מדוע קבלים אלקטרוליטיים מתפוצצים? מילה להבין!

1. קבלים אלקטרוליטיים 

קבלים אלקטרוליטים הם קבלים הנוצרים משכבת ​​החמצון על האלקטרודה באמצעות פעולת האלקטרוליט כשכבה מבודדת, שבדרך כלל יש לה קיבולת גדולה. האלקטרוליט הוא חומר נוזלי, דמוי ג'לי, עשיר ביונים, ורוב הקבלים האלקטרוליטים הם קוטביים, כלומר, בעת עבודה, המתח של האלקטרודה החיובית של הקבל צריך להיות תמיד גבוה מהמתח השלילי.

הקיבולת הגבוהה של קבלים אלקטרוליטיים מוקרבת גם עבור מאפיינים רבים אחרים, כגון זרם דליפה גדול, השראות והתנגדות מקבילה בסדרה גדולה, שגיאת סובלנות גדולה וחיים קצרים.

מלבד קבלים אלקטרוליטיים קוטביים, ישנם גם קבלים אלקטרוליטיים לא קוטביים. באיור למטה, ישנם שני סוגים של קבלים אלקטרוליטיים 1000uF, 16V. ביניהם, הגדול יותר אינו קוטבי, והקטן הוא קוטבי.

(קבלים אלקטרוליטיים לא קוטביים וקוטביים)

החלק הפנימי של הקבל האלקטרוליטי עשוי להיות אלקטרוליט נוזלי או פולימר מוצק, וחומר האלקטרודה הוא בדרך כלל אלומיניום (אלומיניום) או טנטלום (טנדאלום). להלן קבל אלקטרוליטי אלומיניום קוטבי נפוץ בתוך המבנה, בין שתי שכבות האלקטרודות ישנה שכבת נייר סיבים ספוג באלקטרוליט, בתוספת שכבת נייר בידוד שהופכת לגליל, אטומה במעטפת האלומיניום.

(מבנה פנימי של קבל אלקטרוליטי)

מנתח את הקבל האלקטרוליטי, ניתן לראות בבירור את המבנה הבסיסי שלו. על מנת למנוע את האידוי והדליפה של האלקטרוליט, חלק סיכת הקבל מקובע בגומי איטום.

כמובן, האיור מציג גם את ההבדל בנפח הפנימי בין קבלים אלקטרוליטיים קוטביים ובלתי קוטביים. באותה קיבולת ורמת מתח, הקבל האלקטרוליטי הלא קוטבי גדול בערך פי שניים מזה הקוטבי.

(מבנה פנימי של קבלים אלקטרוליטיים לא קוטביים וקוטביים)

ההבדל הזה נובע בעיקר מההבדל הגדול בשטח האלקטרודות בתוך שני הקבלים. אלקטרודת הקבלים הלא קוטביים נמצאת משמאל והאלקטרודה הקוטבית מימין. בנוסף להבדל השטח, גם העובי של שתי האלקטרודות שונה, ועובי אלקטרודת הקבלים הקוטביים דק יותר.

(דף אלומיניום קבלים אלקטרוליטי ברוחב שונה)

2. פיצוץ קבלים

כאשר המתח המופעל על ידי הקבל חורג ממתח העמידות שלו, או כאשר הקוטביות של המתח של הקבל האלקטרוליטי הקוטבי מתהפכת, זרם דליפת הקבל יעלה בחדות, וכתוצאה מכך לעלייה בחום הפנימי של הקבל, ובאלקטרוליט. יפיק כמות גדולה של גז.

על מנת למנוע פיצוץ קבלים, ישנם שלושה חריצים הנלחצים בחלק העליון של בית הקבל, כך שקל לשבור את חלקו העליון של הקבל בלחץ גבוה ולשחרר את הלחץ הפנימי.

(טנק פיצוץ בחלק העליון של הקבל האלקטרוליטי)

עם זאת, חלק מהקבלים בתהליך הייצור, לחיצת החריץ העליון אינו מוסמך, הלחץ בתוך הקבל יגרום לגומי האיטום בתחתית הקבל להיפלט, בזמן זה הלחץ בתוך הקבל משתחרר לפתע, יווצר פיצוץ.

1, פיצוץ קבלים 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 הזליגה גדל לפתע, והטמפרטורה והלחץ בתוך הקבל עולים. בסופו של דבר, אטם הגומי בתחתית הקבל מתפרץ, והאלקטרודות הפנימיות מתנפצות כמו פופקורן.

(התפוצצות מתח יתר של קבלים אלקטרוליטיים לא קוטביים)

על ידי קשירת צמד תרמי לקבל, ניתן למדוד את התהליך שבו הטמפרטורה של הקבל משתנה ככל שהמתח המופעל עולה. האיור הבא מציג את הקבל הלא קוטבי בתהליך עליית המתח, כאשר המתח המופעל עולה על ערך המתח העמיד, הטמפרטורה הפנימית ממשיכה לעלות בתהליך.

(קשר בין מתח וטמפרטורה)

האיור שלהלן מציג את השינוי בזרם הזורם דרך הקבל במהלך אותו תהליך. ניתן לראות שהעלייה בזרם היא הסיבה העיקרית לעלייה בטמפרטורה הפנימית. בתהליך זה, המתח גדל באופן ליניארי, וכשהזרם עולה בחדות, קבוצת אספקת החשמל גורמת לירידה במתח. לבסוף, כאשר הזרם עולה על 6A, הקבל מתפוצץ בחבטה חזקה.

(קשר בין מתח לזרם)

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

2, פיצוץ קבלים אלקטרוליטי קוטבי 

עבור קבלים אלקטרוליטיים קוטביים, מופעל מתח. כאשר המתח עולה על מתח העמידות של הקבל, גם זרם הזליגה יעלה בחדות, ויגרום 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 הפחתת הלחץ העליון, כך שתהליך פיצוץ הקבל נמנע.

האיור הבא מראה כיצד הטמפרטורה של הקבל משתנה עם עליית המתח המופעל. כאשר המתח מתקרב בהדרגה למתח העמידות של הקבל, הזרם השיורי של הקבל גדל והטמפרטורה הפנימית ממשיכה לעלות.

(קשר בין מתח וטמפרטורה)

האיור הבא הוא השינוי של זרם הזליגה של הקבל, הקבל האלקטרוליטי הנומינלי 16V, בתהליך הבדיקה, כאשר המתח עולה על 15V, הדליפה של הקבל מתחילה לעלות בחדות.

(קשר בין מתח לזרם)

דרך התהליך הניסיוני של שני הקבלים האלקטרוליטיים הראשונים, ניתן גם לראות כי מגבלת המתח של קבלים אלקטרוליטיים רגילים כאלה של 1000uF. על מנת למנוע התמוטטות במתח גבוה של הקבל, בעת שימוש בקבל האלקטרוליטי, יש צורך להשאיר מספיק מרווח בהתאם לתנודות המתח בפועל.

3,קבלים אלקטרוליטיים בסדרה

היכן שמתאים, ניתן להשיג קיבול רב יותר ומתח עמיד יותר בקיבול על ידי חיבור מקביל וסדרתי, בהתאמה.

(פופקורן קבלים אלקטרוליטי לאחר פיצוץ לחץ יתר)

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

במדריך למשתמש שניתן על ידי חלק מיצרני הקבלים, מצוין גם שהשימוש בקבלים קוטביים מסורתיים על ידי סדרות גב אל גב, כלומר שני קבלים בסדרה יחד, אך הקוטביות הפוכה כדי לקבל את ההשפעה של אי- קבלים קוטביים.

(קיבול אלקטרוליטי לאחר פיצוץ מתח יתר)

להלן השוואה של הקבל הקוטבי ביישום של מתח קדימה, מתח הפוך, שני קבלים אלקטרוליטיים גב אל גב לשלושה מקרים של קיבול לא קוטבי, זרם דליפה משתנה עם עליית המתח המופעל.

1. מתח קדימה וזרם דליפה

הזרם הזורם דרך הקבל נמדד על ידי חיבור נגד בסדרה. בתוך טווח סובלנות המתח של הקבל האלקטרוליטי (1000uF, 16V), המתח המופעל מוגדל בהדרגה מ-0V כדי למדוד את הקשר בין זרם הזליגה למתח המקביל.

(קיבול סדרה חיובי)

האיור הבא מציג את הקשר בין זרם הדליפה למתח של קבל אלקטרוליטי קוטבי מאלומיניום, שהוא קשר לא ליניארי עם זרם הדליפה מתחת ל-0.5mA.

(הקשר בין מתח לזרם לאחר הסדרה קדימה)

2, מתח הפוך וזרם דליפה

שימוש באותו זרם כדי למדוד את הקשר בין מתח הכיוון המופעל לזרם זליגת הקבלים האלקטרוליטי, ניתן לראות מהאיור למטה שכאשר המתח ההפוך המופעל עולה על 4V, זרם הזליגה מתחיל לעלות במהירות. מהשיפוע של העקומה הבאה, הקיבול האלקטרוליטי ההפוך שווה ערך להתנגדות של 1 אוהם.

(קשר מתח הפוך בין מתח לזרם)

3. קבלים מסדרת גב אל גב

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

(קיבול סדרות קוטביות חיוביות ושליליות)

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

והמדידה הזו קצת מפתיעה, כי אתה רואה שזרם הדליפה של שני קבלים מסדרת גב אל גב אלה למעשה גדול יותר מזרם הדליפה של קבל בודד כאשר המתח מופעל קדימה.

(הקשר בין מתח לזרם לאחר סדרות חיוביות ושליליות)

עם זאת, מסיבות זמן, לא הייתה בדיקה חוזרת לתופעה זו. אולי אחד הקבלים שבהם נעשה שימוש היה הקבל של בדיקת המתח ההפוכה כרגע, והיה נזק בפנים, אז נוצרה עקומת הבדיקה הנ"ל.