1. Capacitores eletrolíticos
Capacitores eletrolíticos são capacitores formados pela camada de oxidação no eletrodo através da ação do eletrólito como camada isolante, que geralmente possui grande capacidade. O eletrólito é um material líquido, gelatinoso, rico em íons, e a maioria dos capacitores eletrolíticos é polar, ou seja, durante o funcionamento, a tensão do eletrodo positivo do capacitor precisa ser sempre maior que a tensão negativa.
A alta capacidade dos capacitores eletrolíticos também é sacrificada por muitas outras características, como ter uma grande corrente de fuga, uma grande indutância e resistência equivalentes em série, um grande erro de tolerância e uma vida útil curta.
Além dos capacitores eletrolíticos polares, existem também capacitores eletrolíticos apolares. Na figura abaixo, existem dois tipos de capacitores eletrolíticos de 1000 uF e 16 V. Entre eles, o maior é apolar e o menor é polar.
(Capacitores eletrolíticos polares e não polares)
O interior do capacitor eletrolítico pode ser um eletrólito líquido ou um polímero sólido, e o material do eletrodo é comumente alumínio (alumínio) ou tântalo (tândalo). A seguir, um capacitor eletrolítico de alumínio polar comum, com a estrutura interna: entre as duas camadas de eletrodos, há uma camada de papel de fibra embebido em eletrólito, além de uma camada de papel isolante transformada em um cilindro, selado na carcaça de alumínio.
(Estrutura interna do capacitor eletrolítico)
Ao dissecar o capacitor eletrolítico, sua estrutura básica pode ser vista claramente. Para evitar a evaporação e o vazamento do eletrólito, a parte do pino do capacitor é fixada com borracha de vedação.
É claro que a figura também mostra a diferença de volume interno entre capacitores eletrolíticos polares e não polares. Com a mesma capacidade e nível de tensão, o capacitor eletrolítico não polar é cerca de duas vezes maior que o polar.
(Estrutura interna de capacitores eletrolíticos polares e não polares)
Essa diferença se deve principalmente à grande diferença na área dos eletrodos dentro dos dois capacitores. O eletrodo do capacitor não polar está à esquerda e o eletrodo polar à direita. Além da diferença de área, a espessura dos dois eletrodos também é diferente, e a espessura do eletrodo do capacitor polar é mais fina.
(Folha de alumínio para capacitor eletrolítico de diferentes larguras)
2. Explosão do capacitor
Quando a tensão aplicada pelo capacitor excede sua tensão de suporte, ou quando a polaridade da tensão do capacitor eletrolítico polar é invertida, a corrente de fuga do capacitor aumentará acentuadamente, resultando em um aumento no calor interno do capacitor, e o eletrólito produzirá uma grande quantidade de gás.
Para evitar a explosão do capacitor, há três ranhuras pressionadas na parte superior do invólucro do capacitor, para que a parte superior do capacitor seja fácil de quebrar sob alta pressão e liberar a pressão interna.
(Tanque de jateamento no topo do capacitor eletrolítico)
No entanto, em alguns capacitores no processo de produção, a prensagem da ranhura superior não é qualificada, a pressão dentro do capacitor fará com que a borracha de vedação na parte inferior do capacitor seja ejetada, neste momento a pressão dentro do capacitor é liberada repentinamente, formando uma explosão.
1, explosão de capacitor eletrolítico não polar
A figura abaixo mostra um capacitor eletrolítico apolar, com capacidade de 1000 uF e tensão de 16 V. Após a tensão aplicada ultrapassar 18 V, a corrente de fuga aumenta repentinamente, e a temperatura e a pressão dentro do capacitor aumentam. Eventualmente, a vedação de borracha na parte inferior do capacitor se rompe, e os eletrodos internos se soltam como pipoca.
(explosão de sobretensão de capacitor eletrolítico não polar)
Conectando um termopar a um capacitor, é possível medir o processo pelo qual a temperatura do capacitor varia com o aumento da tensão aplicada. A figura a seguir mostra o capacitor não polar em processo de aumento de tensão. Quando a tensão aplicada excede o valor da tensão suportável, a temperatura interna continua a aumentar.
(Relação entre tensão e temperatura)
A figura abaixo mostra a variação da corrente que flui através do capacitor durante o mesmo processo. Pode-se observar que o aumento da corrente é o principal motivo do aumento da temperatura interna. Nesse processo, a tensão aumenta linearmente e, à medida que a corrente aumenta acentuadamente, o grupo gerador de energia causa uma queda de tensão. Finalmente, quando a corrente excede 6 A, o capacitor explode com um estrondo.
(Relação entre tensão e corrente)
Devido ao grande volume interno do capacitor eletrolítico não polar e à quantidade de eletrólito, a pressão gerada após o transbordamento é enorme, fazendo com que o tanque de alívio de pressão na parte superior do invólucro não se rompa, e a borracha de vedação na parte inferior do capacitor seja aberta.
2, explosão de capacitor eletrolítico polar
Para capacitores eletrolíticos polares, uma tensão é aplicada. Quando a tensão excede a tensão suportável do capacitor, a corrente de fuga também aumenta acentuadamente, causando superaquecimento e explosão do capacitor.
A figura abaixo mostra o capacitor eletrolítico limitador, que possui capacidade de 1000 uF e tensão de 16 V. Após a sobretensão, o processo de liberação da pressão interna é realizado através do tanque de alívio de pressão superior, evitando assim a explosão do capacitor.
A figura a seguir mostra como a temperatura do capacitor varia com o aumento da tensão aplicada. À medida que a tensão se aproxima gradualmente da tensão suportável do capacitor, a corrente residual do capacitor aumenta e a temperatura interna continua a subir.
(Relação entre tensão e temperatura)
A figura a seguir mostra a variação da corrente de fuga do capacitor, o capacitor eletrolítico nominal de 16 V, no processo de teste, quando a tensão ultrapassa 15 V, a fuga do capacitor começa a aumentar acentuadamente.
(Relação entre tensão e corrente)
Através do processo experimental dos dois primeiros capacitores eletrolíticos, também foi possível verificar o limite de tensão desses capacitores eletrolíticos comuns de 1000 uF. Para evitar a ruptura do capacitor por alta tensão, ao utilizar o capacitor eletrolítico, é necessário deixar uma margem suficiente de acordo com as flutuações reais de tensão.
3，capacitores eletrolíticos em série
Quando apropriado, maior capacitância e maior tensão de resistência à capacitância podem ser obtidas por conexão paralela e em série, respectivamente.
(capacitor eletrolítico pipoca após explosão de sobrepressão)
Em algumas aplicações, a tensão aplicada ao capacitor é CA, como capacitores de acoplamento de alto-falantes, compensação de fase de corrente alternada, capacitores de deslocamento de fase de motores, etc., exigindo o uso de capacitores eletrolíticos não polares.
No manual do usuário fornecido por alguns fabricantes de capacitores, também é informado o uso de capacitores polares tradicionais por séries back-to-back, ou seja, dois capacitores em série, mas com polaridade oposta para obter o efeito de capacitores não polares.
(capacitância eletrolítica após explosão de sobretensão)
A seguir, uma comparação do capacitor polar na aplicação de tensão direta, tensão reversa, dois capacitores eletrolíticos em série consecutiva em três casos de capacitância não polar, a corrente de fuga muda com o aumento da tensão aplicada.
1. Tensão direta e corrente de fuga
A corrente que flui através do capacitor é medida conectando-se um resistor em série. Dentro da faixa de tolerância de tensão do capacitor eletrolítico (1000 uF, 16 V), a tensão aplicada é gradualmente aumentada de 0 V para medir a relação entre a corrente de fuga e a tensão correspondentes.
(capacitância série positiva)
A figura a seguir mostra a relação entre a corrente de fuga e a tensão de um capacitor eletrolítico de alumínio polar, que é uma relação não linear com a corrente de fuga abaixo de 0,5 mA.
(A relação entre tensão e corrente após a série direta)
2, tensão reversa e corrente de fuga
Utilizando a mesma corrente para medir a relação entre a tensão direcional aplicada e a corrente de fuga do capacitor eletrolítico, pode-se observar na figura abaixo que, quando a tensão reversa aplicada excede 4 V, a corrente de fuga começa a aumentar rapidamente. A partir da inclinação da curva a seguir, a capacitância eletrolítica reversa é equivalente a uma resistência de 1 ohm.
(Relação de tensão reversa entre tensão e corrente)
3. Capacitores em série back-to-back
Dois capacitores eletrolíticos idênticos (1000uF, 16V) são conectados em série para formar um capacitor eletrolítico equivalente não polar e, então, a curva de relação entre sua tensão e corrente de fuga é medida.
(capacitância série de polaridade positiva e negativa)
O diagrama a seguir mostra a relação entre a tensão do capacitor e a corrente de fuga, e você pode ver que a corrente de fuga aumenta depois que a tensão aplicada excede 4 V, e a amplitude da corrente é menor que 1,5 mA.
E essa medição é um pouco surpreendente, porque você vê que a corrente de fuga desses dois capacitores em série consecutivos é, na verdade, maior do que a corrente de fuga de um único capacitor quando a tensão é aplicada diretamente.
(A relação entre tensão e corrente após séries positivas e negativas)
No entanto, por questões de tempo, não houve repetição do teste para esse fenômeno. Talvez um dos capacitores utilizados tenha sido o capacitor do teste de tensão reversa que acabamos de fazer, e houve danos internos, então a curva de teste acima foi gerada.
Data de publicação: 25 de julho de 2023
