ทำไมตัวเก็บประจุไฟฟ้าถึงระเบิด? คำที่ต้องเข้าใจ!

1. ตัวเก็บประจุไฟฟ้า 

ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์คือตัวเก็บประจุที่ก่อตัวขึ้นจากชั้นออกซิเดชันบนอิเล็กโทรด โดยอิเล็กโทรไลต์ทำหน้าที่เป็นชั้นฉนวน ซึ่งโดยทั่วไปจะมีความจุสูง อิเล็กโทรไลต์เป็นวัสดุคล้ายวุ้นเหลวที่อุดมไปด้วยไอออน และตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่มีขั้ว กล่าวคือ เมื่อใช้งาน แรงดันไฟฟ้าของขั้วบวกของตัวเก็บประจุจะต้องสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าของขั้วลบเสมอ

ความจุสูงของตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ยังต้องแลกมาด้วยคุณสมบัติอื่นๆ มากมาย เช่น กระแสไฟรั่วขนาดใหญ่ ความเหนี่ยวนำและความต้านทานแบบอนุกรมเทียบเท่าขนาดใหญ่ ข้อผิดพลาดความคลาดเคลื่อนขนาดใหญ่ และอายุการใช้งานสั้น

นอกจากตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบมีขั้วแล้ว ยังมีตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้วอีกด้วย ในภาพด้านล่าง มีตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ขนาด 1000uF, 16V สองชนิด ตัวเก็บประจุแบบไม่มีขั้วมีขนาดใหญ่กว่า และแบบมีขั้วมีขนาดเล็กกว่า

(ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้วและมีขั้ว)

ภายในตัวเก็บประจุไฟฟ้าอิเล็กโทรไลต์อาจเป็นอิเล็กโทรไลต์เหลวหรือพอลิเมอร์แข็ง และวัสดุอิเล็กโทรดมักเป็นอะลูมิเนียม (Aluminum) หรือแทนทาลัม (Tandalum) ต่อไปนี้คือตัวเก็บประจุไฟฟ้าอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมแบบขั้วร่วม ภายในโครงสร้าง ระหว่างอิเล็กโทรดสองชั้นมีชั้นกระดาษไฟเบอร์ที่แช่ในอิเล็กโทรไลต์ และชั้นกระดาษฉนวนที่ขึ้นรูปเป็นทรงกระบอก ปิดผนึกอยู่ในเปลือกอะลูมิเนียม

(โครงสร้างภายในของตัวเก็บประจุไฟฟ้า)

เมื่อแยกตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ออก จะเห็นโครงสร้างพื้นฐานได้อย่างชัดเจน เพื่อป้องกันการระเหยและการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ หมุดของตัวเก็บประจุจึงถูกยึดด้วยยางซีล

แน่นอนว่าตัวเลขนี้ยังแสดงถึงความแตกต่างของปริมาตรภายในระหว่างตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบมีขั้วและไม่มีขั้วอีกด้วย ที่ระดับความจุและแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้วจะมีขนาดใหญ่กว่าแบบมีขั้วประมาณสองเท่า

(โครงสร้างภายในของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้วและมีขั้ว)

ความแตกต่างนี้ส่วนใหญ่เกิดจากพื้นที่ของอิเล็กโทรดภายในตัวเก็บประจุทั้งสองตัวที่แตกต่างกันอย่างมาก อิเล็กโทรดตัวเก็บประจุแบบไม่มีขั้วจะอยู่ทางด้านซ้าย และอิเล็กโทรดแบบมีขั้วจะอยู่ทางด้านขวา นอกจากความแตกต่างของพื้นที่แล้ว ความหนาของอิเล็กโทรดทั้งสองตัวยังแตกต่างกัน และความหนาของอิเล็กโทรดตัวเก็บประจุแบบมีขั้วก็บางกว่าด้วย

(แผ่นอลูมิเนียมตัวเก็บประจุไฟฟ้าที่มีความกว้างต่างกัน)

2. การระเบิดของตัวเก็บประจุ

เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้โดยตัวเก็บประจุเกินแรงดันไฟฟ้าที่ทนทานได้ หรือเมื่อขั้วของแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบขั้วกลับด้าน กระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ความร้อนภายในตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้น และอิเล็กโทรไลต์จะผลิตก๊าซจำนวนมาก

เพื่อป้องกันการระเบิดของตัวเก็บประจุ จึงมีร่อง 3 ร่องกดไว้ที่ด้านบนของตัวเรือนตัวเก็บประจุ เพื่อให้ด้านบนของตัวเก็บประจุแตกได้ง่ายภายใต้แรงดันสูง และช่วยระบายแรงดันภายใน

(ถังระเบิดที่ด้านบนของตัวเก็บประจุไฟฟ้า)

อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการผลิตตัวเก็บประจุบางตัว การกดร่องด้านบนจะไม่ได้รับการทดสอบ แรงดันภายในตัวเก็บประจุจะทำให้ยางปิดผนึกที่ด้านล่างของตัวเก็บประจุหลุดออก ในเวลานี้ แรงดันภายในตัวเก็บประจุจะถูกปล่อยออกมาอย่างกะทันหัน และอาจก่อให้เกิดการระเบิดได้

1. การระเบิดของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้ว

รูปด้านล่างแสดงตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้วที่มีความจุ 1,000 ไมโครฟาเรนไฮต์ และแรงดันไฟฟ้า 16 โวลต์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกิน 18 โวลต์ กระแสไฟฟ้ารั่วจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน อุณหภูมิและความดันภายในตัวเก็บประจุก็จะเพิ่มขึ้น ในที่สุด ซีลยางที่ด้านล่างของตัวเก็บประจุก็จะแตกออก และอิเล็กโทรดภายในก็หลุดออกเหมือนข้าวโพดคั่ว

(การระเบิดแรงดันไฟเกินของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้ว)

การต่อเทอร์โมคัปเปิลเข้ากับตัวเก็บประจุทำให้สามารถวัดกระบวนการที่อุณหภูมิของตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงไปตามแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายเพิ่มขึ้นได้ ภาพต่อไปนี้แสดงตัวเก็บประจุแบบไม่มีขั้วในกระบวนการเพิ่มแรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายเกินค่าแรงดันไฟฟ้าที่ทนได้ อุณหภูมิภายในจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิ)

ภาพด้านล่างแสดงการเปลี่ยนแปลงของกระแสที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุในระหว่างกระบวนการเดียวกัน จะเห็นได้ว่าการเพิ่มขึ้นของกระแสเป็นสาเหตุหลักของการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิภายใน ในกระบวนการนี้ แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง และเมื่อกระแสเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แรงดันของชุดจ่ายไฟจะลดลง และเมื่อกระแสเกิน 6A ตัวเก็บประจุจะระเบิดดังสนั่น

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า)

เนื่องจากปริมาตรภายในของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้วและปริมาณอิเล็กโทรไลต์ที่มาก แรงดันที่เกิดขึ้นหลังจากการล้นจึงมีมาก ส่งผลให้ถังระบายแรงดันที่ด้านบนของเปลือกไม่แตก และยางปิดผนึกที่ด้านล่างของตัวเก็บประจุก็ถูกพัดเปิดออก

2. การระเบิดของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบขั้ว 

สำหรับตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบมีขั้ว จะมีการใช้แรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินค่าที่ตัวเก็บประจุทนได้ กระแสไฟฟ้ารั่วก็จะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้ตัวเก็บประจุร้อนเกินไปและระเบิด

รูปด้านล่างแสดงตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบจำกัดความจุ ซึ่งมีความจุ 1,000 ไมโครฟาเรนไฮต์ และแรงดันไฟฟ้า 16 โวลต์ หลังจากเกิดแรงดันเกิน กระบวนการระบายแรงดันภายในจะถูกระบายออกทางถังระบายแรงดันด้านบน เพื่อหลีกเลี่ยงการระเบิดของตัวเก็บประจุ

รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เพิ่มขึ้น เมื่อแรงดันไฟฟ้าค่อยๆ เข้าใกล้แรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุทนได้ กระแสตกค้างของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้น และอุณหภูมิภายในก็จะสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิ)

รูปต่อไปนี้คือการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุ ซึ่งเป็นตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ขนาด 16V ในกระบวนการทดสอบ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกิน 15V กระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุจะเริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า)

จากกระบวนการทดลองของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์สองตัวแรก จะเห็นได้ว่าขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ธรรมดาขนาด 1,000 ไมโครฟาเรนไฮต์นั้น เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวเก็บประจุเสียหายจากแรงดันไฟฟ้าสูง เมื่อใช้ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ จำเป็นต้องเผื่อระยะเผื่อให้เพียงพอตามความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าจริง

3，ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์แบบอนุกรม

ในกรณีที่เหมาะสม สามารถรับความจุที่มากขึ้นและทนต่อแรงดันไฟฟ้าได้มากขึ้นโดยการเชื่อมต่อแบบขนานและแบบอนุกรมตามลำดับ

(ตัวเก็บประจุไฟฟ้าป๊อปคอร์นหลังจากการระเบิดของแรงดันเกิน)

ในบางแอปพลิเคชัน แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับตัวเก็บประจุจะเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ เช่น ตัวเก็บประจุแบบมีข้อต่อของลำโพง การชดเชยเฟสกระแสสลับ ตัวเก็บประจุแบบเลื่อนเฟสของมอเตอร์ ฯลฯ ซึ่งจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้ว

ในคู่มือผู้ใช้ที่ให้ไว้โดยผู้ผลิตตัวเก็บประจุบางรายยังระบุด้วยว่าการใช้ตัวเก็บประจุแบบมีขั้วแบบดั้งเดิมโดยการต่อแบบอนุกรมติดต่อกัน นั่นคือ การนำตัวเก็บประจุสองตัวต่ออนุกรมกัน แต่ขั้วตรงข้ามเพื่อให้ได้ผลเช่นเดียวกับตัวเก็บประจุแบบไม่มีขั้ว

(ความจุไฟฟ้าหลังจากการระเบิดของแรงดันไฟเกิน)

ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบตัวเก็บประจุแบบมีขั้วในการประยุกต์ใช้แรงดันไฟฟ้าเดินหน้า แรงดันไฟฟ้าถอยหลัง ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์สองตัวที่ต่ออนุกรมกันเป็นสามกรณีของความจุแบบไม่มีขั้ว โดยกระแสไฟรั่วจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้

1. แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าและกระแสไฟฟ้ารั่วไหล

กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุวัดโดยการต่อตัวต้านทานแบบอนุกรม ภายในช่วงความคลาดเคลื่อนของแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ (1000uF, 16V) แรงดันไฟฟ้าที่ใช้จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจาก 0V เพื่อวัดความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้ารั่วและแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน

(ความจุอนุกรมบวก)

รูปต่อไปนี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟรั่วและแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมแบบมีขั้ว ซึ่งเป็นความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นกับกระแสไฟรั่วที่ต่ำกว่า 0.5mA

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสไฟฟ้าหลังการต่ออนุกรมไปข้างหน้า)

2. แรงดันย้อนกลับและกระแสไฟรั่ว

การใช้กระแสไฟฟ้าเดียวกันนี้เพื่อวัดความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับทิศทางและกระแสไฟฟ้ารั่วของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ จะเห็นได้จากรูปด้านล่างว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับที่จ่ายให้มีค่าเกิน 4V กระแสไฟฟ้ารั่วจะเริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จากความชันของเส้นโค้งต่อไปนี้ ความจุอิเล็กโทรไลต์ย้อนกลับมีค่าเท่ากับความต้านทาน 1 โอห์ม

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสไฟฟ้าแบบย้อนกลับ)

3. ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมต่ออนุกรม

ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ที่เหมือนกันสองตัว (1000uF, 16V) จะถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมติดกันเพื่อสร้างตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์เทียบเท่าที่ไม่มีขั้ว จากนั้นจึงวัดเส้นโค้งความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้ารั่ว

(ความจุแบบอนุกรมขั้วบวกและขั้วลบ)

แผนภาพต่อไปนี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุและกระแสไฟฟ้ารั่วไหล และคุณจะเห็นว่ากระแสไฟฟ้ารั่วไหลเพิ่มขึ้นหลังจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เกิน 4V และแอมพลิจูดของกระแสไฟฟ้าน้อยกว่า 1.5mA

และการวัดนี้ค่อนข้างน่าประหลาดใจ เพราะคุณจะเห็นว่ากระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุแบบอนุกรมสองตัวนี้มีค่ามากกว่ากระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุตัวเดียวเมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสไฟฟ้าหลังอนุกรมบวกและลบ)

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเหตุผลด้านเวลา จึงไม่มีการทดสอบซ้ำสำหรับปรากฏการณ์นี้ บางทีตัวเก็บประจุตัวหนึ่งที่ใช้ทดสอบแรงดันย้อนกลับเมื่อครู่นี้ อาจเกิดความเสียหายภายใน จึงเกิดเส้นโค้งการทดสอบดังที่กล่าวข้างต้น