1. Elektrolytické kondenzátory
Elektrolytické kondenzátory sú kondenzátory tvorené oxidačnou vrstvou na elektróde pôsobením elektrolytu ako izolačnej vrstvy, ktorá má zvyčajne veľkú kapacitu. Elektrolyt je kvapalný, želé podobný materiál bohatý na ióny a väčšina elektrolytických kondenzátorov je polárna, to znamená, že pri prevádzke musí byť napätie na kladnej elektróde kondenzátora vždy vyššie ako záporné napätie.
Vysoká kapacita elektrolytických kondenzátorov je tiež obetovaná kvôli mnohým iným vlastnostiam, ako je veľký zvodový prúd, veľká ekvivalentná sériová indukčnosť a odpor, veľká tolerančná chyba a krátka životnosť.
Okrem polárnych elektrolytických kondenzátorov existujú aj nepolárne elektrolytické kondenzátory. Na obrázku nižšie sú znázornené dva druhy elektrolytických kondenzátorov s kapacitou 1000 uF a napätím 16 V. Väčší je nepolárny a menší polárny.
(Nepolárne a polárne elektrolytické kondenzátory)
Vnútro elektrolytického kondenzátora môže byť kvapalný elektrolyt alebo pevný polymér a materiál elektród je bežne hliník (hliník) alebo tantal (tandal). Nasleduje bežný polárny hliníkový elektrolytický kondenzátor vo vnútri konštrukcie, medzi dvoma vrstvami elektród je vrstva vláknitého papiera nasiaknutého elektrolytom a vrstva izolačného papiera premeneného do valca, utesneného v hliníkovom plášti.
(Vnútorná štruktúra elektrolytického kondenzátora)
Pri analýze elektrolytického kondenzátora je jasne viditeľná jeho základná štruktúra. Aby sa zabránilo odparovaniu a úniku elektrolytu, kolíková časť kondenzátora je upevnená tesniacou gumou.
Obrázok samozrejme znázorňuje aj rozdiel vo vnútornom objeme medzi polárnymi a nepolárnymi elektrolytickými kondenzátormi. Pri rovnakej kapacite a napäťovej úrovni je nepolárny elektrolytický kondenzátor približne dvakrát väčší ako polárny.
(Vnútorná štruktúra nepolárnych a polárnych elektrolytických kondenzátorov)
Tento rozdiel pramení najmä z veľkého rozdielu v ploche elektród vo vnútri dvoch kondenzátorov. Nepolárna elektróda kondenzátora je vľavo a polárna elektróda vpravo. Okrem rozdielu v ploche sa líši aj hrúbka oboch elektród a hrúbka polárnej elektródy kondenzátora je tenšia.
(Hliníkový plech elektrolytických kondenzátorov rôznej šírky)
2. Výbuch kondenzátora
Keď napätie privádzané na kondenzátor prekročí jeho výdržné napätie alebo keď sa obráti polarita napätia polárneho elektrolytického kondenzátora, zvodový prúd kondenzátora prudko stúpne, čo vedie k zvýšeniu vnútorného tepla kondenzátora a elektrolyt uvoľňuje veľké množstvo plynu.
Aby sa zabránilo výbuchu kondenzátora, sú na vrchnej časti krytu kondenzátora vylisované tri drážky, takže vrchná časť kondenzátora sa pod vysokým tlakom ľahko zlomí a uvoľní vnútorný tlak.
(Tráskacia nádrž v hornej časti elektrolytického kondenzátora)
Avšak, niektoré kondenzátory počas výrobného procesu, horná drážka stlačená nie je kvalifikovaná, tlak vo vnútri kondenzátora spôsobí vyhodenie tesniacej gumy na spodnej strane kondenzátora, v tomto okamihu sa tlak vo vnútri kondenzátora náhle uvoľní a dôjde k výbuchu.
1, výbuch nepolárneho elektrolytického kondenzátora
Obrázok nižšie zobrazuje nepolárny elektrolytický kondenzátor s kapacitou 1000 uF a napätím 16 V. Keď aplikované napätie prekročí 18 V, zvodový prúd sa náhle zvýši a teplota a tlak vo vnútri kondenzátora sa zvýšia. Nakoniec sa gumové tesnenie na spodnej strane kondenzátora roztrhne a vnútorné elektródy sa uvoľnia ako pukance.
(prepätie nepolárneho elektrolytického kondenzátora)
Pripojením termočlánku ku kondenzátoru je možné merať proces, pri ktorom sa mení teplota kondenzátora so zvyšujúcim sa aplikovaným napätím. Nasledujúci obrázok znázorňuje nepolárny kondenzátor v procese zvyšovania napätia. Keď aplikované napätie prekročí hodnotu výdržného napätia, vnútorná teplota sa naďalej zvyšuje.
(Vzťah medzi napätím a teplotou)
Obrázok nižšie znázorňuje zmenu prúdu pretekajúceho kondenzátorom počas rovnakého procesu. Je zrejmé, že nárast prúdu je hlavným dôvodom nárastu vnútornej teploty. Pri tomto procese sa napätie lineárne zvyšuje a s prudkým nárastom prúdu napájacia skupina spôsobí pokles napätia. Nakoniec, keď prúd prekročí 6 A, kondenzátor s hlasným treskom exploduje.
(Vzťah medzi napätím a prúdom)
Vzhľadom na veľký vnútorný objem nepolárneho elektrolytického kondenzátora a množstvo elektrolytu je tlak vytvorený po pretečení obrovský, čo vedie k tomu, že sa pretlaková nádrž v hornej časti plášťa nerozbije a tesniaca guma v spodnej časti kondenzátora sa prefúkne.
2, výbuch polárneho elektrolytického kondenzátora
Pri polárnych elektrolytických kondenzátoroch sa aplikuje napätie. Keď napätie prekročí výdržné napätie kondenzátora, prudko sa zvýši aj zvodový prúd, čo spôsobí prehriatie a výbuch kondenzátora.
Obrázok nižšie znázorňuje obmedzujúci elektrolytický kondenzátor s kapacitou 1000 uF a napätím 16 V. Po prepätí sa vnútorný tlak uvoľní cez hornú pretlakovú nádrž, čím sa zabráni explózii kondenzátora.
Nasledujúci obrázok znázorňuje, ako sa mení teplota kondenzátora so zvyšujúcim sa aplikovaným napätím. Ako sa napätie postupne približuje k výdržnému napätiu kondenzátora, zvyškový prúd kondenzátora sa zvyšuje a vnútorná teplota naďalej rastie.
(Vzťah medzi napätím a teplotou)
Nasledujúci obrázok zobrazuje zmenu zvodového prúdu kondenzátora, menovitého 16V elektrolytického kondenzátora, počas testovacieho procesu. Keď napätie prekročí 15V, zvodový prúd kondenzátora začne prudko stúpať.
(Vzťah medzi napätím a prúdom)
Experimentálnym procesom s prvými dvoma elektrolytickými kondenzátormi je tiež zrejmé, že napäťový limit bežných elektrolytických kondenzátorov s kapacitou 1000 µF je obmedzený. Aby sa predišlo vysokonapäťovému prierazu kondenzátora, je potrebné pri použití elektrolytického kondenzátora ponechať dostatočnú rezervu podľa skutočných výkyvov napätia.
3,elektrolytické kondenzátory zapojené do série
V prípade potreby je možné dosiahnuť väčšiu kapacitu a väčšie kapacitné výdržné napätie paralelným a sériovým zapojením.
(pukance elektrolytického kondenzátora po výbuchu pretlaku)
V niektorých aplikáciách je napätie privádzané na kondenzátor striedavé napätie, ako napríklad väzbové kondenzátory reproduktorov, fázová kompenzácia striedavého prúdu, kondenzátory fázového posunu motora atď., čo vyžaduje použitie nepolárnych elektrolytických kondenzátorov.
V používateľských príručkách niektorých výrobcov kondenzátorov sa tiež uvádza, že tradičné polárne kondenzátory sa zapájajú sériovo, teda dva kondenzátory zapojené sériovo, ale s opačnou polaritou, aby sa dosiahol efekt nepolárnych kondenzátorov.
(elektrolytická kapacita po výbuchu prepätia)
Nasleduje porovnanie polárneho kondenzátora pri použití priameho napätia, spätného napätia, dvoch elektrolytických kondenzátorov zapojených sériovo do troch prípadov nepolárnej kapacity, pričom zvodový prúd sa mení so zvyšujúcim sa aplikovaným napätím.
1. Napätie v priamym smere a zvodový prúd
Prúd pretekajúci kondenzátorom sa meria sériovým zapojením rezistora. V rámci rozsahu tolerancie napätia elektrolytického kondenzátora (1000 uF, 16 V) sa aplikované napätie postupne zvyšuje od 0 V, aby sa zmeral vzťah medzi zodpovedajúcim zvodovým prúdom a napätím.
(kladná sériová kapacita)
Nasledujúci obrázok znázorňuje vzťah medzi zvodovým prúdom a napätím polárneho hliníkového elektrolytického kondenzátora, čo je nelineárny vzťah so zvodovým prúdom pod 0,5 mA.
(Vzťah medzi napätím a prúdom po priamej sérii)
2, spätné napätie a zvodový prúd
Pri použití rovnakého prúdu na meranie vzťahu medzi aplikovaným smerovým napätím a zvodovým prúdom elektrolytického kondenzátora je z obrázku nižšie zrejmé, že keď aplikované spätné napätie prekročí 4 V, zvodový prúd sa začne rýchlo zvyšovať. Zo sklonu nasledujúcej krivky vyplýva, že spätná elektrolytická kapacita je ekvivalentná odporu 1 ohmu.
(Vzťah medzi napätím a prúdom v reverznej oblasti)
3. Kondenzátory zapojené sériovo
Dva identické elektrolytické kondenzátory (1000uF, 16V) sú zapojené sériovo chrbtom k sebe, čím tvoria nepolárny ekvivalentný elektrolytický kondenzátor, a potom sa meria krivka závislosti medzi ich napätím a zvodovým prúdom.
(sériová kapacita s kladnou a zápornou polaritou)
Nasledujúci diagram znázorňuje vzťah medzi napätím kondenzátora a zvodovým prúdom a vidíte, že zvodový prúd sa zvyšuje po tom, čo aplikované napätie prekročí 4 V a amplitúda prúdu je menšia ako 1,5 mA.
A toto meranie je trochu prekvapujúce, pretože vidíte, že zvodový prúd týchto dvoch sériovo zapojených kondenzátorov je v skutočnosti väčší ako zvodový prúd jedného kondenzátora, keď je napätie privedené v priamom smere.
(Vzťah medzi napätím a prúdom po kladnom a zápornom sériovom zapojení)
Z časových dôvodov sa však tento jav opakovane netestoval. Možno jeden z použitých kondenzátorov bol práve ten z testu spätného napätia a vo vnútri bol poškodený, preto bola vygenerovaná vyššie uvedená testovacia krivka.
Čas uverejnenia: 25. júla 2023
