למה קבלים אלקטרוליטיים מתפוצצים? מילה שצריך להבין!

1. קבלים אלקטרוליטיים 

קבלים אלקטרוליטיים הם קבלים הנוצרים על ידי שכבת החמצון על האלקטרודה באמצעות פעולת האלקטרוליט כשכבת בידוד, שבדרך כלל יש לה קיבולת גדולה. האלקטרוליט הוא חומר נוזלי, דמוי ג'לי, עשיר ביונים, ורוב קבלי האלקטרוליטיים הם קוטביים, כלומר, כאשר הם פועלים, המתח של האלקטרודה החיובית של הקבל צריך להיות תמיד גבוה מהמתח השלילי.

הקיבולת הגבוהה של קבלים אלקטרוליטיים מוקרבת גם לטובת מאפיינים רבים אחרים, כגון זרם דליפה גדול, השראות והתנגדות טורית שוות ערך גדולים, שגיאת סובלנות גדולה ואורך חיים קצר.

בנוסף לקבלים אלקטרוליטיים פולאריים, קיימים גם קבלים אלקטרוליטיים לא פולאריים. באיור למטה, ישנם שני סוגים של קבלים אלקטרוליטיים של 1000uF, 16V. ביניהם, הגדול יותר הוא לא פולארי, והקטן יותר הוא פולארי.

(קבלים אלקטרוליטיים לא קוטביים וקוטביים)

החלק הפנימי של הקבל האלקטרוליטי יכול להיות אלקטרוליט נוזלי או פולימר מוצק, וחומר האלקטרודה הוא בדרך כלל אלומיניום (אלומיניום) או טנטלום (טנדלום). להלן מבנה נפוץ של קבל אלקטרוליטי מאלומיניום פולארי, בין שתי שכבות האלקטרודות יש שכבה של נייר סיבים ספוג באלקטרוליט, בתוספת שכבה של נייר מבודד שהופך לגליל, אטום במעטפת האלומיניום.

(מבנה פנימי של קבל אלקטרוליטי)

בניתוח הקבל האלקטרוליטי, ניתן לראות בבירור את המבנה הבסיסי שלו. על מנת למנוע אידוי ודליפה של האלקטרוליט, חלק פין הקבל מקובע באמצעות גומי איטום.

כמובן, האיור מראה גם את ההבדל בנפח הפנימי בין קבלים אלקטרוליטיים פולריים ללא-פולריים. באותה רמת קיבולת ומתח, הקבל האלקטרוליטי הלא-פולרי גדול בערך פי שניים מהקבל הפולרי.

(מבנה פנימי של קבלים אלקטרוליטיים לא קוטביים וקוטביים)

הבדל זה נובע בעיקר מההבדל הגדול בשטח האלקטרודות בתוך שני הקבלים. אלקטרודת הקבל הלא קוטבית נמצאת משמאל והאלקטרודה הקוטבית נמצאת מימין. בנוסף להבדל השטח, גם עובי שתי האלקטרודות שונה, ועובי אלקטרודת הקבל הקוטבי דק יותר.

(יריעת אלומיניום של קבל אלקטרוליטי ברוחב שונה)

2. פיצוץ קבלים

כאשר המתח המופעל על ידי הקבל עולה על מתח העמידה שלו, או כאשר הקוטביות של מתח הקבל האלקטרוליטי הקוטבי מתהפכת, זרם הדליפה של הקבל יעלה בחדות, וכתוצאה מכך גדל החום הפנימי של הקבל, והאלקטרוליט ייצר כמות גדולה של גז.

על מנת למנוע פיצוץ קבלים, ישנם שלושה חריצים לחוצים בחלק העליון של בית הקבל, כך שקל לשבור את החלק העליון של הקבל תחת לחץ גבוה ולשחרר את הלחץ הפנימי.

(מיכל פיצוץ בחלק העליון של קבל אלקטרוליטי)

עם זאת, בחלק מהקבלים בתהליך הייצור, לחיצה על החריץ העליון אינה מתאימה, הלחץ בתוך הקבל יגרום לגומי האיטום בתחתית הקבל להישבר, ובשלב זה הלחץ בתוך הקבל משתחרר לפתע ויווצר פיצוץ.

1, פיצוץ קבל אלקטרוליטי לא קוטבי

האיור שלהלן מציג קבל אלקטרוליטי לא קוטבי בהישג יד, עם קיבולת של 1000uF ומתח של 16V. לאחר שהמתח המופעל עולה על 18V, זרם הדליפה עולה לפתע, והטמפרטורה והלחץ בתוך הקבל עולים. בסופו של דבר, אטם הגומי בתחתית הקבל מתפוצץ, והאלקטרודות הפנימיות מתנפצות כמו פופקורן.

(פיצוץ מתח יתר של קבל אלקטרוליטי לא קוטבי)

על ידי חיבור תרמוצמד לקבל, ניתן למדוד את התהליך שבו טמפרטורת הקבל משתנה ככל שהמתח המופעל עולה. האיור הבא מציג את הקבל הלא קוטבי בתהליך עליית המתח, כאשר המתח המופעל עולה על ערך מתח העמידה, הטמפרטורה הפנימית ממשיכה לעלות בתהליך.

(הקשר בין מתח לטמפרטורה)

האיור שלהלן מציג את השינוי בזרם הזורם דרך הקבל במהלך אותו תהליך. ניתן לראות כי העלייה בזרם היא הסיבה העיקרית לעלייה בטמפרטורה הפנימית. בתהליך זה, המתח עולה באופן ליניארי, וככל שהזרם עולה בחדות, קבוצת ספק הכוח גורמת לירידה במתח. לבסוף, כאשר הזרם עולה על 6A, הקבל מתפוצץ בקול רם.

(הקשר בין מתח לזרם)

בשל הנפח הפנימי הגדול של הקבל האלקטרוליטי הלא קוטבי וכמות האלקטרוליט, הלחץ שנוצר לאחר הגלישה הוא עצום, וכתוצאה מכך מיכל שחרור הלחץ בחלק העליון של המעטפת אינו נשבר, וגומי האיטום בתחתית הקבל נפתח.

2, פיצוץ קבל אלקטרוליטי קוטבי 

עבור קבלים אלקטרוליטיים פולאריים, מופעל מתח. כאשר המתח עולה על מתח העמידה של הקבל, זרם הדליפה יעלה גם הוא בחדות, מה שיגרום לקבל להתחמם יתר על המידה ולהתפוצץ.

האיור שלהלן מציג את הקבל האלקטרוליטי המגביל, בעל קיבולת של 1000uF ומתח של 16V. לאחר מתח יתר, תהליך הלחץ הפנימי משתחרר דרך מיכל שחרור הלחץ העליון, כך שנמנע תהליך פיצוץ הקבל.

האיור הבא מראה כיצד טמפרטורת הקבל משתנה עם עליית המתח המופעל. ככל שהמתח מתקרב בהדרגה למתח העמידה של הקבל, הזרם השיורי של הקבל עולה, והטמפרטורה הפנימית ממשיכה לעלות.

(הקשר בין מתח לטמפרטורה)

האיור הבא מציג את השינוי בזרם הדליפה של הקבל, קבל אלקטרוליטי נומינלי של 16 וולט, בתהליך הבדיקה, כאשר המתח עולה על 15 וולט, הדליפה של הקבל מתחילה לעלות בחדות.

(הקשר בין מתח לזרם)

באמצעות תהליך ניסיוני של שני קבלי אלקטרוליטיים ראשונים, ניתן לראות גם שמגבלת המתח של קבלי אלקטרוליטיים רגילים כאלה היא 1000uF. על מנת למנוע התמוטטות מתח גבוה של הקבל, בעת שימוש בקבל אלקטרוליטי, יש צורך להשאיר מרווח מספיק בהתאם לתנודות המתח בפועל.

3,קבלים אלקטרוליטיים בטור

במידת הצורך, ניתן להשיג קיבול גדול יותר ומתח עמידה בקיבול גדול יותר על ידי חיבור מקבילי וטורי, בהתאמה.

(פופקורן של קבל אלקטרוליטי לאחר פיצוץ לחץ יתר)

ביישומים מסוימים, המתח המופעל על הקבל הוא מתח AC, כגון קבלי צימוד של רמקולים, פיצוי פאזה של זרם חילופין, קבלי הזזת פאזה של מנוע וכו', המחייבים שימוש בקבלים אלקטרוליטיים לא קוטביים.

במדריך למשתמש שמספקים חלק מיצרני הקבלים, מצוין גם השימוש בקבלים קוטביים מסורתיים בטור גב אל גב, כלומר, שני קבלים בטור יחד, אך הקוטביות הפוכה כדי להשיג את האפקט של קבלים לא קוטביים.

(קיבול אלקטרוליטי לאחר פיצוץ מתח יתר)

להלן השוואה של קבלים קוטביים ביישום של מתח קדמי ומתח הפוך, שני קבלים אלקטרוליטיים מחוברים זה לזה ברצף לשלושה מקרים של קיבול לא קוטבי, כאשר זרם הדליפה משתנה עם עליית המתח המופעל.

1. מתח קדמי וזרם דליפה

הזרם הזורם דרך הקבל נמדד על ידי חיבור נגד בטור. בתוך טווח סבילות המתח של הקבל האלקטרוליטי (1000uF, 16V), המתח המופעל עולה בהדרגה מ-0V כדי למדוד את הקשר בין זרם הדליפה והמתח המתאימים.

(קיבול טורי חיובי)

האיור הבא מציג את הקשר בין זרם הדליפה למתח של קבל אלקטרוליטי מאלומיניום פולארי, שהוא קשר לא ליניארי כאשר זרם הדליפה נמוך מ-0.5 מיליאמפר.

(הקשר בין מתח לזרם לאחר הטור קדימה)

2, מתח הפוך וזרם דליפה

באמצעות אותו זרם למדידת הקשר בין מתח הכיוון המופעל לבין זרם הדליפה של הקבל האלקטרוליטי, ניתן לראות מהאיור למטה שכאשר המתח ההפוך המופעל עולה על 4 וולט, זרם הדליפה מתחיל לעלות במהירות. משיפוע העקומה הבאה, הקיבול האלקטרוליטי ההפוך שווה ערך להתנגדות של 1 אוהם.

(מתח הפוך - הקשר בין מתח לזרם)

3. קבלים טוריים גב אל גב

שני קבלים אלקטרוליטיים זהים (1000uF, 16V) מחוברים גב אל גב בטור ליצירת קבל אלקטרוליטי שווה ערך לא קוטבי, ולאחר מכן נמדדת עקומת הקשר בין המתח לזרם הדליפה שלהם.

(קיבול סדרת קוטביות חיובית ושלילית)

התרשים הבא מציג את הקשר בין מתח הקבל לזרם הדליפה, וניתן לראות שזרם הדליפה עולה לאחר שהמתח המופעל עולה על 4V, ומשרעת הזרם קטנה מ-1.5mA.

והמדידה הזו קצת מפתיעה, כי רואים שזרם הדליפה של שני קבלים טוריים אלה, המחוברים זה לזה, גדול למעשה מזרם הדליפה של קבל בודד כאשר המתח מופעל קדימה.

(הקשר בין מתח לזרם לאחר סדרה חיובית ושלילית)

עם זאת, עקב סיבות זמן, לא בוצעה בדיקה חוזרת לתופעה זו. ייתכן שאחד הקבלים ששימשו היה הקבל של בדיקת המתח ההפוך כרגע, ונגרם נזק בפנים, ולכן נוצרה עקומת הבדיקה הנ"ל.