1. Elektrolytkondensatoren
Elektrolytkondensatoren sind Kondensatoren, die durch die Oxidationsschicht auf der Elektrode durch die Wirkung des Elektrolyten als Isolierschicht gebildet werden und normalerweise eine große Kapazität haben. Der Elektrolyt ist ein flüssiges, geleeartiges Material, das reich an Ionen ist. Die meisten Elektrolytkondensatoren sind polar, d. h. im Betrieb muss die Spannung der positiven Elektrode des Kondensators immer höher sein als die negative Spannung.
Die hohe Kapazität von Elektrolytkondensatoren wird auch für viele andere Eigenschaften geopfert, wie etwa einen hohen Leckstrom, eine große äquivalente Serieninduktivität und einen großen Widerstand, einen großen Toleranzfehler und eine kurze Lebensdauer.
Neben polaren Elektrolytkondensatoren gibt es auch unpolare Elektrolytkondensatoren. In der folgenden Abbildung sind zwei Arten von 1000 µF, 16 V Elektrolytkondensatoren dargestellt. Der größere ist unpolar, der kleinere polar.
(Unpolare und polare Elektrolytkondensatoren)
Das Innere des Elektrolytkondensators kann ein flüssiger Elektrolyt oder ein festes Polymer sein, und das Elektrodenmaterial ist üblicherweise Aluminium (Aluminium) oder Tantal (Tandalum). Das Folgende ist ein üblicher polarer Aluminium-Elektrolytkondensator im Inneren der Struktur. Zwischen den beiden Elektrodenschichten befindet sich eine Schicht aus in Elektrolyt getränktem Faserpapier sowie eine Schicht aus Isolierpapier, die zu einem Zylinder geformt und in der Aluminiumhülle versiegelt ist.
(Innerer Aufbau des Elektrolytkondensators)
Beim Zerlegen des Elektrolytkondensators ist seine Grundstruktur deutlich zu erkennen. Um das Verdunsten und Auslaufen des Elektrolyten zu verhindern, ist der Kondensatorstiftteil mit Dichtungsgummi fixiert.
Natürlich zeigt die Abbildung auch den Unterschied im Innenvolumen zwischen polaren und unpolaren Elektrolytkondensatoren. Bei gleicher Kapazität und Spannungslage ist der unpolare Elektrolytkondensator etwa doppelt so groß wie der polare.
(Innerer Aufbau von unpolaren und polaren Elektrolytkondensatoren)
Dieser Unterschied ist hauptsächlich auf den großen Unterschied in der Elektrodenfläche innerhalb der beiden Kondensatoren zurückzuführen. Die unpolare Kondensatorelektrode befindet sich links und die polare Elektrode rechts. Neben dem Flächenunterschied ist auch die Dicke der beiden Elektroden unterschiedlich, wobei die Dicke der polaren Kondensatorelektrode geringer ist.
(Elektrolytkondensator-Aluminiumblech unterschiedlicher Breite)
2. Kondensatorexplosion
Wenn die vom Kondensator angelegte Spannung seine Spannungsfestigkeit überschreitet oder die Polarität der Spannung des polaren Elektrolytkondensators umgekehrt wird, steigt der Leckstrom des Kondensators stark an, was zu einer Erhöhung der inneren Wärme des Kondensators führt und dazu, dass der Elektrolyt eine große Menge Gas produziert.
Um eine Kondensatorexplosion zu verhindern, sind auf der Oberseite des Kondensatorgehäuses drei Rillen eingepresst, sodass die Oberseite des Kondensators unter hohem Druck leicht brechen und den Innendruck freisetzen kann.
(Strahlbehälter oben am Elektrolytkondensator)
Bei manchen Kondensatoren wird jedoch während des Produktionsprozesses die obere Nut nicht ausreichend gepresst. Der Druck im Inneren des Kondensators führt dazu, dass der Dichtungsgummi an der Unterseite des Kondensators herausgeschleudert wird. In diesem Moment wird der Druck im Inneren des Kondensators plötzlich freigesetzt, was zu einer Explosion führt.
1, Explosion eines unpolaren Elektrolytkondensators
Die folgende Abbildung zeigt einen unpolaren Elektrolytkondensator mit einer Kapazität von 1000 µF und einer Spannung von 16 V. Sobald die angelegte Spannung 18 V überschreitet, steigt der Leckstrom plötzlich an, und Temperatur und Druck im Kondensator steigen an. Schließlich platzt die Gummidichtung am Boden des Kondensators auf, und die inneren Elektroden werden wie Popcorn herausgedrückt.
(unpolarer Elektrolytkondensator-Überspannungsschutz)
Durch den Anschluss eines Thermoelements an einen Kondensator lässt sich die Temperaturänderung des Kondensators mit steigender angelegter Spannung messen. Die folgende Abbildung zeigt den unpolaren Kondensator bei steigender Spannung. Überschreitet die angelegte Spannung die zulässige Spannungsfestigkeit, steigt die Innentemperatur weiter an.
(Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur)
Die folgende Abbildung zeigt die Veränderung des durch den Kondensator fließenden Stroms während desselben Vorgangs. Es ist ersichtlich, dass der Anstieg des Stroms der Hauptgrund für den Anstieg der Innentemperatur ist. Dabei steigt die Spannung linear an, und wenn der Strom stark ansteigt, sorgt die Stromversorgung für einen Spannungsabfall. Übersteigt der Strom schließlich 6 A, explodiert der Kondensator mit einem lauten Knall.
(Zusammenhang zwischen Spannung und Strom)
Aufgrund des großen Innenvolumens des unpolaren Elektrolytkondensators und der Elektrolytmenge ist der nach dem Überlauf erzeugte Druck enorm, was dazu führt, dass der Druckentlastungsbehälter oben am Gehäuse nicht bricht und der Dichtungsgummi unten am Kondensator aufgesprengt wird.
2, Explosion des polaren Elektrolytkondensators
Bei polaren Elektrolytkondensatoren wird eine Spannung angelegt. Wenn die Spannung die Spannungsfestigkeit des Kondensators überschreitet, steigt auch der Leckstrom stark an, was zu einer Überhitzung und Explosion des Kondensators führt.
Die folgende Abbildung zeigt den begrenzenden Elektrolytkondensator mit einer Kapazität von 1000 µF und einer Spannung von 16 V. Nach einer Überspannung wird der Innendruck durch den oberen Druckentlastungsbehälter abgelassen, sodass eine Explosion des Kondensators vermieden wird.
Die folgende Abbildung zeigt, wie sich die Temperatur des Kondensators mit zunehmender angelegter Spannung ändert. Wenn sich die Spannung allmählich der Spannungsfestigkeit des Kondensators nähert, erhöht sich der Reststrom des Kondensators und die Innentemperatur steigt weiter an.
(Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur)
Die folgende Abbildung zeigt die Änderung des Leckstroms des Kondensators, des nominalen 16-V-Elektrolytkondensators. Wenn im Testprozess die Spannung 15 V überschreitet, beginnt der Leckstrom des Kondensators stark anzusteigen.
(Zusammenhang zwischen Spannung und Strom)
Durch den Versuchsablauf mit den ersten beiden Elektrolytkondensatoren lässt sich auch die Spannungsgrenze solcher 1000 µF gewöhnlicher Elektrolytkondensatoren erkennen. Um einen Hochspannungsdurchschlag des Kondensators zu vermeiden, muss bei der Verwendung des Elektrolytkondensators entsprechend den tatsächlichen Spannungsschwankungen ein ausreichender Spielraum gelassen werden.
3，Elektrolytkondensatoren in Reihe
Gegebenenfalls können durch Parallel- bzw. Reihenschaltung eine höhere Kapazität und eine höhere Kapazitätshaltespannung erreicht werden.
(Elektrolytkondensator-Popcorn nach Überdruckexplosion)
Bei manchen Anwendungen handelt es sich bei der an den Kondensator angelegten Spannung um Wechselspannung, beispielsweise bei Kopplungskondensatoren von Lautsprechern, Wechselstromphasenkompensation, Motorphasenschieberkondensatoren usw., die den Einsatz unpolarer Elektrolytkondensatoren erfordern.
In den Benutzerhandbüchern einiger Kondensatorhersteller wird auch darauf hingewiesen, dass herkömmliche polare Kondensatoren in Back-to-Back-Reihenschaltung verwendet werden, d. h. zwei Kondensatoren in Reihe, aber mit umgekehrter Polarität, um den Effekt unpolarer Kondensatoren zu erzielen.
(Elektrolytische Kapazität nach Überspannungsexplosion)
Nachfolgend wird ein Vergleich des polaren Kondensators bei Anwendung von Durchlassspannung, Sperrspannung und zwei in Reihe geschalteten Elektrolytkondensatoren in drei Fällen unpolarer Kapazität vorgenommen. Der Leckstrom ändert sich mit zunehmender angelegter Spannung.
1. Durchlassspannung und Leckstrom
Der durch den Kondensator fließende Strom wird durch Reihenschaltung eines Widerstandes gemessen. Innerhalb des Spannungstoleranzbereichs des Elektrolytkondensators (1000 µF, 16 V) wird die angelegte Spannung schrittweise von 0 V erhöht, um die Beziehung zwischen dem entsprechenden Leckstrom und der Spannung zu messen.
(positive Serienkapazität)
Die folgende Abbildung zeigt die Beziehung zwischen dem Leckstrom und der Spannung eines polaren Aluminium-Elektrolytkondensators. Dabei handelt es sich um eine nichtlineare Beziehung mit einem Leckstrom unter 0,5 mA.
(Die Beziehung zwischen Spannung und Strom nach der Vorwärtsreihe)
2, Sperrspannung und Leckstrom
Wird der Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und dem Leckstrom des Elektrolytkondensators mit demselben Strom gemessen, ist aus der folgenden Abbildung ersichtlich, dass der Leckstrom schnell ansteigt, wenn die angelegte Sperrspannung 4 V überschreitet. Aus der Steigung der folgenden Kurve lässt sich schließen, dass die Sperrkapazität des Elektrolytkondensators einem Widerstand von 1 Ohm entspricht.
(Sperrspannung) Verhältnis zwischen Spannung und Stromstärke
3. Back-to-Back-Serienkondensatoren
Zwei identische Elektrolytkondensatoren (1000 µF, 16 V) werden Rücken an Rücken in Reihe geschaltet, um einen unpolaren äquivalenten Elektrolytkondensator zu bilden. Anschließend wird die Beziehungskurve zwischen ihrer Spannung und ihrem Leckstrom gemessen.
(Serienkapazität mit positiver und negativer Polarität)
Das folgende Diagramm zeigt die Beziehung zwischen der Kondensatorspannung und dem Leckstrom. Sie können sehen, dass der Leckstrom zunimmt, nachdem die angelegte Spannung 4 V überschreitet und die Stromamplitude weniger als 1,5 mA beträgt.
Und diese Messung ist ein wenig überraschend, denn man sieht, dass der Leckstrom dieser beiden Rücken-an-Rücken-Serienkondensatoren tatsächlich größer ist als der Leckstrom eines einzelnen Kondensators, wenn die Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird.
(Die Beziehung zwischen Spannung und Strom nach positiver und negativer Reihenschaltung)
Aus Zeitgründen wurde dieses Phänomen jedoch nicht wiederholt getestet. Möglicherweise handelte es sich bei einem der verwendeten Kondensatoren um den Kondensator aus dem Rückspannungstest, der im Inneren beschädigt war, sodass die obige Testkurve erstellt wurde.
Veröffentlichungszeit: 25. Juli 2023
