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电解电容为什么会爆炸?一文看明白!

作者:卓晴

来源:TsinghuaJoking

一、电解电容

电解电容是通过电解质作用在电极上形成的氧化层作为绝缘层的电容,通常具有较大的容量。电解质是液体、胶冻状富含离子的物质,大多数电解电容都是有极性的,也就是在工作时,电容的正极的电压需要始终比负极电压高。

电解电容的高容量也是牺牲了很多其它的特性换来的,比如具有较大的漏电流、较大的等效串联电感和电阻、容值误差较大、寿命短等。

除了有极性的电解电容之外,也有无极性的电解电容。在下图中,就是有两种1000uF,16V的电解电容。其中,较大的是无极性,较小的是有极性的。

(无极性和有极性电解电容)

电解电容内部可能是液体电解质或者固态聚合物,电极材料常用铝(Aluminum)或者钽(Tandalum)。下图是常见的有极性铝电解电容内部的结构,两层电极之间有一层浸有电解液的纤维纸,再加一层绝缘纸转成圆柱形,密封在铝制壳内。

(电解电容内部结构)

解剖开电解电容,可以清楚地看到它的基本结构。为了防止电解液的蒸发和泄露,电容引脚部分使用了密封橡胶进行固定。

当然,图中也显示了有极性和无极性的电解电容的内部体积的差别。在同样容量和耐压等级下,无极性的电解电容比有极性大了一倍左右。

(无极性和有极性电解电容内部结构)

这样的差别,主要来自于两种电容内部电极的面积出现了较大的差异。下图左边是无极性的电容电极,右边是有极性的电极。除了面积差异之外,两种电极厚度也有区别,有极性的电容电极厚度较薄。

(电解电容铝片不同的宽度)

二、电容爆炸

当电容施加的电压超过其耐压时,或者对于有极性电解电容电压极性加反时,都会引起电容漏电流急剧上升,造成电容内部热量增加,电解液会产生大量的气体。

为了防止电容爆炸,在电容外壳的顶部压制有三条凹槽,这样便于电容顶部在高压下率先破裂,释放内部的压力。

(电解电容顶部的爆破槽)

但是,有的电容在制作过程中,顶部的凹槽压制不合格,电容内部的压力会使得电容底部的密封橡胶被弹出,此时电容内部的压力突然释放,就会形成爆炸。

1、无极性电解电容爆炸

下图显示了手边一颗无极性电解电容,它的容量为1000uF,耐压16V。在施加电压超过18V之后,漏电流突然增加,电容内部的温度和压力增加。最终,电容底部的橡胶密封圈炸开,内部电极像爆米花一下被砸松散。

(无极性电解电容过压爆破)

通过在电容上捆绑一个热电偶,可以测量电容的温度随着施加的电压增加变化的过程。下图显示了无极性电容在电压增加过程中,当施加的电压超过耐压值,内部温度继续增高的过程。

(电压与温度之间的关系)

下图显示了在同样的过程中,流过电容的电流变化。可以看到,电流的增加是造成内部温度上升的主要原因。在这个过程中,电压是成线性增加,随着电流急剧升高,供电电源内组使得电压下降。最终,当电流超过6A之后,随着一声巨响,电容炸开。

(电压与电流之间的关系)

由于无极性的电解电容内部体积大,电解液多,所以在过流之后所产生的压力巨大,导致了外壳顶部的泄压槽没有破裂,而电容底部的密封橡胶被炸开了。

2、有极性电解电容爆炸

对于有极性的电解电容,施加电压。当电压超过电容的耐压时,漏电电流也会急剧上升,造成电容过热爆炸。

下图显示了有极限的电解电容,它的容量为1000uF,耐压16V。在过压之后,通过顶部泄压槽释放内部气压过程,因此就避免了电容爆炸过程。

(极性电解电容过压爆破)

下图显示了电容的温度随着施加电压的增加变化的情况,当电压逐步接近电容的耐压后,电容的留点电流增加,内部的温度继续上升。

(电压与温度之间的关系)

下图是电容的漏电电流变化情况,标称为16V耐压的电解电容,在测试过程中,当电压超过15V之后,电容的漏电便开始急剧上升了。

(电压与电流之间的关系)

通过前面两个电解电容的实验过程遭遇,也可以看到对于此类1000uF普通电解电容耐压限制情况。为了避免电容被高压击穿,因此在使用电解电容的时候,需要根据实际电压波动情况,留下足够的余量。

三、电解电容串联

在适当的情况下,可以通过并联和串联来分别获得更大的电容容量和更大的电容耐压。

(过压爆破之后的电解电容爆米花)

在有些应用场合,施加在电容上的电压是交流电压,比如扬声器的耦合电容、交流电相位补偿、电机移相电容等,需要使用无极性的电解电容。

在一些电容制造商给出的使用手册上,也给出了使用传统的有极性电容通过背对背的串联,即将两个电容的串联在一起,但极性相反来获得无极性电容的效果。

(过压爆破之后的电解电容)

下面对比一下有极性电容在施加正向电压、反向电压、两个电解电容背对背串联成无极性电容三种情况下,漏电流随着施加电压增加变化情况。

1、正向电压与漏电流

通过串联一个电阻来测量流过电容的电流,在电解电容(1000uF,16V)的耐压范围内,从0V开始逐步增加施加的电压,测量对应的漏电电流与电压之间的关系。

(正极性串联电容)

下图显示了有极性铝电解电容的漏电流与电压之间的关系,这是一个非线性的关系,漏电电流在0.5mA以下。

(正向串联之后电压电压与电流之间的关系)

2、反向电压与漏电电流

使用同样的电流测量施加方向电压与电解电容漏电电流之间的关系,从下图可以看出,当施加的反向电压超过了4V之后,漏电电流便开始快速增加。通过后面的曲线斜率来看,反向的电解电容相当于一个阻值 为1欧姆的电阻。

(反向电压电压与电流之间的关系)

3、背对背串联的电容

将两个相同的电解电容(1000uF,16V)背对背串联在一起,形成一个无极性等效的电解电容,然后测量它们的电压与漏电流之间的关系曲线。

(正反极性串联电容)

下图显示了电容电压与漏电流之间的关系,可以看到在施加的电压超过4V之后,漏电流会增加,电流幅值小于1.5mA。

而这个测量结果的确有点令人感到意外,你会看到这两个背对背串联电容的漏电流,居然大于单个电容正向施加电压时漏电流。

(正反向串联之后电压电压与电流之间的关系)

不过,由于时间原因,对于这个现象后面没有进行重复测试,也许其中一个电容使用的是刚才反向电压测试的电容,内部已经有了损坏,所以才产生了上面的测试曲线。

本文分享自微信公众号 - 单片机爱好者(mcucoder),作者:21ic

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原始发表时间:2020-08-18

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