1. Condensateurs électrolytiques
Les condensateurs électrolytiques sont des condensateurs formés par la couche d'oxydation de l'électrode, sous l'action de l'électrolyte comme couche isolante, généralement de grande capacité. L'électrolyte est un matériau liquide, gélatineux et riche en ions. La plupart des condensateurs électrolytiques sont polaires ; en fonctionnement, la tension de l'électrode positive doit toujours être supérieure à la tension négative.
La grande capacité des condensateurs électrolytiques est également sacrifiée au profit de nombreuses autres caractéristiques, telles qu'un courant de fuite important, une grande inductance et résistance série équivalente, une grande erreur de tolérance et une courte durée de vie.
Outre les condensateurs électrolytiques polaires, il existe également des condensateurs électrolytiques apolaires. La figure ci-dessous présente deux types de condensateurs électrolytiques de 1 000 µF et 16 V. Le plus grand est apolaire, le plus petit est polaire.
(Condensateurs électrolytiques non polaires et polaires)
L'intérieur d'un condensateur électrolytique peut être constitué d'un électrolyte liquide ou d'un polymère solide, et le matériau des électrodes est généralement l'aluminium ou le tantale. L'exemple suivant illustre un condensateur électrolytique polaire en aluminium courant. Entre les deux couches d'électrodes se trouvent une couche de papier fibreux imbibé d'électrolyte, ainsi qu'une couche de papier isolant cylindrique, scellée dans la coque en aluminium.
(Structure interne du condensateur électrolytique)
En décomposant le condensateur électrolytique, sa structure de base est clairement visible. Afin d'éviter l'évaporation et les fuites d'électrolyte, les broches du condensateur sont fixées avec du caoutchouc d'étanchéité.
Bien entendu, la figure illustre également la différence de volume interne entre les condensateurs électrolytiques polaires et non polaires. À capacité et tension identiques, le condensateur électrolytique non polaire est environ deux fois plus grand que le condensateur électrolytique polaire.
(Structure interne des condensateurs électrolytiques non polaires et polaires)
Cette différence provient principalement de la grande différence de surface des électrodes à l'intérieur des deux condensateurs. L'électrode du condensateur non polaire est à gauche et l'électrode polaire à droite. Outre cette différence de surface, l'épaisseur des deux électrodes est également différente, l'électrode du condensateur polaire étant plus fine.
(Feuille d'aluminium pour condensateur électrolytique de différentes largeurs)
2. Explosion du condensateur
Lorsque la tension appliquée par le condensateur dépasse sa tension de tenue, ou lorsque la polarité de la tension du condensateur électrolytique polaire est inversée, le courant de fuite du condensateur augmentera fortement, entraînant une augmentation de la chaleur interne du condensateur, et l'électrolyte produira une grande quantité de gaz.
Afin d'éviter l'explosion du condensateur, trois rainures sont pressées sur le dessus du boîtier du condensateur, de sorte que le dessus du condensateur est facile à casser sous haute pression et libère la pression interne.
(Réservoir de sablage au sommet du condensateur électrolytique)
Cependant, certains condensateurs dans le processus de production, le pressage de la rainure supérieure n'est pas qualifié, la pression à l'intérieur du condensateur fera éjecter le caoutchouc d'étanchéité au bas du condensateur, à ce moment-là la pression à l'intérieur du condensateur est soudainement libérée, formera une explosion.
1, explosion d'un condensateur électrolytique non polaire
La figure ci-dessous montre un condensateur électrolytique apolaire d'une capacité de 1 000 µF et d'une tension de 16 V. Lorsque la tension appliquée dépasse 18 V, le courant de fuite augmente brusquement, entraînant une augmentation de la température et de la pression à l'intérieur du condensateur. Finalement, le joint en caoutchouc situé à la base du condensateur éclate et les électrodes internes se détachent comme du pop-corn.
(explosion de condensateur électrolytique non polaire par surtension)
En reliant un thermocouple à un condensateur, il est possible de mesurer l'évolution de la température du condensateur lorsque la tension appliquée augmente. La figure suivante illustre le condensateur apolaire en phase d'augmentation de tension. Lorsque la tension appliquée dépasse la valeur de la tension de tenue, la température interne continue d'augmenter.
(Relation entre la tension et la température)
La figure ci-dessous illustre l'évolution du courant traversant le condensateur au cours du même processus. On constate que l'augmentation du courant est la principale cause de l'élévation de la température interne. Au cours de ce processus, la tension augmente linéairement et, lorsque le courant augmente brusquement, le groupe d'alimentation fait chuter la tension. Finalement, lorsque le courant dépasse 6 A, le condensateur explose avec une forte détonation.
(Relation entre la tension et le courant)
En raison du grand volume interne du condensateur électrolytique non polaire et de la quantité d'électrolyte, la pression générée après le débordement est énorme, ce qui fait que le réservoir de décharge de pression en haut de la coque ne se brise pas et que le caoutchouc d'étanchéité en bas du condensateur est soufflé ouvert.
2, explosion d'un condensateur électrolytique polaire
Pour les condensateurs électrolytiques polaires, une tension est appliquée. Lorsque cette tension dépasse la tension de tenue du condensateur, le courant de fuite augmente fortement, provoquant une surchauffe et une explosion du condensateur.
La figure ci-dessous illustre un condensateur électrolytique limiteur, d'une capacité de 1 000 uF et d'une tension de 16 V. Après une surtension, la pression interne est relâchée par le réservoir de décharge supérieur, évitant ainsi l'explosion du condensateur.
La figure suivante montre l'évolution de la température du condensateur avec l'augmentation de la tension appliquée. À mesure que la tension se rapproche de la tension de tenue du condensateur, le courant résiduel augmente et la température interne continue d'augmenter.
(Relation entre la tension et la température)
La figure suivante montre l'évolution du courant de fuite du condensateur, le condensateur électrolytique nominal de 16 V, au cours du processus de test, lorsque la tension dépasse 15 V, la fuite du condensateur commence à augmenter fortement.
(Relation entre la tension et le courant)
L'expérience des deux premiers condensateurs électrolytiques a également permis de déterminer la limite de tension de ces condensateurs électrolytiques ordinaires de 1 000 uF. Afin d'éviter un claquage sous haute tension, il est nécessaire de prévoir une marge suffisante pour tenir compte des fluctuations de tension réelles.
3,condensateurs électrolytiques en série
Le cas échéant, une capacité plus importante et une tension de tenue en capacité plus importante peuvent être obtenues respectivement par une connexion en parallèle et en série.
(popcorn de condensateur électrolytique après une explosion de surpression)
Dans certaines applications, la tension appliquée au condensateur est une tension alternative, comme les condensateurs de couplage des haut-parleurs, la compensation de phase du courant alternatif, les condensateurs de déphasage du moteur, etc., nécessitant l'utilisation de condensateurs électrolytiques non polaires.
Dans le manuel d'utilisation fourni par certains fabricants de condensateurs, il est également indiqué que l'utilisation de condensateurs polaires traditionnels en série dos à dos, c'est-à-dire deux condensateurs en série ensemble, mais la polarité est opposée pour obtenir l'effet des condensateurs non polaires.
(capacité électrolytique après explosion de surtension)
Ce qui suit est une comparaison du condensateur polaire dans l'application de la tension directe, de la tension inverse, de deux condensateurs électrolytiques en série dos à dos dans trois cas de capacité non polaire, le courant de fuite change avec l'augmentation de la tension appliquée.
1. Tension directe et courant de fuite
Le courant traversant le condensateur est mesuré en connectant une résistance en série. Dans la plage de tolérance de tension du condensateur électrolytique (1 000 µF, 16 V), la tension appliquée est progressivement augmentée à partir de 0 V afin de mesurer la relation entre le courant de fuite et la tension correspondante.
(capacité série positive)
La figure suivante montre la relation entre le courant de fuite et la tension d'un condensateur électrolytique en aluminium polaire, qui est une relation non linéaire avec le courant de fuite inférieur à 0,5 mA.
(La relation entre la tension et le courant après la série directe)
2, tension inverse et courant de fuite
En utilisant le même courant pour mesurer la relation entre la tension de direction appliquée et le courant de fuite du condensateur électrolytique, on constate sur la figure ci-dessous que lorsque la tension inverse appliquée dépasse 4 V, le courant de fuite commence à augmenter rapidement. D'après la pente de la courbe suivante, la capacité électrolytique inverse équivaut à une résistance de 1 ohm.
(Relation de tension inverse entre la tension et le courant)
3. Condensateurs série dos à dos
Deux condensateurs électrolytiques identiques (1000 uF, 16 V) sont connectés dos à dos en série pour former un condensateur électrolytique équivalent non polaire, puis la courbe de relation entre leur tension et leur courant de fuite est mesurée.
(capacité série de polarité positive et négative)
Le diagramme suivant montre la relation entre la tension du condensateur et le courant de fuite, et vous pouvez voir que le courant de fuite augmente après que la tension appliquée dépasse 4 V et que l'amplitude du courant est inférieure à 1,5 mA.
Et cette mesure est un peu surprenante, car vous voyez que le courant de fuite de ces deux condensateurs en série dos à dos est en fait supérieur au courant de fuite d'un seul condensateur lorsque la tension est appliquée en direct.
(La relation entre la tension et le courant après des séries positives et négatives)
Cependant, faute de temps, aucun test n'a été effectué pour détecter ce phénomène. Il est possible que l'un des condensateurs utilisés soit celui utilisé lors du test de tension inverse précédent, et qu'il soit endommagé à l'intérieur, ce qui a généré la courbe de test ci-dessus.
Date de publication : 25 juillet 2023
