1. Capacitores eletrolíticos
Capacitores eletrolíticos são capacitores formados pela camada de oxidação do eletrodo através da ação do eletrólito como camada isolante, que geralmente possui grande capacidade. O eletrólito é um material líquido, gelatinoso e rico em íons, e a maioria dos capacitores eletrolíticos são polares, ou seja, quando em 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 em série equivalente, um grande erro de tolerância e uma vida curta.
Além dos capacitores eletrolíticos polares, também existem capacitores eletrolíticos não polares. Na figura abaixo, existem dois tipos de capacitores eletrolíticos de 1000uF e 16V. Dentre eles, o maior é apolar e o menor é polar.
(Capacitores eletrolíticos não polares e 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 está um capacitor eletrolítico polar comum de alumínio dentro da estrutura, entre as duas camadas de eletrodos há uma camada de papel de fibra embebida em eletrólito, mais uma camada de papel isolante transformada em cilindro, selada na casca de alumínio.
(Estrutura interna do capacitor eletrolítico)
Dissecando o capacitor eletrolítico, sua estrutura básica pode ser vista claramente. Para evitar a evaporação e vazamento do eletrólito, a parte do pino do capacitor é fixada com borracha de vedação.
Claro, a figura também mostra a diferença no volume interno entre capacitores eletrolíticos polares e não polares. Na mesma capacidade e nível de tensão, o capacitor eletrolítico apolar é cerca de duas vezes maior que o polar.
(Estrutura interna de capacitores eletrolíticos polares e apolares)
Essa diferença vem principalmente da grande diferença na área dos eletrodos dentro dos dois capacitores. O eletrodo do capacitor apolar está à esquerda e o eletrodo polar está 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 do capacitor eletrolítico de largura diferente)
2. Explosão de capacitor
Quando a tensão aplicada pelo capacitor excede sua tensão suportável, 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 da carcaça do capacitor, de modo 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)
Porém, 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, irá formar uma explosão.
1, explosão de capacitor eletrolítico não polar
A figura abaixo mostra um capacitor eletrolítico apolar disponível, com capacidade de 1000uF e tensão de 16V. Depois que a tensão aplicada excede 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.
(detonação de sobretensão de capacitor eletrolítico não polar)
Ao amarrar um termopar a um capacitor, é possível medir o processo pelo qual a temperatura do capacitor muda à medida que a tensão aplicada aumenta. A figura a seguir mostra o capacitor apolar em processo de aumento de tensão, quando a tensão aplicada excede o valor da tensão suportável, a temperatura interna continua a aumentar o processo.
(Relação entre tensão e temperatura)
A figura abaixo mostra a mudança na corrente que flui através do capacitor durante o mesmo processo. Percebe-se 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 da fonte de alimentação faz a tensão cair. Finalmente, quando a corrente excede 6A, o capacitor explode com um grande estrondo.
(Relação entre tensão e corrente)
Devido ao grande volume interno do capacitor eletrolítico apolar 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 está aberto.
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 aumentará acentuadamente, fazendo com que o capacitor superaqueça e exploda.
A figura abaixo mostra o capacitor eletrolítico limitante, que tem capacidade de 1000uF e tensão de 16V. Após a sobretensão, o processo de pressão interna é liberado através do tanque de alívio de pressão superior, evitando o processo de explosão do capacitor.
A figura a seguir mostra como a temperatura do capacitor muda 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 aumentar.
(Relação entre tensão e temperatura)
A figura a seguir é a variação da corrente de fuga do capacitor, o capacitor eletrolítico nominal de 16V, no processo de teste, quando a tensão ultrapassa 15V, o vazamento do capacitor começa a aumentar acentuadamente.
(Relação entre tensão e corrente)
Através do processo experimental dos dois primeiros capacitores eletrolíticos, também pode ser visto que o limite de tensão desses capacitores eletrolíticos comuns de 1000uF. Para evitar a quebra do capacitor por alta tensão, ao usar o capacitor eletrolítico, é necessário deixar margem suficiente de acordo com as flutuações reais de tensão.
3,capacitores eletrolíticos em série
Quando apropriado, maior capacitância e maior capacitância de tensão suportável podem ser obtidas por conexão paralela e em série, respectivamente.
(pipoca de capacitor eletrolítico após explosão de sobrepressão)
Em algumas aplicações, a tensão aplicada ao capacitor é tensão CA, como capacitores de acoplamento de alto-falantes, compensação de fase de corrente alternada, capacitores de mudança de fase de motor, etc., exigindo o uso de capacitores eletrolíticos apolares.
No manual do usuário fornecido por alguns fabricantes de capacitores, também é indicado que o uso de capacitores polares tradicionais em série back-to-back, ou seja, dois capacitores em série juntos, mas a polaridade é oposta para obter o efeito de não- capacitores polares.
(capacitância eletrolítica após explosão de sobretensão)
A seguir está uma comparação do capacitor polar na aplicação de tensão direta, tensão reversa, dois capacitores eletrolíticos em série consecutiva em três casos de capacitância apolar, 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 um resistor em série. Dentro da faixa de tolerância de tensão do capacitor eletrolítico (1000uF, 16V), a tensão aplicada é aumentada gradualmente de 0V para medir a relação entre a corrente de fuga e a tensão correspondentes.
(capacitância em série positiva)
A figura a seguir mostra a relação entre a corrente de fuga e a tensão de um capacitor eletrolítico polar de alumínio, que é uma relação não linear com a corrente de fuga abaixo de 0,5mA.
(A relação entre tensão e corrente após a série direta)
2, tensão reversa e corrente de fuga
Usando a mesma corrente para medir a relação entre a tensão de direção aplicada e a corrente de fuga do capacitor eletrolítico, pode-se observar na figura abaixo que quando a tensão reversa aplicada excede 4V, 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 consecutivos
Dois capacitores eletrolíticos idênticos (1000uF, 16V) são conectados costas com costas em série para formar um capacitor eletrolítico equivalente não polar e, em seguida, a curva de relação entre sua tensão e corrente de fuga é medida.
(capacitância em 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 4V e a amplitude da corrente é inferior a 1,5mA.
E esta 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 para frente.
(A relação entre tensão e corrente após séries positivas e negativas)
Porém, por motivos de tempo, não houve repetição do teste para esse fenômeno. Talvez um dos capacitores usados tenha sido o capacitor do teste de tensão reversa agora há pouco, e houve danos em seu interior, então a curva de teste acima foi gerada.
Horário da postagem: 25 de julho de 2023
