1. Elektrolyyttikondensaattorit
Elektrolyyttikondensaattorit ovat kondensaattoreita, jotka muodostuvat elektrodin hapetuskerroksesta elektrolyytin vaikutuksesta eristävänä kerroksena, jolla on yleensä suuri kapasiteetti. Elektrolyytti on nestemäinen, hyytelömäinen ja ionirikas materiaali, ja useimmat elektrolyyttikondensaattorit ovat polaarisia, eli niiden toiminnan aikana kondensaattorin positiivisen elektrodin jännitteen on oltava aina korkeampi kuin negatiivisen jännitteen.
Elektrolyyttikondensaattoreiden suuri kapasiteetti uhrataan myös monien muiden ominaisuuksien, kuten suuren vuotovirran, suuren ekvivalentin sarjainduktanssin ja -resistanssin, suuren toleranssivirheen ja lyhyen käyttöiän, vuoksi.
Polaaristen elektrolyyttikondensaattoreiden lisäksi on olemassa myös ei-polaarisia elektrolyyttikondensaattoreita. Alla olevassa kuvassa on kahdenlaisia 1000uF, 16V elektrolyyttikondensaattoreita. Niistä suurempi on ei-polaarinen ja pienempi on polaarinen.
(Ei-polaariset ja polaariset elektrolyyttikondensaattorit)
Elektrolyyttikondensaattorin sisäpuoli voi olla nestemäistä elektrolyyttiä tai kiinteää polymeeriä, ja elektrodimateriaali on yleensä alumiinia (Aluminum) tai tantaalia (Tandalum). Seuraavassa on yleinen polaarinen alumiinielektrolyyttikondensaattori, jonka rakenteen sisällä on kahden elektrodikerroksen välissä elektrolyyttiin kastettu kuitupaperikerros sekä eristävä paperikerros, joka on suljettu alumiinikuoreen sylinteriksi.
(Elektrolyyttikondensaattorin sisäinen rakenne)
Elektrolyyttikondensaattorin purkaminen osoittaa selvästi sen perusrakenteen. Elektrolyytin haihtumisen ja vuotamisen estämiseksi kondensaattorin tapin osa on kiinnitetty tiivistyskumilla.
Kuvassa näkyy tietenkin myös polaaristen ja ei-polaaristen elektrolyyttikondensaattoreiden sisätilavuuksien ero. Samalla kapasiteetilla ja jännitteellä ei-polaarinen elektrolyyttikondensaattori on noin kaksi kertaa suurempi kuin polaarinen.
(Ei-polaaristen ja polaaristen elektrolyyttikondensaattoreiden sisäinen rakenne)
Tämä ero johtuu pääasiassa kahden kondensaattorin sisällä olevien elektrodien suuresta pinta-alaerosta. Ei-polaarisen kondensaattorin elektrodi on vasemmalla ja polaarinen elektrodi oikealla. Pinta-alaeron lisäksi myös kahden elektrodin paksuus on erilainen, ja polaarisen kondensaattorin elektrodin paksuus on ohuempi.
(Eri levyinen elektrolyyttikondensaattorin alumiinilevy)
2. Kondensaattorin räjähdys
Kun kondensaattorin jännite ylittää sen kestojännitteen tai kun polaarisen elektrolyyttikondensaattorin jännitteen napaisuus käännetään, kondensaattorin vuotovirta nousee jyrkästi, mikä johtaa kondensaattorin sisäisen lämmön lisääntymiseen ja elektrolyytti tuottaa suuren määrän kaasua.
Kondensaattorin räjähdyksen estämiseksi kondensaattorikotelon yläosassa on kolme uraa, joiden avulla kondensaattorin yläosa on helppo rikkoa korkeassa paineessa ja vapauttaa sisäinen paine.
(Räjäytyssäiliö elektrolyyttikondensaattorin yläosassa)
Joidenkin kondensaattoreiden tuotantoprosessissa yläuran puristus ei kuitenkaan ole pätevä, joten kondensaattorin sisällä oleva paine saa kondensaattorin pohjassa olevan tiivistyskumin työntymään ulos. Tällöin kondensaattorin sisällä oleva paine vapautuu äkillisesti ja aiheuttaa räjähdyksen.
1, ei-polaarinen elektrolyyttikondensaattorin räjähdys
Alla olevassa kuvassa on käsillä oleva pooliton elektrolyyttikondensaattori, jonka kapasiteetti on 1000 uF ja jännite 16 V. Kun käytetty jännite ylittää 18 V, vuotovirta kasvaa äkillisesti ja lämpötila ja paine kondensaattorin sisällä nousevat. Lopulta kondensaattorin pohjassa oleva kumitiiviste rikkoutuu ja sisäiset elektrodit irtoavat kuin popcornit.
(ei-polaarinen elektrolyyttikondensaattorin ylijännitesuojaus)
Kytkemällä termoelementti kondensaattoriin on mahdollista mitata prosessia, jossa kondensaattorin lämpötila muuttuu käytetyn jännitteen kasvaessa. Seuraava kuva esittää ei-polaarisen kondensaattorin jännitteen nousuprosessia. Kun käytetty jännite ylittää kestojännitteen arvon, sisälämpötila jatkaa nousuaan.
(Jännitteen ja lämpötilan välinen suhde)
Alla oleva kuva näyttää kondensaattorin läpi kulkevan virran muutoksen saman prosessin aikana. Voidaan nähdä, että virran kasvu on pääsyy sisäisen lämpötilan nousuun. Tässä prosessissa jännite kasvaa lineaarisesti, ja virran noustessa jyrkästi virtalähderyhmä saa jännitteen laskemaan. Lopulta, kun virta ylittää 6 A, kondensaattori räjähtää kovalla pamahduksella.
(Jännitteen ja virran välinen suhde)
Ei-polaarisen elektrolyyttikondensaattorin suuren sisätilavuuden ja elektrolyytin määrän vuoksi ylivuodon jälkeen syntyvä paine on valtava, minkä seurauksena kuoren yläosassa oleva paineenalennussäiliö ei rikkoudu ja kondensaattorin pohjassa oleva tiivistyskumi puhalletaan auki.
2, polaarinen elektrolyyttikondensaattorin räjähdys
Polaarisissa elektrolyyttikondensaattoreissa käytetään jännitettä. Kun jännite ylittää kondensaattorin kestojännitteen, vuotovirta kasvaa myös jyrkästi, mikä aiheuttaa kondensaattorin ylikuumenemisen ja räjähtämisen.
Alla olevassa kuvassa on esitetty rajoittava elektrolyyttikondensaattori, jonka kapasiteetti on 1000 uF ja jännite 16 V. Ylijännitteen jälkeen sisäinen paine vapautuu yläpaineenalennussäiliön kautta, joten kondensaattorin räjähdysprosessi vältetään.
Seuraava kuva näyttää, miten kondensaattorin lämpötila muuttuu käytetyn jännitteen kasvaessa. Kun jännite vähitellen lähestyy kondensaattorin kestojännitettä, kondensaattorin jäännösvirta kasvaa ja sisälämpötila jatkaa nousuaan.
(Jännitteen ja lämpötilan välinen suhde)
Seuraava kuva esittää kondensaattorin, nimellisjännitteisen 16 V:n elektrolyyttikondensaattorin, vuotovirran muutosta testiprosessissa. Kun jännite ylittää 15 V, kondensaattorin vuoto alkaa kasvaa jyrkästi.
(Jännitteen ja virran välinen suhde)
Kahden ensimmäisen elektrolyyttikondensaattorin kokeellisen prosessin kautta voidaan myös nähdä, että tällaisten 1000uF:n tavallisten elektrolyyttikondensaattoreiden jänniteraja. Kondensaattorin suurjännitteisen läpilyönnin välttämiseksi elektrolyyttikondensaattoria käytettäessä on jätettävä riittävästi marginaalia todellisten jännitevaihteluiden mukaan.
3,sarjaan kytketyt elektrolyyttikondensaattorit
Suurempi kapasitanssi ja suurempi kapasitanssin jännitekesto voidaan tarvittaessa saavuttaa rinnan- ja sarjaankytkennällä.
(elektrolyyttikondensaattorin popcorn ylipaineräjähdyksen jälkeen)
Joissakin sovelluksissa kondensaattoriin syötetty jännite on vaihtojännitettä, kuten kaiuttimien kytkentäkondensaattoreissa, vaihtovirran vaihekompensointikondensaattoreissa, moottorin vaihesiirtokondensaattoreissa jne., jotka vaativat ei-polaaristen elektrolyyttikondensaattoreiden käyttöä.
Joidenkin kondensaattorivalmistajien käyttöohjeissa mainitaan myös perinteisten polaaristen kondensaattoreiden käyttö peräkkäin sarjassa, eli kaksi kondensaattoria sarjassa yhdessä, mutta napaisuus on päinvastainen, jotta saadaan aikaan ei-polaaristen kondensaattoreiden vaikutus.
(elektrolyyttinen kapasitanssi ylijänniteräjähdyksen jälkeen)
Seuraavassa on vertailu polaarikondensaattorista eteenpäin suuntautuvan jännitteen, vastajännitteen ja kahden elektrolyyttikondensaattorin peräkkäiskytkentäsarjassa kolmeen ei-polaarisen kapasitanssin tapaukseen, joissa vuotovirta muuttuu käytetyn jännitteen kasvaessa.
1. Eteenpäin suuntautuva jännite ja vuotovirta
Kondensaattorin läpi kulkevaa virtaa mitataan kytkemällä vastus sarjaan. Elektrolyyttikondensaattorin jännitetoleranssialueen (1000 uF, 16 V) sisällä käytettyä jännitettä nostetaan vähitellen 0 V:sta vastaavan vuotovirran ja jännitteen välisen suhteen mittaamiseksi.
(positiivinen sarjakapasitanssi)
Seuraava kuva esittää polaarisen alumiinielektrolyyttikondensaattorin vuotovirran ja jännitteen välisen suhteen, joka on epälineaarinen suhde vuotovirran ollessa alle 0,5 mA.
(Jännitteen ja virran välinen suhde eteenpäin suuntautuvan sarjan jälkeen)
2, käänteinen jännite ja vuotovirta
Käyttämällä samaa virtaa mitataan käytetyn suuntajännitteen ja elektrolyyttikondensaattorin vuotovirran välistä suhdetta, alla olevasta kuvasta voidaan nähdä, että kun käytetty vastajännite ylittää 4 V, vuotovirta alkaa kasvaa nopeasti. Seuraavan käyrän kulmakertoimesta nähdään, että vastavirtaelektrolyyttikapasitanssi vastaa 1 ohmin vastusta.
(Käänteinen jännite Jännitteen ja virran välinen suhde)
3. Peräkkäin kytketyt sarjakondensaattorit
Kaksi identtistä elektrolyyttikondensaattoria (1000 uF, 16 V) kytketään seläkkäin sarjaan muodostaen ei-polaarisen ekvivalentin elektrolyyttikondensaattorin, ja sitten mitataan niiden jännitteen ja vuotovirran välinen suhdekäyrä.
(positiivisen ja negatiivisen napaisuuden sarjakapasitanssi)
Seuraava kaavio näyttää kondensaattorijännitteen ja vuotovirran välisen suhteen, ja voit nähdä, että vuotovirta kasvaa, kun käytetty jännite ylittää 4 V ja virran amplitudi on alle 1,5 mA.
Ja tämä mittaus on hieman yllättävä, koska näet, että näiden kahden peräkkäin kytketyn sarjakondensaattorin vuotovirta on itse asiassa suurempi kuin yhden kondensaattorin vuotovirta, kun jännite syötetään eteenpäin.
(Jännitteen ja virran välinen suhde positiivisen ja negatiivisen sarjan jälkeen)
Aikasyistä tätä ilmiötä ei kuitenkaan testattu uudelleen. Ehkä yksi käytetyistä kondensaattoreista oli juuri nyt vastajännitetestin kondensaattori, ja sen sisällä oli vaurioita, joten yllä oleva testikäyrä syntyi.
Julkaisun aika: 25.7.2023
