เหตุใดตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจึงระเบิด? คำที่ต้องเข้าใจ!

1. ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า 

ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าเป็นตัวเก็บประจุที่เกิดจากชั้นออกซิเดชันบนอิเล็กโทรดผ่านการกระทำของอิเล็กโทรไลต์เป็นชั้นฉนวน ซึ่งมักจะมีความจุขนาดใหญ่ อิเล็กโทรไลต์เป็นวัสดุคล้ายเจลลี่ที่เป็นของเหลวซึ่งอุดมไปด้วยไอออน และตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าส่วนใหญ่จะมีขั้ว นั่นคือเมื่อทำงาน แรงดันไฟฟ้าของอิเล็กโทรดขั้วบวกของตัวเก็บประจุจะต้องสูงกว่าแรงดันลบเสมอ

ความจุสูงของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ายังถูกเสียสละเพื่อคุณสมบัติอื่นๆ มากมาย เช่น มีกระแสรั่วไหลขนาดใหญ่ การเหนี่ยวนำและความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่ากันขนาดใหญ่ ข้อผิดพลาดที่ยอมรับได้มาก และอายุการใช้งานสั้น

นอกจากตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบมีขั้วแล้ว ยังมีตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบไม่มีขั้วอีกด้วย ในรูปด้านล่าง มีตัวเก็บประจุไฟฟ้า 1000uF, 16V สองชนิด ในหมู่พวกเขาที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นไม่มีขั้วและที่เล็กกว่านั้นก็มีขั้ว

(ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบไม่มีขั้วและแบบมีขั้ว)

ด้านในของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าอาจเป็นอิเล็กโทรไลต์เหลวหรือโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง และวัสดุอิเล็กโทรดโดยทั่วไปคืออะลูมิเนียม (อะลูมิเนียม) หรือแทนทาลัม (แทนดาลัม) ต่อไปนี้เป็นตัวเก็บประจุอิเล็กโทรลีติคอลูมิเนียมโพลาร์ทั่วไปภายในโครงสร้าง ระหว่างอิเล็กโทรดสองชั้นจะมีชั้นของกระดาษไฟเบอร์แช่ในอิเล็กโทรไลต์ บวกกับชั้นของกระดาษฉนวนที่กลายเป็นทรงกระบอกปิดผนึกในเปลือกอลูมิเนียม

(โครงสร้างภายในของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า)

การแยกส่วนตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าทำให้มองเห็นโครงสร้างพื้นฐานได้ชัดเจน เพื่อป้องกันการระเหยและการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ ส่วนพินคาปาซิเตอร์จะถูกยึดด้วยยางซีล

แน่นอนว่ารูปนี้ยังแสดงให้เห็นความแตกต่างของปริมาตรภายในระหว่างตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบมีขั้วและแบบไม่มีขั้วด้วย ที่ความจุและระดับแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบไม่มีขั้วจะมีขนาดใหญ่กว่าตัวเก็บประจุแบบขั้วประมาณสองเท่า

(โครงสร้างภายในของตัวเก็บประจุไฟฟ้าแบบไม่มีขั้วและขั้ว)

ความแตกต่างนี้ส่วนใหญ่มาจากความแตกต่างอย่างมากในพื้นที่ของอิเล็กโทรดภายในตัวเก็บประจุสองตัว อิเล็กโทรดตัวเก็บประจุที่ไม่มีขั้วอยู่ทางด้านซ้ายและอิเล็กโทรดมีขั้วอยู่ทางด้านขวา นอกจากความแตกต่างของพื้นที่แล้ว ความหนาของอิเล็กโทรดทั้งสองยังแตกต่างกัน และความหนาของอิเล็กโทรดตัวเก็บประจุแบบขั้วจะบางลง

(แผ่นอลูมิเนียมตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าที่มีความกว้างต่างกัน)

2. การระเบิดของตัวเก็บประจุ

เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้โดยตัวเก็บประจุเกินแรงดันไฟฟ้าที่ทนได้ หรือเมื่อขั้วของแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบโพลาร์อิเล็กโทรลีติคกลับด้าน กระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ความร้อนภายในของตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้นและอิเล็กโทรไลต์ จะผลิตก๊าซปริมาณมาก

เพื่อป้องกันการระเบิดของตัวเก็บประจุ จึงมีร่องสามช่องกดที่ด้านบนของตัวเรือนตัวเก็บประจุ เพื่อให้ด้านบนของตัวเก็บประจุแตกง่ายภายใต้แรงดันสูงและปล่อยแรงดันภายใน

(ถังระเบิดที่ด้านบนของตัวเก็บประจุไฟฟ้า)

อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุบางตัวในกระบวนการผลิต การกดร่องด้านบนไม่ผ่านการรับรอง ความดันภายในตัวเก็บประจุจะทำให้ยางซีลที่ด้านล่างของตัวเก็บประจุถูกดีดออกมา ในเวลานี้ ความดันภายในตัวเก็บประจุจะถูกปล่อยออกมาอย่างกะทันหัน จะก่อตัว การระเบิด

1 การระเบิดของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบไม่มีขั้ว

รูปด้านล่างแสดงตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบไม่มีขั้วซึ่งมีความจุ 1,000uF และแรงดันไฟฟ้า 16V หลังจากที่แรงดันไฟฟ้าที่ใช้เกิน 18V กระแสรั่วไหลจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน และอุณหภูมิและความดันภายในตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้น ในที่สุด ซีลยางที่ด้านล่างของตัวเก็บประจุก็เปิดออก และอิเล็กโทรดภายในก็ถูกทุบให้หลวมเหมือนป๊อปคอร์น

(การระเบิดด้วยแรงดันไฟฟ้าเกินของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบไม่มีขั้ว)

โดยการผูกเทอร์โมคัปเปิลเข้ากับตัวเก็บประจุ ทำให้สามารถวัดกระบวนการที่อุณหภูมิของตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงไปเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เพิ่มขึ้น รูปต่อไปนี้แสดงตัวเก็บประจุที่ไม่มีขั้วในกระบวนการเพิ่มแรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เกินค่าแรงดันไฟฟ้าทน อุณหภูมิภายในยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและอุณหภูมิ)

รูปด้านล่างแสดงการเปลี่ยนแปลงของกระแสที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุในระหว่างกระบวนการเดียวกัน จะเห็นได้ว่ากระแสที่เพิ่มขึ้นเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้อุณหภูมิภายในเพิ่มขึ้น ในกระบวนการนี้ แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง และเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว กลุ่มแหล่งจ่ายไฟจะทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลง สุดท้ายเมื่อกระแสเกิน 6A ตัวเก็บประจุจะระเบิดเสียงดังปัง

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแส)

เนื่องจากปริมาตรภายในขนาดใหญ่ของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบไม่มีขั้วและปริมาณของอิเล็กโทรไลต์ ความดันที่เกิดขึ้นหลังจากการล้นจึงมีมาก ส่งผลให้ถังระบายแรงดันที่ด้านบนของเปลือกไม่แตกหัก และยางซีลที่ด้านล่าง ของคาปาซิเตอร์ถูกเปิดออก

2 การระเบิดของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าขั้วโลก 

สำหรับตัวเก็บประจุแบบโพลาร์อิเล็กโทรลีติคจะใช้แรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินแรงดันไฟฟ้าทนของตัวเก็บประจุ กระแสไฟรั่วก็จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน ทำให้ตัวเก็บประจุร้อนเกินไปและระเบิด

รูปด้านล่างแสดงลิมิตตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ซึ่งมีความจุ 1,000uF และแรงดันไฟฟ้า 16V หลังจากแรงดันไฟฟ้าเกิน กระบวนการแรงดันภายในจะถูกปล่อยผ่านถังระบายแรงดันด้านบน เพื่อหลีกเลี่ยงกระบวนการระเบิดของตัวเก็บประจุ

รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงอย่างไรตามการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ เมื่อแรงดันไฟฟ้าค่อยๆ เข้าใกล้แรงดันไฟฟ้าทนของตัวเก็บประจุ กระแสไฟฟ้าตกค้างของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้น และอุณหภูมิภายในยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและอุณหภูมิ)

รูปต่อไปนี้คือการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุ ซึ่งเป็นตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า 16V ที่ระบุ ในกระบวนการทดสอบ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกิน 15V การรั่วไหลของตัวเก็บประจุจะเริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแส)

ผ่านกระบวนการทดลองของตัวเก็บประจุไฟฟ้าสองตัวแรก จะเห็นได้ว่าขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุไฟฟ้าธรรมดาขนาด 1000uF ดังกล่าว เพื่อหลีกเลี่ยงการพังทลายของตัวเก็บประจุไฟฟ้าแรงสูง เมื่อใช้ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า จำเป็นต้องเว้นระยะห่างให้เพียงพอตามความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจริง

3，ตัวเก็บประจุไฟฟ้าแบบอนุกรม

ในกรณีที่เหมาะสม แรงดันไฟฟ้าที่ทนต่อความจุและความจุที่มากขึ้นสามารถรับได้โดยการเชื่อมต่อแบบขนานและแบบอนุกรม ตามลำดับ

(ป๊อปคอร์นตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าหลังจากการระเบิดแรงดันเกิน)

ในการใช้งานบางประเภท แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับตัวเก็บประจุคือแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ เช่น ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งของลำโพง การชดเชยเฟสกระแสสลับ ตัวเก็บประจุแบบเปลี่ยนเฟสของมอเตอร์ ฯลฯ ซึ่งต้องใช้ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบไม่มีขั้ว

ในคู่มือผู้ใช้ที่กำหนดโดยผู้ผลิตตัวเก็บประจุบางราย ยังระบุด้วยว่าการใช้ตัวเก็บประจุแบบโพลาไรซ์แบบเดิมโดยอนุกรมแบบ back-to-back นั่นคือตัวเก็บประจุสองตัวที่ต่ออนุกรมกัน แต่ขั้วอยู่ตรงข้ามกันเพื่อให้ได้ผลของการไม่- ตัวเก็บประจุแบบขั้ว

(ความจุไฟฟ้าหลังจากการระเบิดของแรงดันไฟฟ้าเกิน)

ต่อไปนี้เป็นการเปรียบเทียบตัวเก็บประจุแบบโพลาร์ในการใช้แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า แรงดันย้อนกลับ ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าสองตัวแบบ back-to-back เป็นสามกรณีของความจุแบบไม่มีขั้ว กระแสรั่วไหลจะเปลี่ยนแปลงตามการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้

1. แรงดันไปข้างหน้าและกระแสรั่วไหล

กระแสที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุวัดโดยการเชื่อมต่อตัวต้านทานแบบอนุกรม ภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ยอมรับได้ของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า (1000uF, 16V) แรงดันไฟฟ้าที่ใช้จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจาก 0V เพื่อวัดความสัมพันธ์ระหว่างกระแสรั่วไหลและแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน

(ความจุอนุกรมบวก)

รูปต่อไปนี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสรั่วไหลและแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมโพลาร์ ซึ่งเป็นความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นกับกระแสรั่วไหลที่ต่ำกว่า 0.5mA

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสหลังจากอนุกรมข้างหน้า)

2 แรงดันย้อนกลับและกระแสรั่วไหล

การใช้กระแสเดียวกันในการวัดความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันทิศทางที่ใช้กับกระแสรั่วไหลของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า จะเห็นได้จากรูปด้านล่างว่าเมื่อแรงดันย้อนกลับที่ใช้เกิน 4V กระแสรั่วไหลจะเริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จากความชันของเส้นโค้งต่อไปนี้ ความจุไฟฟ้ารีเวิร์สอิเล็กโทรไลต์จะเท่ากับความต้านทาน 1 โอห์ม

(ความสัมพันธ์แรงดันย้อนกลับระหว่างแรงดันและกระแส)

3. ตัวเก็บประจุแบบ Back-to-back

ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าที่เหมือนกันสองตัว (1000uF, 16V) เชื่อมต่อกันแบบอนุกรมเพื่อสร้างตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าที่ไม่มีขั้วเทียบเท่า จากนั้นจึงวัดเส้นโค้งความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสรั่วไหล

(ความจุชุดขั้วบวกและลบ)

แผนภาพต่อไปนี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุและกระแสรั่วไหล และคุณจะเห็นว่ากระแสรั่วไหลเพิ่มขึ้นหลังจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เกิน 4V และแอมพลิจูดกระแสน้อยกว่า 1.5mA

และการวัดนี้ค่อนข้างน่าประหลาดใจเล็กน้อย เพราะคุณเห็นว่ากระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุซีรีย์เรียงต่อกันสองตัวนี้ จริงๆ แล้วมากกว่ากระแสรั่วไหลของตัวเก็บประจุตัวเดียวเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายไปข้างหน้า

(ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสหลังจากอนุกรมบวกและลบ)

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเหตุผลด้านเวลา จึงไม่มีการทดสอบซ้ำสำหรับปรากฏการณ์นี้ บางทีตัวเก็บประจุตัวหนึ่งที่ใช้อาจเป็นตัวเก็บประจุของการทดสอบแรงดันย้อนกลับและมีความเสียหายภายใน ดังนั้นจึงสร้างเส้นโค้งการทดสอบข้างต้น