電解電容為什么會爆炸

打開一個普通的 LED 燈泡，您會經常發現一個電解電容器在交流線路的輸入中占據了一個位置。雖然照明級 LED 的使用壽命通常超過 10,000 小時，但其底座中的電解帽可能不會持續那么久。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負極端子上的信號時才能正常工作。對極性的敏感性是由于蓋子的結構而產生的。

最常見的電解蓋是鋁電解蓋。它的陽極電極（+）是一塊表面經過蝕刻的純鋁箔。薄的氧化鋁絕緣層充當電容器的電介質。非固體電解質覆蓋在氧化層的粗糙表面，原則上用作陰極（-）。稱為“陰極箔”的第二個鋁箔接觸電解質并用作與陰極的電連接。整個組件卷起來形成獨特的圓柱形定義電解。

需要注意的一點是，在電解槽中對陽極材料施加正電壓會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。在粗糙的陽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。電解質用于此目的。

電介質的厚度很薄，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。但超過最大電壓規格會使電容器看起來像短路。YouTube 上可供觀看的爆炸電容器的數量證明了這一結果可以成為一個值得注意的視頻。

這就是極性的來源：施加錯誤極性的信號會阻止氧化層的形成。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。點擊圖片放大。

當然，功能正常的應用電路會向其使用的電解帽提供正確極性的信號。縮短電解帽壽命的最常見罪魁禍首是熱量。額定在 25°C 下可工作 10,000 小時的電容器將在更高溫度下使用時降額 - 它在 85°C 下的額定工作時間可能僅為 1,000 小時，在 105°C 下甚至更少。熱量通常會蒸發電解質并降低電容。此外，當電解帽處于反復快速充電和放電的電路中時，它會變熱。并且高溫引起的性能變化是暫時的，一旦電容器恢復到正常溫度（假設它沒有被過熱損壞），規格表性能就會重新出現。

另一個縮短電解電容壽命的臭名昭著的因素是電容承受的紋波電流。紋波電流在經常使用電解電容的電源調節器電路中很常見。出于復雜的電化學原因，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，還有專門設計用于處理高紋波電流的電解帽。

不幸的是，供應鏈問題也會影響瓶蓋性能。采購渠道中，不合格或徹頭徹尾的假冒零件越來越普遍。制造一個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，即使是高質量電解電容器的電容也會隨著時間的推移而偏離標稱值。指定較大的公差并不罕見，通常為 20%。因此，預計標稱電容為 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。關于不合格或假冒瓶蓋隨時間的耐受性，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 時的值。在高于和低于 20°C 的溫度下，電容會降低。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。電容在高頻時較低，損耗角的正切在高頻時較高。電容器阻抗通常表示為 20°C 和 100 kHz 時的值。阻抗在較低頻率下會更高。

儲存條件也會影響電解帽的性能。鋁電解電容器如果長時間存放，其漏電流會增加。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應該考慮電容電流的初始增加。通常的技術是將保護電路與電容并聯。

用于電解電容器的包裝示例。這些來自 Nichicon 的封裝在過熱時通過橡膠層排出氣體。

蓋子本身的包裝可能會導致問題。請注意，電容器外殼和陰極端子之間沒有隔離。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口，這些通風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。最好找出通風口的位置并在其上方留出空間。

最后，串聯或并聯連接的電容器的細微差別可能會導致問題。例如，并聯電容器之間的電流可能不均衡。在電源中，一個結果可能是一個或多個電容的紋波電流過大。類似地，當兩個或多個電容器串聯連接時，必須考慮施加電壓的平衡，以便施加到每個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電容器并聯的分壓電阻器。