1. Condensatori elettrolitici
I condensatori elettrolitici sono condensatori formati dallo strato di ossidazione sull'elettrodo attraverso l'azione dell'elettrolita come strato isolante, che solitamente ha una capacità elevata. L'elettrolita è un materiale liquido, gelatinoso, ricco di ioni e la maggior parte dei condensatori elettrolitici sono polari, ovvero, durante il funzionamento, la tensione dell'elettrodo positivo del condensatore deve essere sempre superiore a quella negativa.
L'elevata capacità dei condensatori elettrolitici viene sacrificata anche in favore di molte altre caratteristiche, come l'elevata corrente di dispersione, l'elevata induttanza e resistenza in serie equivalente, un elevato errore di tolleranza e una breve durata.
Oltre ai condensatori elettrolitici polari, esistono anche condensatori elettrolitici non polari. Nella figura sottostante, sono mostrati due tipi di condensatori elettrolitici da 1000 uF e 16 V. Tra questi, il più grande è non polare, mentre il più piccolo è polare.
(Condensatori elettrolitici polari e non polari)
L'interno del condensatore elettrolitico può essere costituito da un elettrolita liquido o da un polimero solido, e il materiale dell'elettrodo è comunemente alluminio (Aluminium) o tantalio (Tandalum). Quello che segue è un comune condensatore elettrolitico polare in alluminio. All'interno della struttura, tra i due strati di elettrodi è presente uno strato di carta in fibra imbevuto di elettrolita, più uno strato di carta isolante a forma di cilindro, sigillato nel guscio di alluminio.
(Struttura interna del condensatore elettrolitico)
Sezionando il condensatore elettrolitico, è possibile osservarne chiaramente la struttura di base. Per evitare l'evaporazione e la fuoriuscita dell'elettrolita, il perno del condensatore è fissato con una guarnizione in gomma.
Naturalmente, la figura mostra anche la differenza di volume interno tra condensatori elettrolitici polari e non polari. A parità di capacità e livello di tensione, il condensatore elettrolitico non polare è circa il doppio di quello polare.
(Struttura interna dei condensatori elettrolitici polari e non polari)
Questa differenza deriva principalmente dalla grande differenza nell'area degli elettrodi all'interno dei due condensatori. L'elettrodo del condensatore non polare si trova a sinistra e quello polare a destra. Oltre alla differenza di area, anche lo spessore dei due elettrodi è diverso, e lo spessore dell'elettrodo del condensatore polare è più sottile.
(Lamiera di alluminio per condensatori elettrolitici di diversa larghezza)
2. Esplosione del condensatore
Quando la tensione applicata dal condensatore supera la sua tensione di tenuta, o quando la polarità della tensione del condensatore elettrolitico polare viene invertita, la corrente di dispersione del condensatore aumenta bruscamente, con conseguente aumento del calore interno del condensatore e l'elettrolita produce una grande quantità di gas.
Per evitare l'esplosione del condensatore, sulla parte superiore dell'alloggiamento del condensatore sono presenti tre scanalature, in modo che la parte superiore del condensatore possa rompersi facilmente sotto alta pressione e rilasciare la pressione interna.
(Serbatoio di sabbiatura nella parte superiore del condensatore elettrolitico)
Tuttavia, in alcuni condensatori, durante il processo di produzione, la pressione della scanalatura superiore non è qualificata, la pressione all'interno del condensatore farà sì che la gomma di tenuta nella parte inferiore del condensatore venga espulsa, in questo momento la pressione all'interno del condensatore viene improvvisamente rilasciata, formando un'esplosione.
1, esplosione del condensatore elettrolitico non polare
La figura seguente mostra un condensatore elettrolitico apolare con una capacità di 1000 uF e una tensione di 16 V. Quando la tensione applicata supera i 18 V, la corrente di dispersione aumenta improvvisamente e la temperatura e la pressione all'interno del condensatore aumentano. Alla fine, la guarnizione in gomma sul fondo del condensatore si apre e gli elettrodi interni si staccano come popcorn.
(sovratensione del condensatore elettrolitico non polare)
Collegando una termocoppia a un condensatore, è possibile misurare il processo attraverso il quale la temperatura del condensatore varia all'aumentare della tensione applicata. La figura seguente mostra un condensatore non polare durante il processo di aumento della tensione; quando la tensione applicata supera il valore della tensione di tenuta, la temperatura interna continua ad aumentare.
(Relazione tra tensione e temperatura)
La figura seguente mostra la variazione della corrente che scorre attraverso il condensatore durante lo stesso processo. Si può notare che l'aumento di corrente è la causa principale dell'aumento della temperatura interna. In questo processo, la tensione aumenta linearmente e, con un brusco aumento della corrente, il gruppo di alimentazione provoca una caduta di tensione. Infine, quando la corrente supera i 6 A, il condensatore esplode con un forte botto.
(Relazione tra tensione e corrente)
A causa dell'elevato volume interno del condensatore elettrolitico non polare e della quantità di elettrolita, la pressione generata dopo il traboccamento è enorme, impedendo la rottura del serbatoio di sicurezza nella parte superiore del guscio e l'apertura della guarnizione in gomma nella parte inferiore del condensatore.
2, esplosione del condensatore elettrolitico polare
Ai condensatori elettrolitici polari viene applicata una tensione. Quando la tensione supera la tensione di tenuta del condensatore, anche la corrente di dispersione aumenta bruscamente, causando il surriscaldamento e l'esplosione del condensatore.
La figura seguente mostra il condensatore elettrolitico di limitazione, che ha una capacità di 1000 uF e una tensione di 16 V. Dopo la sovratensione, la pressione interna viene rilasciata attraverso il serbatoio di scarico della pressione superiore, evitando così l'esplosione del condensatore.
La figura seguente mostra come la temperatura del condensatore varia all'aumentare della tensione applicata. Man mano che la tensione si avvicina gradualmente alla tensione di tenuta del condensatore, la corrente residua del condensatore aumenta e la temperatura interna continua a salire.
(Relazione tra tensione e temperatura)
La figura seguente mostra la variazione della corrente di dispersione del condensatore, un condensatore elettrolitico da 16 V nominale, nel processo di prova, quando la tensione supera i 15 V, la corrente di dispersione del condensatore inizia ad aumentare bruscamente.
(Relazione tra tensione e corrente)
Attraverso il processo sperimentale dei primi due condensatori elettrolitici, si può anche osservare il limite di tensione di tali condensatori elettrolitici ordinari da 1000 uF. Per evitare guasti ad alta tensione del condensatore, quando si utilizza un condensatore elettrolitico, è necessario lasciare un margine sufficiente in base alle fluttuazioni di tensione effettive.
3,condensatori elettrolitici in serie
Se opportuno, è possibile ottenere una maggiore capacità e una maggiore tensione di tenuta alla capacità tramite collegamento in parallelo e in serie, rispettivamente.
(popcorn del condensatore elettrolitico dopo l'esplosione da sovrapressione)
In alcune applicazioni, la tensione applicata al condensatore è una tensione alternata, come nei condensatori di accoppiamento degli altoparlanti, nella compensazione di fase della corrente alternata, nei condensatori di sfasamento del motore, ecc., che richiedono l'uso di condensatori elettrolitici non polari.
Nel manuale d'uso fornito da alcuni produttori di condensatori, viene anche specificato che i condensatori polari tradizionali vengono utilizzati in serie back-to-back, ovvero due condensatori in serie, ma con polarità opposta, per ottenere l'effetto dei condensatori non polari.
(capacità elettrolitica dopo esplosione di sovratensione)
Di seguito è riportato un confronto del condensatore polare nell'applicazione di tensione diretta, tensione inversa, due condensatori elettrolitici in serie consecutivi in tre casi di capacità non polare, la corrente di dispersione cambia con l'aumento della tensione applicata.
1. Tensione diretta e corrente di dispersione
La corrente che scorre attraverso il condensatore viene misurata collegando un resistore in serie. Entro l'intervallo di tolleranza della tensione del condensatore elettrolitico (1000 uF, 16 V), la tensione applicata viene gradualmente aumentata da 0 V per misurare la relazione tra la corrente di dispersione corrispondente e la tensione.
(capacità in serie positiva)
La figura seguente mostra la relazione tra la corrente di dispersione e la tensione di un condensatore elettrolitico polare in alluminio, che è una relazione non lineare con la corrente di dispersione inferiore a 0,5 mA.
(La relazione tra tensione e corrente dopo la serie diretta)
2, tensione inversa e corrente di dispersione
Utilizzando la stessa corrente per misurare la relazione tra la tensione direzionale applicata e la corrente di dispersione del condensatore elettrolitico, si può osservare dalla figura sottostante che quando la tensione inversa applicata supera i 4 V, la corrente di dispersione inizia ad aumentare rapidamente. Dalla pendenza della curva seguente, la capacità elettrolitica inversa è equivalente a una resistenza di 1 ohm.
(Relazione tra tensione e corrente inversa)
3. Condensatori in serie back-to-back
Due condensatori elettrolitici identici (1000uF, 16V) vengono collegati in serie uno contro l'altro per formare un condensatore elettrolitico equivalente non polare, quindi viene misurata la curva di relazione tra la loro tensione e la corrente di dispersione.
(capacità in serie con polarità positiva e negativa)
Il diagramma seguente mostra la relazione tra la tensione del condensatore e la corrente di dispersione; si può notare che la corrente di dispersione aumenta dopo che la tensione applicata supera i 4 V e che l'ampiezza della corrente è inferiore a 1,5 mA.
Questa misurazione è un po' sorprendente, perché si vede che la corrente di dispersione di questi due condensatori in serie consecutivi è in realtà maggiore della corrente di dispersione di un singolo condensatore quando la tensione viene applicata in avanti.
(La relazione tra tensione e corrente dopo serie positiva e negativa)
Tuttavia, per motivi di tempo, non è stato possibile ripetere il test per questo fenomeno. Forse uno dei condensatori utilizzati era quello del test di tensione inversa di poco fa, e al suo interno era danneggiato, quindi è stata generata la curva di prova sopra riportata.
Data di pubblicazione: 25-lug-2023
