電容爆炸的原因 電解電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

1 電解電容

電解電容是通過電解質(zhì)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(zhì)是液體、膠凍狀富含離子的物質(zhì)，大多數(shù)電解電容都是有極性的，也就是在工作時(shí)，電容的正極的電壓需要始終比負(fù)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(lián)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(nèi)部可能是液體電解質(zhì)或者固態(tài)聚合物，電極材料常用鋁（Aluminum）或者鉭（Tandalum）。下圖是常見的有極性鋁電解電容內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)成圓柱形，密封在鋁制殼內(nèi)。

（電解電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)） 解剖開電解電容，可以清楚地看到它的基本結(jié)構(gòu)。為了防止電解液的蒸發(fā)和泄露，電容引腳部分使用了密封橡膠進(jìn)行固定。 當(dāng)然，圖中也顯示了有極性和無極性的電解電容的內(nèi)部體積的差別。在同樣容量和耐壓等級(jí)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(nèi)部結(jié)構(gòu)）

這樣的差別，主要來自于兩種電容內(nèi)部電極的面積出現(xiàn)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(qū)別，有極性的電容電極厚度較薄。

（電解電容鋁片不同的寬度）

2 電容爆炸

當(dāng)電容施加的電壓超過其耐壓時(shí)，或者對(duì)于有極性電解電容電壓極性加反時(shí)，都會(huì)引起電容漏電流急劇上升，造成電容內(nèi)部熱量增加，電解液會(huì)產(chǎn)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，這樣便于電容頂部在高壓下率先破裂，釋放內(nèi)部的壓力。

（電解電容頂部的爆破槽）

但是，有的電容在制作過程中，頂部的凹槽壓制不合格，電容內(nèi)部的壓力會(huì)使得電容底部的密封橡膠被彈出，此時(shí)電容內(nèi)部的壓力突然釋放，就會(huì)形成爆炸。

無極性電解電容爆炸

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之后，漏電流突然增加，電容內(nèi)部的溫度和壓力增加。最終，電容底部的橡膠密封圈炸開，內(nèi)部電極像爆米花一下被砸松散。

（無極性電解電容過壓爆破） 通過在電容上捆綁一個(gè)熱電偶，可以測(cè)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(dāng)施加的電壓超過耐壓值，內(nèi)部溫度繼續(xù)增高的過程。

（電壓與溫度之間的關(guān)系） 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(nèi)部溫度上升的主要原因。在這個(gè)過程中，電壓是成線性增加，隨著電流急劇升高，供電電源內(nèi)組使得電壓下降。最終，當(dāng)電流超過6A之后，隨著一聲巨響，電容炸開。

（電壓與電流之間的關(guān)系） 由于無極性的電解電容內(nèi)部體積大，電解液多，所以在過流之后所產(chǎn)生的壓力巨大，導(dǎo)致了外殼頂部的泄壓槽沒有破裂，而電容底部的密封橡膠被炸開了。

極性電解電容爆炸

對(duì)于有極性的電解電容，施加電壓。當(dāng)電壓超過電容的耐壓時(shí)，漏電電流也會(huì)急劇上升，造成電容過熱爆炸。 下圖顯示了有極限的電解電容，它的容量為1000uF，耐壓16V。在過壓之后，通過頂部泄壓槽釋放內(nèi)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(dāng)電壓逐步接近電容的耐壓后，電容的留點(diǎn)電流增加，內(nèi)部的溫度繼續(xù)上升。

（電壓與溫度之間的關(guān)系）
下圖是電容的漏電電流變化情況，標(biāo)稱為16V耐壓的電解電容，在測(cè)試過程中，當(dāng)電壓超過15V之后，電容的漏電便開始急劇上升了。

（電壓與電流之間的關(guān)系）
通過前面兩個(gè)電解電容的實(shí)驗(yàn)過程遭遇，也可以看到對(duì)于此類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(shí)候，需要根據(jù)實(shí)際電壓波動(dòng)情況，留下足夠的余量。

電解電容串聯(lián)

在適當(dāng)?shù)那闆r下，可以通過并聯(lián)和串聯(lián)來分別獲得更大的電容容量和更大的電容耐壓。

（過壓爆破之后的電解電容爆米花） 在有些應(yīng)用場(chǎng)合，施加在電容上的電壓是交流電壓，比如揚(yáng)聲器的耦合電容、交流電相位補(bǔ)償、電機(jī)移相電容等，需要使用無極性的電解電容。 在一些電容制造商給出的使用手冊(cè)上，也給出了使用傳統(tǒng)的有極性電容通過背對(duì)背的串聯(lián)，即將兩個(gè)電容的串聯(lián)在一起，但極性相反來獲得無極性電容的效果。

（過壓爆破之后的電解電容） 下面對(duì)比一下有極性電容在施加正向電壓、反向電壓、兩個(gè)電解電容背對(duì)背串聯(lián)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。

正向電壓與漏電流

通過串聯(lián)一個(gè)電阻來測(cè)量流過電容的電流，在電解電容（1000uF，16V）的耐壓范圍內(nèi)，從0V開始逐步增加施加的電壓，測(cè)量對(duì)應(yīng)的漏電電流與電壓之間的關(guān)系。

（正極性串聯(lián)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(guān)系，這是一個(gè)非線性的關(guān)系，漏電電流在0.5mA以下。

（正向串聯(lián)之后電壓電壓與電流之間的關(guān)系）

反向電壓與漏電電流

使用同樣的電流測(cè)量施加方向電壓與電解電容漏電電流之間的關(guān)系，從下圖可以看出，當(dāng)施加的反向電壓超過了4V之后，漏電電流便開始快速增加。通過后面的曲線斜率來看，反向的電解電容相當(dāng)于一個(gè)阻值 為1歐姆的電阻。

（反向電壓電壓與電流之間的關(guān)系）

背對(duì)背串聯(lián)的電容

將兩個(gè)相同的電解電容（1000uF，16V）背對(duì)背串聯(lián)在一起，形成一個(gè)無極性等效的電解電容，然后測(cè)量它們的電壓與漏電流之間的關(guān)系曲線。

（正反極性串聯(lián)電容）
下圖顯示了電容電壓與漏電流之間的關(guān)系，可以看到在施加的電壓超過4V之后，漏電流會(huì)增加，電流幅值小于1.5mA。 而這個(gè)測(cè)量結(jié)果的確有點(diǎn)令人感到意外，你會(huì)看到這兩個(gè)背對(duì)背串聯(lián)電容的漏電流，居然大于單個(gè)電容正向施加電壓時(shí)漏電流。

（正反向串聯(lián)之后電壓電壓與電流之間的關(guān)系）
不過，由于時(shí)間原因，對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象后面沒有進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，也許其中一個(gè)電容使用的是剛才反向電壓測(cè)試的電容，內(nèi)部已經(jīng)有了損壞，所以才產(chǎn)生了上面的測(cè)試曲線。

編輯：黃飛

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