولیت وجود دارد، به علاوه یک لایه کاغذ عایق که به صورت استوانه‌ای درآمده و در پوسته آلومینیومی مهر و موم شده است.

(ساختار داخلی خازن الکترولیتی)

با تشریح خازن الکترولیتی، ساختار اساسی آن به وضوح قابل مشاهده است. به منظور جلوگیری از تبخیر و نشت الکترولیت، قسمت پین خازن با لاستیک آب‌بندی ثابت شده است.

البته، شکل همچنین تفاوت حجم داخلی بین خازن‌های الکترولیتی قطبی و غیرقطبی را نشان می‌دهد. در ظرفیت و سطح ولتاژ یکسان، خازن الکترولیتی غیرقطبی حدود دو برابر بزرگتر از نوع قطبی است.

(ساختار داخلی خازن‌های الکترولیتی غیرقطبی و قطبی)

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

(ورق آلومینیومی خازن الکترولیتی با عرض‌های مختلف)

۲. انفجار خازن

وقتی ولتاژ اعمال شده توسط خازن از ولتاژ تحمل آن بیشتر شود، یا وقتی قطبیت ولتاژ خازن الکترولیتی قطبی معکوس شود، جریان نشتی خازن به شدت افزایش می‌یابد و در نتیجه گرمای داخلی خازن افزایش می‌یابد و الکترولیت مقدار زیادی گاز تولید می‌کند.

برای جلوگیری از انفجار خازن، سه شیار در بالای محفظه خازن تعبیه شده است، به طوری که بالای خازن به راحتی تحت فشار زیاد شکسته شده و فشار داخلی آزاد می‌شود.

(مخزن انفجار در بالای خازن الکترولیتی)

با این حال، در فرآیند تولید برخی از خازن‌ها، فشار شیار بالایی واجد شرایط نیست و فشار داخل خازن باعث می‌شود که لاستیک آب‌بندی در پایین خازن بیرون زده شود و در این زمان فشار داخل خازن ناگهان آزاد می‌شود و انفجار رخ می‌دهد.

1، انفجار خازن الکترولیتی غیر قطبی

شکل زیر یک خازن الکترولیتی غیرقطبی با ظرفیت ۱۰۰۰ میکروفاراد و ولتاژ ۱۶ ولت را نشان می‌دهد. پس از اینکه ولتاژ اعمال شده از ۱۸ ولت بیشتر شد، جریان نشتی ناگهان افزایش می‌یابد و دما و فشار داخل خازن افزایش می‌یابد. در نهایت، آب‌بندی لاستیکی در پایین خازن باز می‌شود و الکترودهای داخلی مانند ذرت بو داده له می‌شوند.

(انفجار اضافه ولتاژ خازن الکترولیتی غیر قطبی)

با اتصال یک ترموکوپل به یک خازن، می‌توان فرآیندی را که طی آن دمای خازن با افزایش ولتاژ اعمال شده تغییر می‌کند، اندازه‌گیری کرد. شکل زیر خازن غیرقطبی را در فرآیند افزایش ولتاژ نشان می‌دهد، هنگامی که ولتاژ اعمال شده از مقدار ولتاژ تحمل تجاوز می‌کند، دمای داخلی همچنان به افزایش خود ادامه می‌دهد.

(رابطه بین ولتاژ و دما)

شکل زیر تغییر جریان عبوری از خازن را در طول همین فرآیند نشان می‌دهد. می‌توان مشاهده کرد که افزایش جریان دلیل اصلی افزایش دمای داخلی است. در این فرآیند، ولتاژ به صورت خطی افزایش می‌یابد و با افزایش شدید جریان، گروه منبع تغذیه افت ولتاژ ایجاد می‌کند. در نهایت، هنگامی که جریان از 6 آمپر فراتر می‌رود، خازن با صدای بلندی منفجر می‌شود.

(رابطه بین ولتاژ و جریان)

با توجه به حجم داخلی زیاد خازن الکترولیتی غیر قطبی و مقدار الکترولیت، فشار ایجاد شده پس از سرریز بسیار زیاد است و در نتیجه مخزن تخلیه فشار در بالای پوسته نمی‌شکند و لاستیک آب‌بندی در پایین خازن باز می‌شود.

2، انفجار خازن الکترولیتی قطبی 

برای خازن‌های الکترولیتی قطبی، یک ولتاژ اعمال می‌شود. وقتی ولتاژ از ولتاژ تحمل خازن بیشتر شود، جریان نشتی نیز به شدت افزایش می‌یابد و باعث گرم شدن بیش از حد خازن و انفجار آن می‌شود.

شکل زیر خازن الکترولیتی محدودکننده را نشان می‌دهد که دارای ظرفیت ۱۰۰۰ میکروفاراد و ولتاژ ۱۶ ولت است. پس از اضافه ولتاژ، فرآیند فشار داخلی از طریق مخزن تخلیه فشار بالا آزاد می‌شود، بنابراین از فرآیند انفجار خازن جلوگیری می‌شود.

شکل زیر نشان می‌دهد که چگونه دمای خازن با افزایش ولتاژ اعمال شده تغییر می‌کند. با نزدیک شدن تدریجی ولتاژ به ولتاژ تحمل خازن، جریان پسماند خازن افزایش می‌یابد و دمای داخلی همچنان افزایش می‌یابد.

(رابطه بین ولتاژ و دما)

شکل زیر تغییر جریان نشتی خازن، خازن الکترولیتی اسمی ۱۶ ولت، در فرآیند آزمایش است، هنگامی که ولتاژ از ۱۵ ولت بیشتر می‌شود، نشتی خازن به شدت شروع به افزایش می‌کند.

(رابطه بین ولتاژ و جریان)

از طریق فرآیند آزمایشی دو خازن الکترولیتی اول، می‌توان مشاهده کرد که حد ولتاژ چنین خازن‌های الکترولیتی معمولی ۱۰۰۰ میکروفاراد است. برای جلوگیری از شکست ولتاژ بالای خازن، هنگام استفاده از خازن الکترولیتی، لازم است حاشیه کافی با توجه به نوسانات ولتاژ واقعی در نظر گرفته شود.

۳،خازن‌های الکترولیتی سری

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

(پفک خازن الکترولیتی پس از انفجار ناشی از فشار بیش از حد)

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

در دفترچه راهنمای کاربر ارائه شده توسط برخی از تولیدکنندگان خازن، همچنین آمده است که استفاده از خازن‌های قطبی سنتی با سری پشت به پشت، یعنی دو خازن به صورت سری با هم، اما قطبیت مخالف است تا اثر خازن‌های غیرقطبی به دست آید.

(ظرفیت الکترولیتی پس از انفجار اضافه ولتاژ)

در ادامه مقایسه‌ای از خازن قطبی در اعمال ولتاژ مستقیم، ولتاژ معکوس، دو خازن الکترولیتی سری پشت به پشت به سه حالت خازن غیر قطبی، تغییرات جریان نشتی با افزایش ولتاژ اعمال شده، ارائه شده است.

۱. ولتاژ رو به جلو و جریان نشتی

جریان عبوری از خازن با اتصال سری یک مقاومت اندازه‌گیری می‌شود. در محدوده تحمل ولتاژ خازن الکترولیتی (1000 میکروفاراد، 16 ولت)، ولتاژ اعمال شده به تدریج از 0 ولت افزایش می‌یابد تا رابطه بین جریان نشتی و ولتاژ مربوطه اندازه‌گیری شود.

(خازن سری مثبت)

شکل زیر رابطه بین جریان نشتی و ولتاژ یک خازن الکترولیتی آلومینیومی قطبی را نشان می‌دهد که با جریان نشتی کمتر از 0.5 میلی‌آمپر، رابطه‌ای غیرخطی است.

(رابطه بین ولتاژ و جریان بعد از سری مستقیم)

2، ولتاژ معکوس و جریان نشتی

با استفاده از همان جریان برای اندازه‌گیری رابطه بین ولتاژ جهت اعمال شده و جریان نشتی خازن الکترولیتی، از شکل زیر می‌توان دریافت که وقتی ولتاژ معکوس اعمال شده از 4 ولت بیشتر می‌شود، جریان نشتی به سرعت شروع به افزایش می‌کند. از شیب منحنی زیر، ظرفیت الکترولیتی معکوس معادل مقاومت 1 اهم است.

(رابطه ولتاژ معکوس بین ولتاژ و جریان)

۳. خازن‌های سری پشت به پشت

دو خازن الکترولیتی یکسان (1000 میکروفاراد، 16 ولت) به صورت سری و پشت به پشت به هم متصل شده‌اند تا یک خازن الکترولیتی معادل غیرقطبی تشکیل دهند و سپس منحنی رابطه بین ولتاژ و جریان نشتی آنها اندازه‌گیری می‌شود.

(خازن سری با قطب مثبت و منفی)

نمودار زیر رابطه بین ولتاژ خازن و جریان نشتی را نشان می‌دهد و می‌توانید ببینید که جریان نشتی پس از اینکه ولتاژ اعمال شده از ۴ ولت بیشتر می‌شود، افزایش می‌یابد و دامنه جریان کمتر از ۱.۵ میلی‌آمپر است.

و این اندازه‌گیری کمی تعجب‌آور است، زیرا می‌بینید که جریان نشتی این دو خازن سری پشت به پشت در واقع بیشتر از جریان نشتی یک خازن واحد است، زمانی که ولتاژ به جلو اعمال می‌شود.

(رابطه بین ولتاژ و جریان پس از سری مثبت و منفی)

با این حال، به دلایل زمانی، آزمایش تکراری برای این پدیده انجام نشد. شاید یکی از خازن‌های مورد استفاده، خازن آزمایش ولتاژ معکوس همین الان بوده و داخل آن آسیب دیده است، بنابراین منحنی آزمایش فوق ایجاد شده است.