1. Elektrolitski kondenzatorji
Elektrolitski kondenzatorji so kondenzatorji, ki jih tvori oksidacijska plast na elektrodi zaradi delovanja elektrolita kot izolacijske plasti, ki ima običajno veliko kapaciteto. Elektrolit je tekoča, želatinasta snov, bogata z ioni, večina elektrolitskih kondenzatorjev pa je polarnih, kar pomeni, da mora biti med delovanjem napetost na pozitivni elektrodi kondenzatorja vedno višja od negativne napetosti.
Visoka kapaciteta elektrolitskih kondenzatorjev je žrtvovana tudi za številne druge lastnosti, kot so velik uhajalni tok, velika ekvivalentna serijska induktivnost in upornost, velika tolerančna napaka in kratka življenjska doba.
Poleg polarnih elektrolitskih kondenzatorjev obstajajo tudi nepolarni elektrolitski kondenzatorji. Na spodnji sliki sta prikazani dve vrsti elektrolitskih kondenzatorjev s kapaciteto 1000 µF in napetostjo 16 V. Med njimi je večji nepolarni, manjši pa polarni.
(Nepolarni in polarni elektrolitski kondenzatorji)
Notranjost elektrolitskega kondenzatorja je lahko tekoči elektrolit ali trdni polimer, material elektrod pa je običajno aluminij (aluminij) ali tantal (tandal). V nadaljevanju je prikazan običajni polarni aluminijev elektrolitski kondenzator v notranjosti, med obema slojema elektrod je plast vlaknastega papirja, namočenega v elektrolit, in plast izolacijskega papirja, ki je oblikovan v valj, zaprt v aluminijasto ohišje.
(Notranja struktura elektrolitskega kondenzatorja)
Z razčlenitvijo elektrolitskega kondenzatorja je jasno vidna njegova osnovna struktura. Da bi preprečili izhlapevanje in puščanje elektrolita, je polni del kondenzatorja pritrjen s tesnilno gumo.
Seveda slika prikazuje tudi razliko v notranji prostornini med polarnimi in nepolarnimi elektrolitskimi kondenzatorji. Pri enaki kapaciteti in napetosti je nepolarni elektrolitski kondenzator približno dvakrat večji od polarnega.
(Notranja struktura nepolarnih in polarnih elektrolitskih kondenzatorjev)
Ta razlika izhaja predvsem iz velike razlike v površini elektrod znotraj obeh kondenzatorjev. Nepolarna elektroda kondenzatorja je na levi, polarna elektroda pa na desni. Poleg razlike v površini se razlikuje tudi debelina obeh elektrod, debelina polarne elektrode kondenzatorja pa je tanjša.
(Aluminijasta pločevina elektrolitskega kondenzatorja različnih širin)
2. Eksplozija kondenzatorja
Ko napetost, ki jo uporablja kondenzator, preseže njegovo vzdržljivo napetost ali ko se polarnost napetosti polarnega elektrolitskega kondenzatorja obrne, se bo tok puščanja kondenzatorja močno povečal, kar bo povzročilo povečanje notranje toplote kondenzatorja in elektrolit bo proizvedel veliko količino plina.
Da bi preprečili eksplozijo kondenzatorja, so na vrhu ohišja kondenzatorja stisnjeni trije utori, tako da se zgornji del kondenzatorja pod visokim pritiskom zlahka zlomi in sprosti notranji tlak.
(Rezervoar za eksplozijo na vrhu elektrolitskega kondenzatorja)
Vendar pa pri nekaterih kondenzatorjih v proizvodnem procesu stiskanje zgornjega utora ni ustrezno, zaradi česar se tesnilna guma na dnu kondenzatorja zaradi tlaka v notranjosti izvrže, kar povzroči nenadno sprostitev tlaka v notranjosti kondenzatorja in eksplozijo.
1, eksplozija nepolarnega elektrolitskega kondenzatorja
Spodnja slika prikazuje nepolarni elektrolitski kondenzator s kapaciteto 1000 μF in napetostjo 16 V. Ko priključena napetost preseže 18 V, se uhajalni tok nenadoma poveča, temperatura in tlak v kondenzatorju pa se povečata. Sčasoma gumijasto tesnilo na dnu kondenzatorja poči in notranje elektrode se razbijejo kot kokice.
(prenapetostno eksplozijo nepolarnega elektrolitskega kondenzatorja)
Z vezavo termočlena na kondenzator je mogoče izmeriti proces, pri katerem se temperatura kondenzatorja spreminja z naraščanjem priključene napetosti. Naslednja slika prikazuje nepolarni kondenzator med naraščanjem napetosti. Ko priključena napetost preseže vrednost vzdržne napetosti, se notranja temperatura še naprej povečuje.
(Razmerje med napetostjo in temperaturo)
Spodnja slika prikazuje spremembo toka, ki teče skozi kondenzator med istim procesom. Vidimo lahko, da je povečanje toka glavni razlog za dvig notranje temperature. Pri tem procesu se napetost linearno povečuje, in ko tok močno narašča, napajalna skupina povzroči padec napetosti. Končno, ko tok preseže 6 A, kondenzator eksplodira z glasnim pokom.
(Razmerje med napetostjo in tokom)
Zaradi velike notranje prostornine nepolarnega elektrolitskega kondenzatorja in količine elektrolita je tlak, ki nastane po prelivanju, ogromen, zaradi česar se tlačna posodica na vrhu lupine ne zlomi, tesnilna guma na dnu kondenzatorja pa se odpre.
2, eksplozija polarnega elektrolitskega kondenzatorja
Pri polarnih elektrolitskih kondenzatorjih se uporablja napetost. Ko napetost preseže vzdržno napetost kondenzatorja, se bo uhajalni tok močno povečal, kar bo povzročilo pregrevanje in eksplozijo kondenzatorja.
Spodnja slika prikazuje omejevalni elektrolitski kondenzator s kapaciteto 1000 uF in napetostjo 16 V. Po prenapetosti se notranji tlak sprosti skozi zgornjo tlačno posodico, s čimer se prepreči eksplozija kondenzatorja.
Naslednja slika prikazuje, kako se temperatura kondenzatorja spreminja z naraščanjem uporabljene napetosti. Ko se napetost postopoma približuje vzdržljivi napetosti kondenzatorja, se preostali tok kondenzatorja povečuje in notranja temperatura še naprej narašča.
(Razmerje med napetostjo in temperaturo)
Naslednja slika prikazuje spremembo uhajanja kondenzatorja, nominalnega 16V elektrolitskega kondenzatorja, med preskusnim postopkom. Ko napetost preseže 15V, se uhajanje kondenzatorja začne močno povečevati.
(Razmerje med napetostjo in tokom)
Iz eksperimentalnega postopka prvih dveh elektrolitskih kondenzatorjev je razvidno tudi, da je napetostna omejitev običajnih elektrolitskih kondenzatorjev 1000uF. Da bi se izognili visokonapetostnemu preboju kondenzatorja, je treba pri uporabi elektrolitskega kondenzatorja pustiti dovolj prostora glede na dejanska nihanja napetosti.
3,elektrolitski kondenzatorji v seriji
Kjer je to primerno, je mogoče z vzporedno oziroma serijsko vezavo doseči večjo kapacitivnost in večjo kapacitivno vzdržno napetost.
(pokovka elektrolitskega kondenzatorja po eksploziji nadtlaka)
V nekaterih aplikacijah je napetost, ki se dovaja na kondenzator, izmenična napetost, na primer pri sklopnih kondenzatorjih zvočnikov, kompenzaciji izmeničnega toka v fazi, kondenzatorjih za fazni premik motorja itd., kar zahteva uporabo nepolarnih elektrolitskih kondenzatorjev.
V uporabniškem priročniku nekaterih proizvajalcev kondenzatorjev je navedeno tudi, da se tradicionalni polarni kondenzatorji uporabljajo zaporedno, torej dva kondenzatorja zaporedno vezana skupaj, vendar z nasprotno polarnostjo, da se doseže učinek nepolarnih kondenzatorjev.
(elektrolitska kapacitivnost po eksploziji prenapetosti)
Sledi primerjava polarnega kondenzatorja pri uporabi premične napetosti, povratne napetosti, dveh elektrolitskih kondenzatorjev, vezanih zaporedno, v treh primerih nepolarne kapacitivnosti, pri čemer se tok puščanja spreminja z naraščanjem uporabljene napetosti.
1. Napetost naprej in tok puščanja
Tok, ki teče skozi kondenzator, se meri z zaporedno vezavo upora. Znotraj tolerančnega območja napetosti elektrolitskega kondenzatorja (1000 µF, 16 V) se uporabljena napetost postopoma povečuje od 0 V, da se izmeri razmerje med ustreznim uhajalnim tokom in napetostjo.
(pozitivna serijska kapacitivnost)
Naslednja slika prikazuje razmerje med uhajalnim tokom in napetostjo polarnega aluminijevega elektrolitskega kondenzatorja, ki je nelinearno razmerje pri uhajavem toku pod 0,5 mA.
(Razmerje med napetostjo in tokom po direktnem zaporedju)
2, povratna napetost in uhajalni tok
Če z istim tokom izmerimo razmerje med uporabljeno smerno napetostjo in uhajalnim tokom elektrolitskega kondenzatorja, je na spodnji sliki razvidno, da se uhajalni tok hitro povečuje, ko uporabljena povratna napetost preseže 4 V. Iz naklona naslednje krivulje je razvidno, da je povratna elektrolitska kapacitivnost enaka upornosti 1 ohma.
(Razmerje med povratno napetostjo in tokom)
3. Kondenzatorji, vezani back-to-back
Dva identična elektrolitska kondenzatorja (1000uF, 16V) sta zaporedno vezana drug ob drugem, da tvorita nepolarni ekvivalentni elektrolitski kondenzator, nato pa se izmeri krivulja razmerja med njuno napetostjo in tokom puščanja.
(zadnja kapacitivnost pozitivne in negativne polarnosti)
Naslednji diagram prikazuje razmerje med napetostjo kondenzatorja in uhajalnim tokom, pri čemer lahko vidite, da se uhajalni tok poveča, ko uporabljena napetost preseže 4 V, amplituda toka pa je manjša od 1,5 mA.
In ta meritev je nekoliko presenetljiva, saj vidite, da je uhajalni tok teh dveh zaporedno vezanih kondenzatorjev dejansko večji od uhajalnega toka enega samega kondenzatorja, ko je napetost priključena v smeri naprej.
(Razmerje med napetostjo in tokom po pozitivni in negativni seriji)
Vendar pa zaradi časovnih razlogov ni bilo ponovljenega preizkusa tega pojava. Morda je bil eden od uporabljenih kondenzatorjev tisti iz preizkusa povratne napetosti, ki je bil pravkar poškodovan v notranjosti, zato je bila ustvarjena zgornja preskusna krivulja.
Čas objave: 25. julij 2023
