1. Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές
Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είναι πυκνωτές που σχηματίζονται από το στρώμα οξείδωσης στο ηλεκτρόδιο μέσω της δράσης του ηλεκτρολύτη ως μονωτικό στρώμα, το οποίο συνήθως έχει μεγάλη χωρητικότητα. Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα υγρό, ζελατινώδες υλικό πλούσιο σε ιόντα και οι περισσότεροι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είναι πολικοί, δηλαδή, κατά τη λειτουργία, η τάση του θετικού ηλεκτροδίου του πυκνωτή πρέπει να είναι πάντα υψηλότερη από την αρνητική τάση.
Η υψηλή χωρητικότητα των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών θυσιάζεται επίσης για πολλά άλλα χαρακτηριστικά, όπως το μεγάλο ρεύμα διαρροής, η μεγάλη ισοδύναμη σειριακή αυτεπαγωγή και αντίσταση, το μεγάλο σφάλμα ανοχής και η σύντομη διάρκεια ζωής.
Εκτός από τους πολικούς ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, υπάρχουν και μη πολικοί ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές. Στο παρακάτω σχήμα, υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρολυτικών πυκνωτών 1000uF, 16V. Μεταξύ αυτών, ο μεγαλύτερος είναι μη πολικός και ο μικρότερος είναι πολικός.
(Μη πολικοί και πολικοί ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές)
Το εσωτερικό του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή μπορεί να είναι ένας υγρός ηλεκτρολύτης ή ένα στερεό πολυμερές, και το υλικό του ηλεκτροδίου είναι συνήθως αλουμίνιο (αλουμίνιο) ή ταντάλιο (ταντάλιο). Ακολουθεί ένας κοινός πολικός ηλεκτρολυτικός πυκνωτής αλουμινίου στο εσωτερικό της δομής, ανάμεσα στα δύο στρώματα ηλεκτροδίων υπάρχει ένα στρώμα χαρτιού από ίνες εμποτισμένο σε ηλεκτρολύτη, συν ένα στρώμα μονωτικού χαρτιού που έχει μετατραπεί σε κύλινδρο, σφραγισμένο στο κέλυφος αλουμινίου.
(Εσωτερική δομή ηλεκτρολυτικού πυκνωτή)
Ανατέμνοντας τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή, φαίνεται καθαρά η βασική του δομή. Για να αποφευχθεί η εξάτμιση και η διαρροή του ηλεκτρολύτη, το τμήμα του πείρου του πυκνωτή στερεώνεται με στεγανοποιητικό λάστιχο.
Φυσικά, το σχήμα δείχνει επίσης τη διαφορά στον εσωτερικό όγκο μεταξύ πολικών και μη πολικών ηλεκτρολυτικών πυκνωτών. Στην ίδια χωρητικότητα και επίπεδο τάσης, ο μη πολικός ηλεκτρολυτικός πυκνωτής είναι περίπου διπλάσιος από τον πολικό.
(Εσωτερική δομή μη πολικών και πολικών ηλεκτρολυτικών πυκνωτών)
Αυτή η διαφορά προέρχεται κυρίως από τη μεγάλη διαφορά στην περιοχή των ηλεκτροδίων στο εσωτερικό των δύο πυκνωτών. Το μη πολικό ηλεκτρόδιο πυκνωτή βρίσκεται στα αριστερά και το πολικό ηλεκτρόδιο βρίσκεται στα δεξιά. Εκτός από τη διαφορά στην περιοχή, το πάχος των δύο ηλεκτροδίων είναι επίσης διαφορετικό, και το πάχος του πολικού ηλεκτροδίου πυκνωτή είναι λεπτότερο.
(Φύλλο αλουμινίου ηλεκτρολυτικού πυκνωτή διαφορετικού πλάτους)
2. Έκρηξη πυκνωτή
Όταν η τάση που εφαρμόζεται από τον πυκνωτή υπερβαίνει την τάση αντοχής του ή όταν η πολικότητα της τάσης του πολικού ηλεκτρολυτικού πυκνωτή αντιστραφεί, το ρεύμα διαρροής του πυκνωτή θα αυξηθεί απότομα, με αποτέλεσμα την αύξηση της εσωτερικής θερμότητας του πυκνωτή και ο ηλεκτρολύτης θα παράγει μεγάλη ποσότητα αερίου.
Για να αποφευχθεί η έκρηξη του πυκνωτή, υπάρχουν τρεις αυλακώσεις πιεσμένες στην κορυφή του περιβλήματος του πυκνωτή, έτσι ώστε η κορυφή του πυκνωτή να σπάει εύκολα υπό υψηλή πίεση και να απελευθερώνεται η εσωτερική πίεση.
(Δεξαμενή αμμοβολής στην κορυφή του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή)
Ωστόσο, ορισμένοι πυκνωτές κατά τη διαδικασία παραγωγής, η πίεση στην άνω αυλάκωση δεν είναι κατάλληλη, η πίεση στο εσωτερικό του πυκνωτή θα κάνει το λάστιχο στεγανοποίησης στο κάτω μέρος του πυκνωτή να εκτοξευθεί, αυτή τη στιγμή η πίεση στο εσωτερικό του πυκνωτή απελευθερώνεται ξαφνικά, θα σχηματίσει μια έκρηξη.
1, έκρηξη μη πολικού ηλεκτρολυτικού πυκνωτή
Το παρακάτω σχήμα δείχνει έναν μη πολικό ηλεκτρολυτικό πυκνωτή, χωρητικότητας 1000uF και τάσης 16V. Αφού η εφαρμοζόμενη τάση υπερβεί τα 18V, το ρεύμα διαρροής αυξάνεται ξαφνικά και η θερμοκρασία και η πίεση στο εσωτερικό του πυκνωτή αυξάνονται. Τελικά, η ελαστική σφράγιση στο κάτω μέρος του πυκνωτή σπάει και τα εσωτερικά ηλεκτρόδια σπάνε σαν ποπ κορν.
(αμμοβολή με υπερτάση μη πολικού ηλεκτρολυτικού πυκνωτή)
Συνδέοντας ένα θερμοστοιχείο σε έναν πυκνωτή, είναι δυνατό να μετρηθεί η διαδικασία με την οποία η θερμοκρασία του πυκνωτή αλλάζει καθώς αυξάνεται η εφαρμοζόμενη τάση. Το ακόλουθο σχήμα δείχνει τον μη πολικό πυκνωτή κατά τη διαδικασία αύξησης της τάσης. Όταν η εφαρμοζόμενη τάση υπερβαίνει την τιμή τάσης αντοχής, η εσωτερική θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται.
(Σχέση μεταξύ τάσης και θερμοκρασίας)
Το παρακάτω σχήμα δείχνει την αλλαγή στο ρεύμα που ρέει μέσω του πυκνωτή κατά την ίδια διαδικασία. Μπορεί να φανεί ότι η αύξηση του ρεύματος είναι η κύρια αιτία για την αύξηση της εσωτερικής θερμοκρασίας. Σε αυτή τη διαδικασία, η τάση αυξάνεται γραμμικά και καθώς το ρεύμα αυξάνεται απότομα, η ομάδα τροφοδοσίας προκαλεί πτώση της τάσης. Τέλος, όταν το ρεύμα υπερβεί τα 6Α, ο πυκνωτής εκρήγνυται με έναν δυνατό κρότο.
(Σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος)
Λόγω του μεγάλου εσωτερικού όγκου του μη πολικού ηλεκτρολυτικού πυκνωτή και της ποσότητας ηλεκτρολύτη, η πίεση που παράγεται μετά την υπερχείλιση είναι τεράστια, με αποτέλεσμα να μην σπάει η δεξαμενή εκτόνωσης πίεσης στο πάνω μέρος του κελύφους και να σπάει το λάστιχο στεγανοποίησης στο κάτω μέρος του πυκνωτή.
2, έκρηξη πολικού ηλεκτρολυτικού πυκνωτή
Για τους πολικούς ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, εφαρμόζεται τάση. Όταν η τάση υπερβεί την τάση αντοχής του πυκνωτή, το ρεύμα διαρροής θα αυξηθεί επίσης απότομα, προκαλώντας υπερθέρμανση και έκρηξη του πυκνωτή.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει τον περιοριστικό ηλεκτρολυτικό πυκνωτή, ο οποίος έχει χωρητικότητα 1000uF και τάση 16V. Μετά την υπέρταση, η εσωτερική διαδικασία πίεσης απελευθερώνεται μέσω της άνω δεξαμενής εκτόνωσης πίεσης, έτσι ώστε να αποφεύγεται η διαδικασία έκρηξης του πυκνωτή.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει πώς αλλάζει η θερμοκρασία του πυκνωτή με την αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης. Καθώς η τάση πλησιάζει σταδιακά την τάση αντοχής του πυκνωτή, το υπολειμματικό ρεύμα του πυκνωτή αυξάνεται και η εσωτερική θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται.
(Σχέση μεταξύ τάσης και θερμοκρασίας)
Το ακόλουθο σχήμα δείχνει την αλλαγή του ρεύματος διαρροής του πυκνωτή, του ονομαστικού ηλεκτρολυτικού πυκνωτή 16V, κατά τη διαδικασία δοκιμής, όταν η τάση υπερβαίνει τα 15V, η διαρροή του πυκνωτή αρχίζει να αυξάνεται απότομα.
(Σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος)
Μέσω της πειραματικής διαδικασίας των δύο πρώτων ηλεκτρολυτικών πυκνωτών, μπορεί επίσης να φανεί ότι το όριο τάσης τέτοιων συνηθισμένων ηλεκτρολυτικών πυκνωτών 1000uF. Προκειμένου να αποφευχθεί η διάσπαση του πυκνωτή λόγω υψηλής τάσης, κατά τη χρήση του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή, είναι απαραίτητο να αφήνεται αρκετό περιθώριο ανάλογα με τις πραγματικές διακυμάνσεις τάσης.
3,ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές σε σειρά
Όπου είναι απαραίτητο, μεγαλύτερη χωρητικότητα και μεγαλύτερη τάση αντοχής χωρητικότητας μπορούν να επιτευχθούν με παράλληλη και σειριακή σύνδεση, αντίστοιχα.
(ποπ κορν ηλεκτρολυτικού πυκνωτή μετά από έκρηξη υπερπίεσης)
Σε ορισμένες εφαρμογές, η τάση που εφαρμόζεται στον πυκνωτή είναι τάση AC, όπως πυκνωτές ζεύξης ηχείων, αντιστάθμιση φάσης εναλλασσόμενου ρεύματος, πυκνωτές μετατόπισης φάσης κινητήρα κ.λπ., που απαιτούν τη χρήση μη πολικών ηλεκτρολυτικών πυκνωτών.
Στο εγχειρίδιο χρήστη που παρέχεται από ορισμένους κατασκευαστές πυκνωτών, αναφέρεται επίσης ότι οι παραδοσιακοί πολικοί πυκνωτές χρησιμοποιούνται σε σειρά back-to-back, δηλαδή δύο πυκνωτές σε σειρά μαζί, αλλά με αντίθετη πολικότητα για να επιτευχθεί το αποτέλεσμα των μη πολικών πυκνωτών.
(ηλεκτρολυτική χωρητικότητα μετά από έκρηξη υπέρτασης)
Ακολουθεί μια σύγκριση του πολικού πυκνωτή στην εφαρμογή τάσης ορθής κατεύθυνσης, αντίστροφης τάσης, δύο ηλεκτρολυτικών πυκνωτών σε σειρά πλάτης-με-πλάτη σε τρεις περιπτώσεις μη πολικής χωρητικότητας, το ρεύμα διαρροής αλλάζει με την αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης.
1. Τάση προς τα εμπρός και ρεύμα διαρροής
Το ρεύμα που ρέει μέσω του πυκνωτή μετριέται συνδέοντας μια αντίσταση σε σειρά. Εντός του εύρους ανοχής τάσης του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή (1000uF, 16V), η εφαρμοζόμενη τάση αυξάνεται σταδιακά από 0V για να μετρηθεί η σχέση μεταξύ του αντίστοιχου ρεύματος διαρροής και της τάσης.
(θετική σειριακή χωρητικότητα)
Το παρακάτω σχήμα δείχνει τη σχέση μεταξύ του ρεύματος διαρροής και της τάσης ενός πολικού ηλεκτρολυτικού πυκνωτή αλουμινίου, η οποία είναι μια μη γραμμική σχέση με το ρεύμα διαρροής κάτω από 0,5mA.
(Η σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος μετά την ορθή σειρά)
2, αντίστροφη τάση και ρεύμα διαρροής
Χρησιμοποιώντας το ίδιο ρεύμα για τη μέτρηση της σχέσης μεταξύ της εφαρμοζόμενης τάσης κατεύθυνσης και του ρεύματος διαρροής του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή, από το παρακάτω σχήμα φαίνεται ότι όταν η εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση υπερβαίνει τα 4V, το ρεύμα διαρροής αρχίζει να αυξάνεται γρήγορα. Από την κλίση της ακόλουθης καμπύλης, η αντίστροφη ηλεκτρολυτική χωρητικότητα ισοδυναμεί με αντίσταση 1 ohms.
(Αντίστροφη τάση Σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος)
3. Πυκνωτές σειράς back-to-back
Δύο πανομοιότυποι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές (1000uF, 16V) συνδέονται πλάτη με πλάτη σε σειρά για να σχηματίσουν έναν μη πολικό ισοδύναμο ηλεκτρολυτικό πυκνωτή και στη συνέχεια μετράται η καμπύλη σχέσης μεταξύ της τάσης και του ρεύματος διαρροής τους.
(χωρητικότητα σε σειρά θετικής και αρνητικής πολικότητας)
Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει τη σχέση μεταξύ της τάσης του πυκνωτή και του ρεύματος διαρροής και μπορείτε να δείτε ότι το ρεύμα διαρροής αυξάνεται αφού η εφαρμοζόμενη τάση υπερβεί τα 4V και το πλάτος του ρεύματος είναι μικρότερο από 1,5mA.
Και αυτή η μέτρηση είναι λίγο εκπληκτική, επειδή βλέπετε ότι το ρεύμα διαρροής αυτών των δύο πυκνωτών σε σειρά, τοποθετημένων σε σειρά, είναι στην πραγματικότητα μεγαλύτερο από το ρεύμα διαρροής ενός μόνο πυκνωτή όταν η τάση εφαρμόζεται προς τα εμπρός.
(Η σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος μετά από θετική και αρνητική σειρά)
Ωστόσο, λόγω χρονικών λόγων, δεν υπήρξε επαναλαμβανόμενη δοκιμή για αυτό το φαινόμενο. Ίσως ένας από τους πυκνωτές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ο πυκνωτής της δοκιμής αντίστροφης τάσης μόλις τώρα, και υπήρχε ζημιά στο εσωτερικό, οπότε δημιουργήθηκε η παραπάνω καμπύλη δοκιμής.
Ώρα δημοσίευσης: 25 Ιουλίου 2023
