1. Elektrolytické kondenzátory
Elektrolytické kondenzátory jsou kondenzátory tvořené oxidační vrstvou na elektrodě působením elektrolytu jako izolační vrstvy, která má obvykle velkou kapacitu. Elektrolyt je kapalný, želé podobný materiál bohatý na ionty a většina elektrolytických kondenzátorů je polárních, to znamená, že při provozu musí být napětí na kladné elektrodě kondenzátoru vždy vyšší než napětí na záporné elektrodě.
Vysoká kapacita elektrolytických kondenzátorů je také obětována mnoha dalšími vlastnostmi, jako je velký svodový proud, velká ekvivalentní sériová indukčnost a odpor, velká toleranční chyba a krátká životnost.
Kromě polárních elektrolytických kondenzátorů existují i nepolární elektrolytické kondenzátory. Na obrázku níže jsou znázorněny dva druhy elektrolytických kondenzátorů s kapacitou 1000 uF a napětím 16 V. Větší z nich je nepolární a menší polární.
(Nepolární a polární elektrolytické kondenzátory)
Vnitřek elektrolytického kondenzátoru může být kapalný elektrolyt nebo pevný polymer a materiál elektrod je obvykle hliník (hliník) nebo tantal (tandal). Následuje běžný polární hliníkový elektrolytický kondenzátor uvnitř struktury, mezi dvěma vrstvami elektrod je vrstva vláknitého papíru namočeného v elektrolytu a vrstva izolačního papíru, která je válcovitě uzavřena v hliníkovém plášti.
(Vnitřní struktura elektrolytického kondenzátoru)
Při rozboru elektrolytického kondenzátoru je jasně vidět jeho základní struktura. Aby se zabránilo odpařování a úniku elektrolytu, je kolíková část kondenzátoru upevněna těsnicí gumou.
Obrázek samozřejmě také ukazuje rozdíl ve vnitřním objemu mezi polárními a nepolárními elektrolytickými kondenzátory. Při stejné kapacitě a napěťové úrovni je nepolární elektrolytický kondenzátor přibližně dvakrát větší než polární.
(Vnitřní struktura nepolárních a polárních elektrolytických kondenzátorů)
Tento rozdíl pramení hlavně z velkého rozdílu v ploše elektrod uvnitř obou kondenzátorů. Nepolární elektroda kondenzátoru je vlevo a polární elektroda vpravo. Kromě rozdílu v ploše se liší i tloušťka obou elektrod a tloušťka polární elektrody kondenzátoru je menší.
(Hliníkový plech elektrolytických kondenzátorů různé šířky)
2. Výbuch kondenzátoru
Když napětí přivedené na kondenzátor překročí jeho výdržné napětí nebo když se obrátí polarita napětí polárního elektrolytického kondenzátoru, svodový proud kondenzátoru prudce vzroste, což má za následek zvýšení vnitřního tepla kondenzátoru a elektrolyt produkuje velké množství plynu.
Aby se zabránilo explozi kondenzátoru, jsou na horní straně pouzdra kondenzátoru vylisovány tři drážky, takže horní část kondenzátoru se pod vysokým tlakem snadno zlomí a uvolní se vnitřní tlak.
(Trásková nádrž v horní části elektrolytického kondenzátoru)
Nicméně, u některých kondenzátorů během výrobního procesu není horní drážka lisována správně, což vede k vnitřnímu tlaku, který způsobí uvolnění gumového těsnění na spodní straně kondenzátoru. V tomto okamžiku se vnitřní tlak náhle uvolní a dojde k explozi.
1, exploze nepolárního elektrolytického kondenzátoru
Obrázek níže ukazuje nepolární elektrolytický kondenzátor s kapacitou 1000 uF a napětím 16 V. Poté, co aplikované napětí překročí 18 V, se svodový proud náhle zvýší a teplota a tlak uvnitř kondenzátoru se zvýší. Nakonec se gumové těsnění na spodní straně kondenzátoru otevře a vnitřní elektrody se uvolní jako popcorn.
(odstřelování přepětím nepolárních elektrolytických kondenzátorů)
Připojením termočlánku ke kondenzátoru je možné měřit proces, kterým se mění teplota kondenzátoru se zvyšujícím se aplikovaným napětím. Následující obrázek znázorňuje nepolární kondenzátor v procesu zvyšování napětí. Když aplikované napětí překročí hodnotu výdržného napětí, vnitřní teplota se dále zvyšuje.
(Vztah mezi napětím a teplotou)
Obrázek níže ukazuje změnu proudu protékajícího kondenzátorem během stejného procesu. Je vidět, že zvýšení proudu je hlavním důvodem zvýšení vnitřní teploty. V tomto procesu se napětí lineárně zvyšuje a s prudkým nárůstem proudu napájecí skupina způsobí pokles napětí. Nakonec, když proud překročí 6 A, kondenzátor s hlasitým třeskem exploduje.
(Vztah mezi napětím a proudem)
Vzhledem k velkému vnitřnímu objemu nepolárního elektrolytického kondenzátoru a množství elektrolytu je tlak generovaný po přetečení obrovský, což má za následek, že se přetlaková nádrž v horní části pláště nerozbije a těsnicí guma ve spodní části kondenzátoru se protrhne.
2, exploze polárního elektrolytického kondenzátoru
U polárních elektrolytických kondenzátorů se přivádí napětí. Když napětí překročí výdržné napětí kondenzátoru, prudce se zvýší i svodový proud, což způsobí přehřátí a explozi kondenzátoru.
Obrázek níže znázorňuje omezující elektrolytický kondenzátor s kapacitou 1000uF a napětím 16V. Po přepětí se vnitřní tlak uvolní přes horní přetlakovou nádrž, čímž se zabrání explozi kondenzátoru.
Následující obrázek ukazuje, jak se mění teplota kondenzátoru se zvyšujícím se aplikovaným napětím. Jak se napětí postupně blíží výdržnému napětí kondenzátoru, zbytkový proud kondenzátoru se zvyšuje a vnitřní teplota dále stoupá.
(Vztah mezi napětím a teplotou)
Následující obrázek ukazuje změnu svodového proudu kondenzátoru, jmenovitého 16V elektrolytického kondenzátoru, během testovacího procesu. Když napětí překročí 15V, svodový proud kondenzátoru začne prudce stoupat.
(Vztah mezi napětím a proudem)
Z experimentálního procesu s prvními dvěma elektrolytickými kondenzátory je také patrné, že napěťové omezení běžných elektrolytických kondenzátorů s kapacitou 1000 µF je takové. Aby se zabránilo průrazu kondenzátoru vysokým napětím, je nutné při použití elektrolytického kondenzátoru ponechat dostatečnou rezervu podle skutečných kolísání napětí.
3,elektrolytické kondenzátory zapojené v sérii
V případě potřeby lze dosáhnout větší kapacity a většího kapacitního výdržného napětí paralelním, respektive sériovým zapojením.
(popcorn elektrolytického kondenzátoru po explozi přetlaku)
V některých aplikacích je napětí přiváděné na kondenzátor střídavé napětí, například u vazebních kondenzátorů reproduktorů, fázové kompenzace střídavého proudu, kondenzátorů pro fázový posun motoru atd., což vyžaduje použití nepolárních elektrolytických kondenzátorů.
V uživatelských příručkách některých výrobců kondenzátorů se také uvádí, že tradiční polární kondenzátory se používají sériově, tj. dva kondenzátory zapojené do série, ale s opačnou polaritou, aby se dosáhlo efektu nepolárních kondenzátorů.
(elektrolytická kapacita po výbuchu přepětí)
Následuje srovnání polárního kondenzátoru při aplikaci propustného napětí, zpětného napětí, dvou elektrolytických kondenzátorů zapojených sériově zády k sobě ve třech případech nepolární kapacity, přičemž svodový proud se mění se zvyšujícím se aplikovaným napětím.
1. Napětí v propustném směru a svodový proud
Proud protékající kondenzátorem se měří sériovým zapojením rezistoru. V rámci napěťového tolerancního rozsahu elektrolytického kondenzátoru (1000 uF, 16 V) se aplikované napětí postupně zvyšuje od 0 V, aby se změřil vztah mezi odpovídajícím svodovým proudem a napětím.
(kladná sériová kapacita)
Následující obrázek znázorňuje vztah mezi svodovým proudem a napětím polárního hliníkového elektrolytického kondenzátoru, což je nelineární vztah se svodovým proudem pod 0,5 mA.
(Vztah mezi napětím a proudem po sériovém zapojení v přímém směru)
2, zpětné napětí a svodový proud
Při použití stejného proudu k měření vztahu mezi aplikovaným směrovým napětím a svodovým proudem elektrolytického kondenzátoru je z obrázku níže patrné, že když aplikované zpětné napětí překročí 4 V, svodový proud se začne rychle zvyšovat. Ze sklonu následující křivky vyplývá, že zpětná elektrolytická kapacita je ekvivalentní odporu 1 ohmu.
(Zpětné napětí Vztah mezi napětím a proudem)
3. Kondenzátory zapojené sériově
Dva identické elektrolytické kondenzátory (1000uF, 16V) jsou zapojeny zády k sobě do série a tvoří tak nepolární ekvivalentní elektrolytický kondenzátor. Poté se změří závislost mezi jejich napětím a svodovým proudem.
(sériová kapacita s kladnou a zápornou polaritou)
Následující diagram znázorňuje vztah mezi napětím kondenzátoru a svodovým proudem a je vidět, že svodový proud se zvyšuje poté, co aplikované napětí překročí 4 V, a amplituda proudu je menší než 1,5 mA.
A toto měření je trochu překvapivé, protože vidíte, že svodový proud těchto dvou sériově zapojených kondenzátorů je ve skutečnosti větší než svodový proud jednoho kondenzátoru, když je napětí aplikováno v propustném směru.
(Vztah mezi napětím a proudem po kladné a záporné sérii)
Z časových důvodů však nebyl tento jev opakovaně testován. Možná jeden z použitých kondenzátorů byl ten, který byl právě použit v testu zpětného napětí, a uvnitř došlo k poškození, proto byla vygenerována výše uvedená testovací křivka.
Čas zveřejnění: 25. července 2023
