1. Elektrolytische condensatoren
Elektrolytische condensatoren zijn condensatoren die gevormd worden door de oxidatielaag op de elektrode, door de werking van de elektrolyt als een isolerende laag, die meestal een grote capaciteit heeft. De elektrolyt is een vloeibaar, geleiachtig materiaal, rijk aan ionen. De meeste elektrolytische condensatoren zijn polair, dat wil zeggen dat de spanning van de positieve elektrode van de condensator tijdens bedrijf altijd hoger moet zijn dan de negatieve spanning.
De hoge capaciteit van elektrolytische condensatoren gaat echter ook ten koste van veel andere eigenschappen, zoals een grote lekstroom, een grote equivalente serie-inductie en -weerstand, een grote tolerantiefout en een korte levensduur.
Naast polaire elektrolytische condensatoren bestaan er ook apolaire elektrolytische condensatoren. In de onderstaande afbeelding zijn twee soorten 1000 µF, 16 V elektrolytische condensatoren te zien. De grootste is apolair en de kleinere polair.
(Apolaire en polaire elektrolytische condensatoren)
De binnenkant van de elektrolytische condensator kan een vloeibare elektrolyt of een vaste polymeer zijn, en het elektrodemateriaal is meestal aluminium (aluminium) of tantaal (tandalum). Hieronder ziet u een veelvoorkomende polaire aluminium elektrolytische condensator in de structuur: tussen de twee elektrodenlagen bevindt zich een laag vezelpapier gedrenkt in elektrolyt, plus een laag isolatiepapier, gevormd tot een cilinder, verzegeld in de aluminium behuizing.
(Interne structuur van elektrolytische condensator)
Bij het ontleden van de elektrolytische condensator is de basisstructuur duidelijk te zien. Om verdamping en lekkage van de elektrolyt te voorkomen, is het pengedeelte van de condensator vastgezet met afdichtrubber.
Uiteraard toont de afbeelding ook het verschil in inwendig volume tussen polaire en apolaire elektrolytische condensatoren. Bij dezelfde capaciteit en spanning is de apolaire elektrolytische condensator ongeveer twee keer zo groot als de polaire.
(Interne structuur van apolaire en polaire elektrolytische condensatoren)
Dit verschil wordt voornamelijk veroorzaakt door het grote verschil in de oppervlakte van de elektroden in de twee condensatoren. De elektrode van de apolaire condensator bevindt zich links en de polaire elektrode rechts. Naast het verschil in oppervlakte is ook de dikte van de twee elektroden verschillend, en is de dikte van de elektrode van de polaire condensator dunner.
(Aluminium plaat van verschillende breedtes voor elektrolytische condensator)
2. Explosie van de condensator
Wanneer de spanning die door de condensator wordt aangelegd de houdspanning overschrijdt, of wanneer de polariteit van de spanning van de polaire elektrolytische condensator wordt omgekeerd, zal de lekstroom van de condensator sterk toenemen, wat resulteert in een toename van de interne hitte van de condensator en zal de elektrolyt een grote hoeveelheid gas produceren.
Om te voorkomen dat de condensator explodeert, zitten er op de bovenkant van de behuizing drie groeven geperst. Hierdoor kan de bovenkant van de condensator gemakkelijk breken onder hoge druk en kan de interne druk ontsnappen.
(Brandstoftank bovenop de elektrolytische condensator)
Bij sommige condensatoren is de bovenste groefpersing tijdens het productieproces echter niet gekwalificeerd. De druk in de condensator zorgt ervoor dat het rubberen afdichtingsmateriaal aan de onderkant van de condensator wordt uitgeworpen. Op dat moment komt de druk in de condensator plotseling vrij en ontstaat er een explosie.
1. Explosie van een niet-polaire elektrolytische condensator
De onderstaande afbeelding toont een apolaire elektrolytische condensator met een capaciteit van 1000 µF en een spanning van 16 V. Zodra de aangelegde spanning 18 V overschrijdt, neemt de lekstroom plotseling toe en stijgen de temperatuur en druk in de condensator. Uiteindelijk barst de rubberen afdichting aan de onderkant van de condensator open en worden de interne elektroden als popcorn losgeslagen.
(overspanningsbeveiliging van niet-polaire elektrolytische condensatoren)
Door een thermokoppel aan een condensator te koppelen, is het mogelijk om het proces te meten waarbij de temperatuur van de condensator verandert naarmate de aangelegde spanning toeneemt. De volgende afbeelding toont een apolaire condensator tijdens het proces van spanningstoename. Wanneer de aangelegde spanning de waarde van de weerstandsspanning overschrijdt, blijft de interne temperatuur stijgen.
(Relatie tussen spanning en temperatuur)
De onderstaande afbeelding toont de verandering in de stroomsterkte door de condensator tijdens hetzelfde proces. Het is duidelijk dat de toename van de stroomsterkte de belangrijkste reden is voor de stijging van de interne temperatuur. In dit proces wordt de spanning lineair verhoogd, en naarmate de stroomsterkte sterk stijgt, zorgt de voedingsgroep voor een spanningsdaling. Uiteindelijk, wanneer de stroomsterkte 6A overschrijdt, explodeert de condensator met een luide knal.
(Relatie tussen spanning en stroom)
Door het grote inwendige volume van de apolaire elektrolytische condensator en de hoeveelheid elektrolyt ontstaat er na de overloop een enorme druk, waardoor het overdrukreservoir boven in de behuizing niet kapotgaat en het rubberen afdichtmiddel onderin de condensator niet openwaait.
2. Explosie van een polaire elektrolytische condensator
Bij polaire elektrolytische condensatoren wordt een spanning aangelegd. Wanneer de spanning de weerstandsspanning van de condensator overschrijdt, zal de lekstroom ook sterk toenemen, waardoor de condensator oververhit raakt en explodeert.
De onderstaande afbeelding toont de begrenzende elektrolytische condensator, met een capaciteit van 1000 µF en een spanning van 16 V. Na overspanning wordt de interne druk via het bovenste overdrukvat afgelaten, waardoor explosie van de condensator wordt voorkomen.
De volgende afbeelding laat zien hoe de temperatuur van de condensator verandert naarmate de aangelegde spanning toeneemt. Naarmate de spanning geleidelijk de weerstandsspanning van de condensator nadert, neemt de reststroom van de condensator toe en blijft de interne temperatuur stijgen.
(Relatie tussen spanning en temperatuur)
De volgende afbeelding toont de verandering van de lekstroom van de condensator, de nominale 16V elektrolytische condensator, tijdens het testproces. Wanneer de spanning 15V overschrijdt, begint de lekstroom van de condensator sterk te stijgen.
(Relatie tussen spanning en stroom)
Door het experimentele proces van de eerste twee elektrolytische condensatoren is ook te zien dat de spanningslimiet van dergelijke 1000 µF gewone elektrolytische condensatoren. Om een hoge spanningsdoorslag van de condensator te voorkomen, is het bij gebruik van de elektrolytische condensator noodzakelijk om voldoende marge te laten in overeenstemming met de werkelijke spanningsschommelingen.
3，elektrolytische condensatoren in serie
Indien van toepassing kunnen een grotere capaciteit en een grotere capaciteit-houdspanning worden verkregen door respectievelijk parallel- en serieschakeling.
(elektrolytische condensator popcorn na overdruk explosie)
In sommige toepassingen is de spanning die op de condensator wordt toegepast wisselspanning, zoals bij koppelcondensatoren van luidsprekers, fasecompensatie bij wisselstroom, faseverschuivingscondensatoren in motoren, etc. In deze gevallen zijn apolaire elektrolytische condensatoren nodig.
In de gebruiksaanwijzingen van sommige condensatorfabrikanten wordt ook aangegeven dat traditionele polaire condensatoren in serie worden geschakeld. Dat wil zeggen dat er twee condensatoren in serie worden geschakeld, maar met de polariteit tegengesteld om het effect van apolaire condensatoren te verkrijgen.
(elektrolytische capaciteit na overspanningsexplosie)
Hieronder volgt een vergelijking van de polaire condensator bij toepassing van doorlaatspanning, sperspanning, twee elektrolytische condensatoren rug aan rug in serie in drie gevallen van apolaire capaciteit, waarbij de lekstroom verandert naarmate de aangelegde spanning toeneemt.
1. Doorlaatspanning en lekstroom
De stroomsterkte door de condensator wordt gemeten door een weerstand in serie te schakelen. Binnen het spanningstolerantiebereik van de elektrolytische condensator (1000 µF, 16 V) wordt de aangelegde spanning geleidelijk verhoogd vanaf 0 V om de verhouding tussen de corresponderende lekstroom en de spanning te meten.
(positieve seriecapaciteit)
De onderstaande afbeelding toont de relatie tussen de lekstroom en de spanning van een polaire aluminium elektrolytische condensator. De relatie is niet-lineair, waarbij de lekstroom kleiner is dan 0,5 mA.
(De relatie tussen spanning en stroom na de voorwaartse reeks)
2, omgekeerde spanning en lekstroom
Door dezelfde stroom te gebruiken om de relatie tussen de aangelegde richtingsspanning en de lekstroom van de elektrolytische condensator te meten, blijkt uit de onderstaande afbeelding dat wanneer de aangelegde sperspanning 4 V overschrijdt, de lekstroom snel begint toe te nemen. Uit de helling van de volgende curve blijkt dat de spercapaciteit van de elektrolytische condensator gelijk is aan een weerstand van 1 ohm.
(Omgekeerde spanning Relatie tussen spanning en stroom)
3. Back-to-back seriecondensatoren
Twee identieke elektrolytische condensatoren (1000uF, 16V) worden rug aan rug in serie geschakeld om een apolaire equivalente elektrolytische condensator te vormen. Vervolgens wordt de relatiecurve tussen hun spanning en lekstroom gemeten.
(positieve en negatieve polariteit seriecapaciteit)
Het onderstaande diagram toont de relatie tussen de condensatorspanning en de lekstroom. U ziet dat de lekstroom toeneemt als de aangelegde spanning 4 V overschrijdt en de stroomamplitude kleiner is dan 1,5 mA.
En deze meting is enigszins verrassend, want je ziet dat de lekstroom van deze twee serieel geschakelde condensatoren daadwerkelijk groter is dan de lekstroom van een enkele condensator wanneer de spanning in voorwaartse richting wordt toegepast.
(De relatie tussen spanning en stroom na positieve en negatieve reeks)
Vanwege tijdsgebrek is er echter geen herhaalde test voor dit fenomeen uitgevoerd. Mogelijk was een van de gebruikte condensatoren de condensator van de sperspanningstest van zojuist, en was er schade aan de binnenkant, waardoor de bovenstaande testcurve werd gegenereerd.
Plaatsingstijd: 25-07-2023
