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)現一個(gè)電解電容器在交流線(xiàn)路的輸入中占據了一個(gè)位置。雖然照明級 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 )持續那么久。這種糟糕的結果可能有多種原因。

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在暴露于反向電壓時(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超過(guò)負極端子上的信號時(shí)才能正常工作。對極性的敏感性是由于蓋子的結構而產(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(chēng)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)形成獨特的圓柱形定義電解。

需要注意的一點(diǎn)是，在電解槽中對陽(yáng)極材料施加正電壓會(huì )形成一層絕緣的氧化鋁層。它的厚度對應于施加的電壓。該氧化層充當電介質(zhì)。在粗糙的陽(yáng)極結構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量。氧化層的電壓強度在正確的方向上相當高。但超過(guò)最大電壓規格會(huì )使電容器看起來(lái)像短路。YouTube 上可供觀(guān)看的爆炸電容器的數量證明了這一結果可以成為一個(gè)值得注意的視頻。

這就是極性的來(lái)源：施加錯誤極性的信號會(huì )阻止氧化層的形成。結果再次可能是災難性的失敗。

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

當然，功能正常的應用電路會(huì )向其使用的電解帽提供正確極性的信號?？s短電解帽壽命的最常見(jiàn)罪魁禍首是熱量。額定在 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，當電解帽處于反復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，一旦電容器恢復到正常溫度（假設它沒(méi)有被過(guò)熱損壞），規格表性能就會(huì )重新出現。

另一個(gè)縮短電解電容壽命的臭名昭著(zhù)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節器電路中很常見(jiàn)。出于復雜的電化學(xué)原因，紋波電流越高，蓋子的退化程度就越大也越快。對紋波電流的敏感性是帽結構和材料的函數。供應商指定不同紋波電流值的使用壽命。此外，還有專(zhuān)門(mén)設計用于處理高紋波電流的電解帽。

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

例如，即使是高質(zhì)量電解電容器的電容也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而偏離標稱(chēng)值。指定較大的公差并不罕見(jiàn)，通常為 20%。因此，預計標稱(chēng)電容為 47 μF 的鋁電解電容器的測量值介于 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。

了解上限規格表評級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于理論 90° 值的正切值。差異是由電容器內的介電損耗引起的。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。

儲存條件也會(huì )影響電解帽的性能。鋁電解電容器如果長(cháng)時(shí)間存放，其漏電流會(huì )增加。與其他電容器參數一樣，這種影響在較高的儲存溫度下更為明顯。但是，施加電壓可以降低漏電流。這就是通過(guò)施加電壓修復電解電容器的原理。同樣的道理，電路設計者在設計設備時(shí)應該考慮電容電流的初始增加。通常的技術(shù)是將保護電路與電容并聯(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 )導致問(wèn)題。請注意，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域形式，如果蓋子受到不當處理，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)連接的電容器的細微差別可能會(huì )導致問(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)結果可能是一個(gè)或多個(gè)電容的紋波電流過(guò)大。類(lèi)似地，當兩個(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。