لماذا تنفجر المكثفات الالكتروليتية؟ كلمة لفهم!

1. المكثفات كهربائيا 

المكثفات الإلكتروليتية هي مكثفات تتكون من طبقة الأكسدة الموجودة على القطب من خلال عمل الإلكتروليت كطبقة عازلة، والتي عادة ما تكون ذات سعة كبيرة. المنحل بالكهرباء عبارة عن مادة سائلة تشبه الهلام غنية بالأيونات، ومعظم المكثفات الإلكتروليتية قطبية، أي أنه عند العمل، يجب أن يكون جهد القطب الموجب للمكثف أعلى دائمًا من الجهد السلبي.

يتم أيضًا التضحية بالسعة العالية للمكثفات الإلكتروليتية مقابل العديد من الخصائص الأخرى، مثل وجود تيار تسرب كبير، وتحريض ومقاومة سلسلة مكافئة كبيرة، وخطأ كبير في التسامح، وعمر قصير.

بالإضافة إلى المكثفات الإلكتروليتية القطبية، هناك أيضًا مكثفات إلكتروليتية غير قطبية. في الشكل أدناه، هناك نوعان من المكثفات الإلكتروليتية 1000 فائق التوهج و16 فولت. ومن بينها الأكبر غير قطبي والأصغر قطبي.

(المكثفات الإلكتروليتية غير القطبية والقطبية)

يمكن أن يكون الجزء الداخلي للمكثف الإلكتروليتي عبارة عن إلكتروليت سائل أو بوليمر صلب، وتكون مادة الإلكترود عادةً من الألومنيوم (الألومنيوم) أو التنتالوم (التاندالوم). فيما يلي مكثف إلكتروليتي من الألومنيوم القطبي الشائع داخل الهيكل، بين طبقتين من الأقطاب الكهربائية توجد طبقة من ورق الألياف المنقوعة في المنحل بالكهرباء، بالإضافة إلى طبقة من الورق العازل تحولت إلى أسطوانة، مختومة في غلاف الألومنيوم.

(الهيكل الداخلي للمكثف كهربائيا)

عند تشريح المكثف الإلكتروليتي، يمكن رؤية بنيته الأساسية بوضوح. من أجل منع تبخر وتسرب المنحل بالكهرباء، يتم تثبيت جزء دبوس المكثف بمطاط مانع للتسرب.

بالطبع، يوضح الشكل أيضًا الفرق في الحجم الداخلي بين المكثفات الإلكتروليتية القطبية وغير القطبية. عند نفس مستوى السعة والجهد، يكون حجم المكثف الإلكتروليتي غير القطبي حوالي ضعف حجم المكثف القطبي.

(الهيكل الداخلي للمكثفات الإلكتروليتية غير القطبية والقطبية)

يأتي هذا الاختلاف أساسًا من الاختلاف الكبير في مساحة الأقطاب الكهربائية داخل المكثفين. يوجد قطب المكثف غير القطبي على اليسار والقطب القطبي على اليمين. بالإضافة إلى اختلاف المساحة، يختلف سمك القطبين أيضًا، ويكون سمك قطب المكثف القطبي أرق.

(ورقة ألومنيوم ذات مكثف كهربائيا بعرض مختلف)

2. انفجار مكثف

عندما يتجاوز الجهد المطبق بواسطة المكثف جهد التحمل، أو عندما يتم عكس قطبية جهد المكثف الإلكتروليتي القطبي، فإن تيار تسرب المكثف سيرتفع بشكل حاد، مما يؤدي إلى زيادة الحرارة الداخلية للمكثف والكهارل. سوف تنتج كمية كبيرة من الغاز.

من أجل منع انفجار المكثف، هناك ثلاثة أخاديد مضغوطة في الجزء العلوي من غلاف المكثف، بحيث يسهل كسر الجزء العلوي من المكثف تحت الضغط العالي وتحرير الضغط الداخلي.

(خزان التفجير في الجزء العلوي من مكثف كهربائيا)

ومع ذلك، في بعض المكثفات في عملية الإنتاج، فإن الضغط على الأخدود العلوي غير مؤهل، والضغط داخل المكثف سيؤدي إلى إخراج المطاط الختم الموجود في الجزء السفلي من المكثف، وفي هذا الوقت يتم تحرير الضغط داخل المكثف فجأة، وسوف يتشكل انفجار.

1، انفجار مكثف كهربائيا غير قطبي

يوضح الشكل أدناه مكثفًا كهربائيًا غير قطبي في متناول اليد بسعة 1000 فائق التوهج وجهد 16 فولت. بعد أن يتجاوز الجهد المطبق 18 فولت، يزداد تيار التسرب فجأة، وتزداد درجة الحرارة والضغط داخل المكثف. في نهاية المطاف، ينفتح الختم المطاطي الموجود في الجزء السفلي من المكثف، وتتحطم الأقطاب الكهربائية الداخلية مثل الفشار.

(تفجير مكثف كهربائيا غير قطبي مع الجهد الزائد)

من خلال ربط المزدوجة الحرارية بمكثف، من الممكن قياس العملية التي تتغير بها درجة حرارة المكثف مع زيادة الجهد المطبق. يوضح الشكل التالي المكثف غير القطبي في عملية زيادة الجهد، عندما يتجاوز الجهد المطبق قيمة جهد التحمل، تستمر درجة الحرارة الداخلية في الزيادة.

(العلاقة بين الجهد ودرجة الحرارة)

ويوضح الشكل أدناه التغير في التيار المتدفق عبر المكثف أثناء نفس العملية. ويمكن ملاحظة أن زيادة التيار هي السبب الرئيسي لارتفاع درجة الحرارة الداخلية. في هذه العملية، يتم زيادة الجهد خطيًا، ومع ارتفاع التيار بشكل حاد، تؤدي مجموعة مصدر الطاقة إلى انخفاض الجهد. وأخيرا، عندما يتجاوز التيار 6A، ينفجر المكثف بقوة.

(العلاقة بين الجهد والتيار)

نظرًا للحجم الداخلي الكبير للمكثف الإلكتروليتي غير القطبي وكمية الإلكتروليت، يكون الضغط المتولد بعد الفائض ضخمًا، مما يؤدي إلى عدم كسر خزان تخفيف الضغط الموجود في الجزء العلوي من الغلاف، ومطاط الختم في الأسفل من المكثف في مهب مفتوحة.

2، انفجار مكثف كهربائيا القطبية 

بالنسبة للمكثفات الإلكتروليتية القطبية، يتم تطبيق الجهد. عندما يتجاوز الجهد الجهد الصمود للمكثف، فإن تيار التسرب سيرتفع أيضًا بشكل حاد، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارة المكثف وانفجاره.

يوضح الشكل أدناه المكثف الإلكتروليتي المحدد، والذي تبلغ سعته 1000 فائق التوهج وجهد 16 فولت. بعد الجهد الزائد، يتم تحرير عملية الضغط الداخلي من خلال خزان تخفيف الضغط العلوي، وبالتالي يتم تجنب عملية انفجار المكثف.

يوضح الشكل التالي كيف تتغير درجة حرارة المكثف مع زيادة الجهد المطبق. مع اقتراب الجهد تدريجيًا من جهد الصمود للمكثف، يزداد التيار المتبقي للمكثف، وتستمر درجة الحرارة الداخلية في الارتفاع.

(العلاقة بين الجهد ودرجة الحرارة)

الشكل التالي هو تغير تيار التسرب للمكثف، المكثف الاسمي 16 فولت، في عملية الاختبار، عندما يتجاوز الجهد 15 فولت، يبدأ تسرب المكثف في الارتفاع بشكل حاد.

(العلاقة بين الجهد والتيار)

من خلال العملية التجريبية للمكثفات الإلكتروليتية الأولى والثانية، يمكن أيضًا ملاحظة أن حد الجهد لهذه المكثفات الإلكتروليتية العادية 1000 فائق التوهج. من أجل تجنب انهيار الجهد العالي للمكثف، عند استخدام المكثف الإلكتروليتي، من الضروري ترك هامش كافٍ وفقًا لتقلبات الجهد الفعلي.

3،المكثفات الالكتروليتية على التوالي

عندما يكون ذلك مناسبًا، يمكن الحصول على سعة أكبر وسعة أكبر لتحمل الجهد عن طريق التوصيل المتوازي والمتسلسل، على التوالي.

(الفشار مكثف كهربائيا بعد انفجار الضغط الزائد)

في بعض التطبيقات، يكون الجهد المطبق على المكثف هو جهد التيار المتردد، مثل مكثفات اقتران مكبرات الصوت، وتعويض طور التيار المتردد، ومكثفات تحويل طور المحرك، وما إلى ذلك، مما يتطلب استخدام مكثفات إلكتروليتية غير قطبية.

في دليل المستخدم المقدم من بعض الشركات المصنعة للمكثفات، يُذكر أيضًا أن استخدام المكثفات القطبية التقليدية من خلال سلسلة متتالية، أي مكثفين متسلسلين معًا، ولكن القطبية معاكسة للحصول على تأثير غير المكثفات القطبية.

(السعة كهربائيا بعد انفجار الجهد الزائد)

فيما يلي مقارنة للمكثف القطبي في تطبيق الجهد الأمامي، والجهد العكسي، ومكثفتين كهربائيتين متتاليتين في ثلاث حالات من السعة غير القطبية، ويتغير تيار التسرب مع زيادة الجهد المطبق.

1. الجهد الأمامي وتيار التسرب

يتم قياس التيار المتدفق عبر المكثف عن طريق توصيل المقاوم على التوالي. ضمن نطاق تحمل الجهد للمكثف الإلكتروليتي (1000 فائق التوهج، 16 فولت)، يتم زيادة الجهد المطبق تدريجيًا من 0 فولت لقياس العلاقة بين تيار التسرب والجهد المقابل.

(السعة سلسلة إيجابية)

يوضح الشكل التالي العلاقة بين تيار التسرب والجهد لمكثف كهربائي قطبي من الألومنيوم، وهي علاقة غير خطية مع تيار التسرب أقل من 0.5 مللي أمبير.

(العلاقة بين الجهد والتيار بعد السلسلة الأمامية)

2، الجهد العكسي والتيار التسرب

باستخدام نفس التيار لقياس العلاقة بين اتجاه الجهد المطبق وتيار تسرب المكثف الإلكتروليتي، يمكن أن نرى من الشكل أدناه أنه عندما يتجاوز الجهد العكسي المطبق 4V، يبدأ تيار التسرب في الزيادة بسرعة. من ميل المنحنى التالي، فإن السعة الإلكتروليتية العكسية تعادل مقاومة قدرها 1 أوم.

(علاقة الجهد العكسي بين الجهد والتيار)

3. المكثفات المتسلسلة من الخلف إلى الخلف

يتم توصيل اثنين من المكثفات الإلكتروليتية المتماثلة (1000 فائق التوهج، 16 فولت) بشكل متتالي لتكوين مكثف إلكتروليتي مكافئ غير قطبي، ثم يتم قياس منحنى العلاقة بين الجهد الكهربي وتيار التسرب.

(سعة سلسلة القطبية الإيجابية والسلبية)

الرسم البياني التالي يوضح العلاقة بين جهد المكثف وتيار التسرب، ويمكنك أن ترى أن تيار التسرب يزداد بعد أن يتجاوز الجهد المطبق 4V، وتكون سعة التيار أقل من 1.5 مللي أمبير.

وهذا القياس مفاجئ بعض الشيء، لأنك ترى أن تيار التسرب لهذين المكثفين المتسلسلين المتتاليين هو في الواقع أكبر من تيار التسرب لمكثف واحد عند تطبيق الجهد للأمام.

(العلاقة بين الجهد والتيار بعد السلسلة الموجبة والسالبة)

ومع ذلك، ولأسباب زمنية، لم يكن هناك اختبار متكرر لهذه الظاهرة. ربما كان أحد المكثفات المستخدمة هو مكثف اختبار الجهد العكسي للتو، وكان هناك تلف في الداخل، لذلك تم إنشاء منحنى الاختبار أعلاه.