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, und die meisten Elektrolytkondensatoren sind polar, das heißt, im Betrieb muss die Spannung der positiven Elektrode des Kondensators immer höher sein als die negative Spannung.
Die hohe Kapazität von Elektrolytkondensatoren wird auch vielen anderen Eigenschaften geopfert, z. B. einem großen Leckstrom, einer großen äquivalenten Serieninduktivität und einem großen äquivalenten Serienwiderstand, einem großen Toleranzfehler und einer kurzen Lebensdauer.
Neben polaren Elektrolytkondensatoren gibt es auch unpolare Elektrolytkondensatoren. In der Abbildung unten gibt es zwei Arten von 1000-uF-16-V-Elektrolytkondensatoren. Unter ihnen ist der größere unpolar und 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 mit Elektrolyt getränktem Faserpapier sowie eine Schicht aus Isolierpapier, die in einen Zylinder verwandelt und in der Aluminiumhülle versiegelt ist.
(Interne Struktur des Elektrolytkondensators)
Wenn man den Elektrolytkondensator zerlegt, erkennt man deutlich seinen Grundaufbau. Um die Verdunstung und das 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 gleichem Spannungsniveau ist der unpolare Elektrolytkondensator etwa doppelt so groß wie der polare.
(Interner Aufbau unpolarer und polarer Elektrolytkondensatoren)
Dieser Unterschied ist hauptsächlich auf den großen Unterschied in der Fläche der Elektroden innerhalb der beiden Kondensatoren zurückzuführen. Die unpolare Kondensatorelektrode befindet sich links und die polare Elektrode rechts. Zusätzlich zum Flächenunterschied ist auch die Dicke der beiden Elektroden unterschiedlich, und die Dicke der polaren Kondensatorelektrode ist dünner.
(Elektrolytkondensator-Aluminiumblech unterschiedlicher Breite)
2. Kondensatorexplosion
Wenn die vom Kondensator angelegte Spannung seine Spannungsfestigkeit überschreitet oder wenn die Polarität der Spannung des polaren Elektrolytkondensators umgekehrt wird, steigt der Leckstrom des Kondensators stark an, was zu einem Anstieg der inneren Wärme des Kondensators und des Elektrolyten führt wird eine große Menge Gas produzieren.
Um eine Explosion des Kondensators zu verhindern, sind auf der Oberseite des Kondensatorgehäuses drei Rillen eingepresst, so dass die Oberseite des Kondensators bei hohem Druck leicht brechen und der Innendruck abgelassen werden kann.
(Strahltank oben am Elektrolytkondensator)
Allerdings ist bei einigen Kondensatoren im Produktionsprozess das Pressen der oberen Nut nicht geeignet, der Druck im Inneren des Kondensators führt dazu, dass der Dichtungsgummi an der Unterseite des Kondensators ausgestoßen wird, und zu diesem Zeitpunkt wird der Druck im Inneren des Kondensators plötzlich abgebaut, wodurch sich ein Druck bildet eine Explosion.
1, unpolare Elektrolytkondensatorexplosion
Die folgende Abbildung zeigt einen unpolaren Elektrolytkondensator mit einer Kapazität von 1000 uF und einer Spannung von 16 V. Nachdem die angelegte Spannung 18 V überschreitet, steigt der Leckstrom plötzlich an und die Temperatur und der Druck im Kondensator steigen. Schließlich platzt die Gummidichtung an der Unterseite des Kondensators auf und die Innenelektroden werden wie Popcorn auseinandergeschleudert.
(Überspannungssprengung unpolarer Elektrolytkondensatoren)
Durch Anschließen eines Thermoelements an einen Kondensator ist es möglich, den Prozess zu messen, durch den sich die Temperatur des Kondensators ändert, wenn die angelegte Spannung steigt. Die folgende Abbildung zeigt den unpolaren Kondensator beim Spannungsanstieg. Wenn die angelegte Spannung den Spannungsfestigkeitswert überschreitet, steigt die Innentemperatur weiter an.
(Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur)
Die folgende Abbildung zeigt die Änderung 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 wird die Spannung linear erhöht und bei starkem Stromanstieg sorgt das Netzteil für einen Spannungsabfall. Wenn der Strom schließlich 6 A überschreitet, explodiert der Kondensator mit einem lauten Knall.
(Zusammenhang zwischen Spannung und Strom)
Aufgrund des großen Innenvolumens des unpolaren Elektrolytkondensators und der Menge an Elektrolyt entsteht nach dem Überlauf ein enormer Druck, der dazu führt, dass der Druckentlastungstank oben am Gehäuse nicht bricht und der Dichtungsgummi unten Der Kondensator ist aufgeplatzt.
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 Grenzelektrolytkondensator, der eine Kapazität von 1000 uF und eine Spannung von 16 V hat. Nach einer Überspannung wird der interne Druckprozess durch den oberen Druckentlastungsbehälter abgelassen, sodass der Explosionsprozess 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, steigt 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, im Testprozess. Wenn die Spannung 15 V überschreitet, beginnt der Leckstrom des Kondensators stark anzusteigen.
(Zusammenhang zwischen Spannung und Strom)
Durch den experimentellen Prozess der ersten beiden Elektrolytkondensatoren kann auch festgestellt werden, dass die Spannungsgrenze solcher gewöhnlichen Elektrolytkondensatoren 1000 uF beträgt. Um einen Hochspannungsausfall des Kondensators zu vermeiden, muss bei Verwendung des Elektrolytkondensators genügend Spielraum entsprechend den tatsächlichen Spannungsschwankungen gelassen werden.
3,Elektrolytkondensatoren in Reihe
Gegebenenfalls können durch Parallel- bzw. Reihenschaltung eine größere Kapazität und eine höhere Kapazitätsspannungsfestigkeit erreicht werden.
(Elektrolytkondensator-Popcorn nach Überdruckexplosion)
Bei einigen Anwendungen handelt es sich bei der an den Kondensator angelegten Spannung um Wechselspannung, z. B. bei Kopplungskondensatoren von Lautsprechern, Wechselstrom-Phasenkompensation, Motor-Phasenverschiebungskondensatoren usw., was die Verwendung unpolarer Elektrolytkondensatoren erfordert.
In den Bedienungsanleitungen einiger Kondensatorhersteller wird auch angegeben, dass die Verwendung herkömmlicher polarer Kondensatoren in Back-to-Back-Reihenfolge erfolgt, d. Polarkondensatoren.
(elektrolytische Kapazität nach Überspannungsexplosion)
Das Folgende ist ein Vergleich des Polarkondensators bei der Anwendung von Vorwärtsspannung, Rückwärtsspannung, zwei in Reihe geschalteten Elektrolytkondensatoren in drei Fällen unpolarer Kapazität, wobei sich der Leckstrom mit zunehmender angelegter Spannung ändert.
1. Durchlassspannung und Leckstrom
Der durch den Kondensator fließende Strom wird durch die Reihenschaltung eines Widerstands gemessen. Innerhalb des Spannungstoleranzbereichs des Elektrolytkondensators (1000 uF, 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, bei der es sich um eine nichtlineare Beziehung mit dem Leckstrom unter 0,5 mA handelt.
(Die Beziehung zwischen Spannung und Strom nach der Vorwärtsreihe)
2, Sperrspannung und Leckstrom
Unter Verwendung desselben Stroms zur Messung der Beziehung zwischen der angelegten Richtungsspannung und dem Leckstrom des Elektrolytkondensators ist aus der folgenden Abbildung ersichtlich, dass der Leckstrom schnell anzusteigen beginnt, wenn die angelegte Sperrspannung 4 V überschreitet. Aus der Steigung der folgenden Kurve ergibt sich, dass die umgekehrte Elektrolytkapazität einem Widerstand von 1 Ohm entspricht.
(Sperrspannung, Beziehung zwischen Spannung und Strom)
3. Back-to-Back-Reihenkondensatoren
Zwei identische Elektrolytkondensatoren (1000 uF, 16 V) werden Rücken an Rücken in Reihe geschaltet, um einen unpolaren äquivalenten Elektrolytkondensator zu bilden, und dann wird die Beziehungskurve zwischen ihrer Spannung und dem 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 in Reihe geschalteten Kondensatoren tatsächlich größer ist als der Leckstrom eines einzelnen Kondensators, wenn die Spannung vorwärts angelegt wird.
(Die Beziehung zwischen Spannung und Strom nach positiver und negativer Reihe)
Aus Zeitgründen wurde dieses Phänomen jedoch nicht erneut getestet. Möglicherweise handelte es sich bei einem der verwendeten Kondensatoren um den Kondensator des gerade durchgeführten Sperrspannungstests, und es gab Schäden im Inneren, sodass die obige Testkurve erstellt wurde.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 25. Juli 2023
