電解電容為什么會(huì)爆炸

打開(kāi)一個(gè)普通的 LED 燈泡，您會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一個(gè)電解電容器在交流線路的輸入中占據(jù)了一個(gè)位置。雖然照明級(jí) LED 的使用壽命通常超過(guò) 10,000 小時(shí)，但其底座中的電解帽可能不會(huì)持續(xù)那么久。這種糟糕的結(jié)果可能有多種原因。

這些電路板上可見(jiàn)的電解電容器取自飛利浦（頂部）和 Feit Electric 制造的 60 瓦等效 LED 燈泡。

電解電容遇到困難的主要原因可能是它們?cè)诒┞队诜聪螂妷簳r(shí)性能不佳。電解裝置是極化裝置，只有在蓋帽正極端子上施加的信號(hào)超過(guò)負(fù)極端子上的信號(hào)時(shí)才能正常工作。對(duì)極性的敏感性是由于蓋子的結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的。

最常見(jiàn)的電解蓋是鋁電解蓋。它的陽(yáng)極電極（+）是一塊表面經(jīng)過(guò)蝕刻的純鋁箔。薄的氧化鋁絕緣層充當(dāng)電容器的電介質(zhì)。非固體電解質(zhì)覆蓋在氧化層的粗糙表面，原則上用作陰極（-）。稱為“陰極箔”的第二個(gè)鋁箔接觸電解質(zhì)并用作與陰極的電連接。整個(gè)組件卷起來(lái)形成獨(dú)特的圓柱形定義電解。

需要注意的一點(diǎn)是，在電解槽中對(duì)陽(yáng)極材料施加正電壓會(huì)形成一層絕緣的氧化鋁層。它的厚度對(duì)應(yīng)于施加的電壓。該氧化層充當(dāng)電介質(zhì)。在粗糙的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)上形成介電氧化物后，反電極必須與粗糙的絕緣氧化物表面相匹配。電解質(zhì)用于此目的。

電介質(zhì)的厚度很薄，通常以納米為單位測(cè)量。氧化層的電壓強(qiáng)度在正確的方向上相當(dāng)高。但超過(guò)最大電壓規(guī)格會(huì)使電容器看起來(lái)像短路。YouTube 上可供觀看的爆炸電容器的數(shù)量證明了這一結(jié)果可以成為一個(gè)值得注意的視頻。

這就是極性的來(lái)源：施加錯(cuò)誤極性的信號(hào)會(huì)阻止氧化層的形成。結(jié)果再次可能是災(zāi)難性的失敗。

Illinois Capacitor 這樣總結(jié)了電解電容的失效模式。點(diǎn)擊圖片放大。

當(dāng)然，功能正常的應(yīng)用電路會(huì)向其使用的電解帽提供正確極性的信號(hào)?？s短電解帽壽命的最常見(jiàn)罪魁禍?zhǔn)资菬崃俊ｎ~定在 25°C 下可工作 10,000 小時(shí)的電容器將在更高溫度下使用時(shí)降額 - 它在 85°C 下的額定工作時(shí)間可能僅為 1,000 小時(shí)，在 105°C 下甚至更少。熱量通常會(huì)蒸發(fā)電解質(zhì)并降低電容。此外，當(dāng)電解帽處于反復(fù)快速充電和放電的電路中時(shí)，它會(huì)變熱。并且高溫引起的性能變化是暫時(shí)的，一旦電容器恢復(fù)到正常溫度（假設(shè)它沒(méi)有被過(guò)熱損壞），規(guī)格表性能就會(huì)重新出現(xiàn)。

另一個(gè)縮短電解電容壽命的臭名昭著的因素是電容承受的紋波電流。紋波電流在經(jīng)常使用電解電容的電源調(diào)節(jié)器電路中很常見(jiàn)。出于復(fù)雜的電化學(xué)原因，紋波電流越高，蓋子的退化程度就越大也越快。對(duì)紋波電流的敏感性是帽結(jié)構(gòu)和材料的函數(shù)。供應(yīng)商指定不同紋波電流值的使用壽命。此外，還有專門(mén)設(shè)計(jì)用于處理高紋波電流的電解帽。

不幸的是，供應(yīng)鏈問(wèn)題也會(huì)影響瓶蓋性能。采購(gòu)渠道中，不合格或徹頭徹尾的假冒零件越來(lái)越普遍。制造一個(gè)在短期內(nèi)可以接受的合適的電容器相對(duì)容易。然而，使用壽命很容易低于標(biāo)準(zhǔn)。

例如，即使是高質(zhì)量電解電容器的電容也會(huì)隨著時(shí)間的推移而偏離標(biāo)稱值。指定較大的公差并不罕見(jiàn)，通常為 20%。因此，預(yù)計(jì)標(biāo)稱電容為 47 μF 的鋁電解電容器的測(cè)量值介于 37.6 μF 和 56.4 μF 之間。鉭電解電容器可以具有更嚴(yán)格的公差，但通常具有較低的工作電壓。關(guān)于不合格或假冒瓶蓋隨時(shí)間的耐受性，所有****注都落空了。

了解上限規(guī)格表評(píng)級(jí)適用的條件也很有意義。額定電容通常表示為 20°C 和 120 Hz 時(shí)的值。在高于和低于 20°C 的溫度下，電容會(huì)降低。還要注意損耗角正切的規(guī)格。損耗角正切定義為電容器電壓和電容器電流之間的相位角之差相對(duì)于理論 90° 值的正切值。差異是由電容器內(nèi)的介電損耗引起的。損耗角的正切值 (tan δ) 表示為 20°C 和 120 Hz 時(shí)的值。該值將在較高溫度下下降并在較低溫度下上升。

此外，電容和損耗角的正切隨頻率不同而不同。電容在高頻時(shí)較低，損耗角的正切在高頻時(shí)較高。電容器阻抗通常表示為 20°C 和 100 kHz 時(shí)的值。阻抗在較低頻率下會(huì)更高。

儲(chǔ)存條件也會(huì)影響電解帽的性能。鋁電解電容器如果長(zhǎng)時(shí)間存放，其漏電流會(huì)增加。與其他電容器參數(shù)一樣，這種影響在較高的儲(chǔ)存溫度下更為明顯。但是，施加電壓可以降低漏電流。這就是通過(guò)施加電壓修復(fù)電解電容器的原理。同樣的道理，電路設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)應(yīng)該考慮電容電流的初始增加。通常的技術(shù)是將保護(hù)電路與電容并聯(lián)。

用于電解電容器的包裝示例。這些來(lái)自 Nichicon 的封裝在過(guò)熱時(shí)通過(guò)橡膠層排出氣體。

蓋子本身的包裝可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。請(qǐng)注意，電容器外殼和陰極端子之間沒(méi)有隔離。制造商通常不指定電解電容器外殼和陰極端子之間的電阻值。帽外套筒也容易損壞。如果暴露在高溫下，套筒可能會(huì)破裂。通常外套管由 PVC 制成，但 PVC 用于標(biāo)記，而不是提供電絕緣。電解帽通常還包含壓力通風(fēng)口，這些通風(fēng)口采用外殼上的薄區(qū)域形式，如果蓋子受到不當(dāng)處理，放置在那里以處理壓力積聚。最好找出通風(fēng)口的位置并在其上方留出空間。

最后，串聯(lián)或并聯(lián)連接的電容器的細(xì)微差別可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。例如，并聯(lián)電容器之間的電流可能不均衡。在電源中，一個(gè)結(jié)果可能是一個(gè)或多個(gè)電容的紋波電流過(guò)大。類似地，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)電容器串聯(lián)連接時(shí)，必須考慮施加電壓的平衡，以便施加到每個(gè)電容器的電壓保持在額定電壓以下。通常的方法是安裝與每個(gè)電容器并聯(lián)的分壓電阻器。