電容為什麼會爆炸?電容爆炸的原因
2020-11-27 電子工程專輯
電解電容是通過電解質作用在電極上形成的氧化層作為絕緣層的電容，通常具有較大的容量。電解質是液體、膠凍狀富含離子的物質。大多數電解電容都是有極性的，也就是在工作時，電容的正極的電壓需要始終比負極電壓高。
電解電容的高容量也是犧牲了很多其它的特性換來的，比如具有較大的漏電流、較大的等效串聯電感和電阻、容值誤差較大、壽命短等。
除了有極性的電解電容之外，也有無極性的電解電容。在下圖中，就是有兩種1000uF，16V的電解電容，其中較大的是無極性，較小的是有極性的。
無極性和有極性電解電容
電解電容內部可能是液體電解質或者固態聚合物，電極材料常用鋁（Aluminum）或者鉭（Tandalum）。下圖是常見到的有極性鋁電解電容內部的結構。兩層電極之間有一層浸有電解液的纖維紙，再加一層絕緣紙轉成圓柱形，密封在鋁製殼內。
電解電容內部結構
解剖開電解電容，可以清楚的看到它的基本結構。為了防止電解液的蒸發和洩露，電容引腳部分使用了密封橡膠進行固定。
圖中也顯示了有極性和無極性的電解電容的內部體積的差別，在同樣容量和耐壓等級下，無極性的電解電容比有極性大了一倍左右。
無極性和有極性電解電容內部結構
這樣的差別主要來自於兩種電容內部電極的面積出現了較大的差異。下圖左邊是無極性的電容電極，右邊是有極性的電極。除了面積差異之外，兩種電極厚度也有區別。有極性的電容電極厚度較薄。
電解電容鋁片不同的寬度
當電容施加的電壓超過其耐壓時，或者對於有極性電解電容電壓極性加反時，都會引起電容漏電流急劇上升，造成電容內部熱量增加，電解液會產生大量的氣體。
為了防止電容爆炸，在電容外殼的頂部壓制有三條凹槽，這樣便於電容頂部在高壓下率先破裂，釋放內部的壓力。
電解電容頂部的爆破槽
但是，有的電容在製作過程中，頂部的凹槽壓制不合格，電容內部的壓力會使得電容底部的密封橡膠被彈出，此時電容內部的壓力突然釋放，就會形成爆炸。
下圖顯示了手邊一顆無極性電解電容，它的容量為1000uF，耐壓16V。在施加電壓超過18V之後，漏電流突然增加，電容內部的溫度和壓力增加。最終電容底部的橡膠密封圈炸開，內部電極像爆米花一下被砸鬆散。
無極性電解電容過壓爆破
通過在電容上捆綁一個熱電偶，可以測量電容的溫度隨著施加的電壓增加變化的過程。下圖顯示了無極性電容在電壓增加過程中，當施加的電壓超過耐壓值，內部溫度繼續增高的過程。
電壓與溫度之間的關係
下圖顯示了在同樣的過程中，流過電容的電流變化。可以看到電流的增加是造成內部溫度上升的主要原因。在這個過程中，電壓是成線性增加，隨著電流急劇升高，供電電源內組使得電壓下降。最終當電流超過6A之後，隨著一聲巨響，電容炸開。
電壓與電流之間的關係
由於無極性的電解電容內部體積大，電解液多，所以在過流之後所產生的壓力巨大。導致外殼頂部的洩壓槽沒有破裂，而電容底部的密封橡膠被炸開了。
對於有極性的電解電容，施加電壓。當電壓超過電容的耐壓時，漏電電流也會急劇上升，造成電容過熱爆炸。
下圖顯示有極限的電解電容，1000uF，16V。在過壓之後通過頂部洩壓槽釋放內部氣壓過程。因此就避免了電容爆炸過程。
極性電解電容過壓爆破
下圖顯示了電容的溫度隨著施加電壓的增加變化的情況。當電壓逐步接近電容的耐壓後，電容的留點電流增加，內部的溫度繼續上升。
電壓與溫度之間的關係
下圖是電容的漏電電流變化情況。標稱為16V耐壓的電解電容，在測試過程中，當電壓超過15V之後，電容的漏電便開始急劇上升了。
電壓與電流之間的關係
通過前面兩個電解電容的實驗過程遭遇，也可以看到對於此類1000uF普通電解電容耐壓限制情況。為了避免電容被高壓擊穿，因此在使用電解電容的時候，需要根據實際電壓波動情況，留下足夠的餘量。
在適當的情況下，可以通過並聯和串聯來分別獲得更大的電容容量和更大的電容耐壓。
過壓爆破之後的電解電容爆米花
在有些應用場合，施加在電容上的電壓是交流電壓，比如揚聲器的耦合電容，交流電相位補償，電機移相電容等，需要使用無極性的電解電容。
在 一些電容製造商給出的使用手冊上，也給出了使用傳統的有極性電容通過背對背的串聯，即將兩個電容的串聯在一起，但極性相反，來獲得無極性電容的效果。
過壓爆破之後的電解電容
下面對比一下有極性電容在施加正向電壓、反向電壓、兩個電解電容背對背串聯成無極性電容三種情況下，漏電流隨著施加電壓增加變化情況。
通過串聯一個電阻來測量流過電容的電流，在電解電容（1000uF，16V）的耐壓範圍內，從0V開始逐步增加施加的電壓，測量對應的漏電電流與電壓之間的關係。
正極性串聯電容
下圖顯示了有極性鋁電解電容的漏電流與電壓之間的關係。這是一個非線性的關係。漏電電流在0.5mA以下。
正向串聯之後電壓電壓與電流之間的關係
使用同樣的電流測量施加方向電壓與電解電容漏電電流之間的關係。下圖可以看出，當施加的反向電壓超過了4V之後，漏電電流便開始快速增加。通過後面的曲線斜率來看，反向的電解電容相當於一個阻值為1歐姆的電阻。
反向電壓電壓與電流之間的關係
將兩個相同的電解電容（1000uF，16V）背對背串聯在一起，形成一個無極性等效的電解電容。測量它們的電壓與漏電流之間的關係曲線。
正反極性串聯電容
下圖顯示了電容電壓與漏電流之間的關係。會看到在施加的電壓超過4V之後，漏電流會增加，電流幅值小於1.5mA。
不過這個測量結果的確有點令人感到意外。你會看到這兩個背對背串聯電容的漏電流居然大於單個電容正向施加電壓時漏電流。這的確令人感到奇怪。
正反向串聯之後電壓電壓與電流之間的關係
不過由於時間原因，對於這個現象後面沒有進行重複測試。也許其中一個電容使用的是剛才反向電壓測試的電容，內部已經有了損壞。所以才產生了上面的測試曲線。
來源：TsinghuaJoking公眾號
作者：卓晴
（免責聲明：整理本文出於傳播相關技術知識，版權歸原作者所有。）
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