1. 전해 콘덴서
전해 커패시터는 전해질이 절연층으로 작용하여 전극에 산화막을 형성하여 형성되는 커패시터로, 일반적으로 용량이 큽니다. 전해질은 이온이 풍부한 액체 젤리 형태의 물질이며, 대부분의 전해 커패시터는 극성을 지닙니다. 즉, 커패시터의 양극 전압은 항상 음극 전압보다 높아야 합니다.
전해 콘덴서의 고용량은 큰 누설 전류, 큰 등가 직렬 인덕턴스 및 저항, 큰 허용 오차, 짧은 수명 등 다른 많은 특성 때문에 희생됩니다.
극성 전해 커패시터 외에도 무극성 전해 커패시터도 있습니다. 아래 그림에는 1000uF, 16V 전해 커패시터 두 종류가 있습니다. 이 중 큰 쪽이 무극성이고 작은 쪽이 극성입니다.
(무극성 및 극성 전해 커패시터)
전해 콘덴서의 내부는 액체 전해질 또는 고체 폴리머로 구성될 수 있으며, 전극 재질은 일반적으로 알루미늄(Aluminum) 또는 탄탈륨(Tandalum)입니다. 다음은 일반적인 극성 알루미늄 전해 콘덴서의 내부 구조입니다. 두 전극층 사이에는 전해질에 적신 섬유지 층과 원통형으로 변형된 절연지 층이 있으며, 이 층은 알루미늄 쉘에 밀봉되어 있습니다.
(전해콘덴서의 내부구조)
전해 콘덴서를 분해하면 기본 구조를 명확하게 볼 수 있습니다. 전해액의 증발 및 누출을 방지하기 위해 콘덴서 핀 부분은 밀봉 고무로 고정되어 있습니다.
물론, 이 그림은 극성 전해 커패시터와 무극성 전해 커패시터의 내부 부피 차이도 보여줍니다. 동일한 용량과 전압 레벨에서 무극성 전해 커패시터는 극성 전해 커패시터보다 약 두 배 더 큽니다.
(무극성 및 극성 전해 콘덴서의 내부 구조)
이러한 차이는 주로 두 커패시터 내부 전극 면적의 큰 차이에서 비롯됩니다. 무극성 커패시터 전극은 왼쪽에, 극성 전극은 오른쪽에 있습니다. 면적 차이 외에도 두 전극의 두께도 다르며, 극성 커패시터 전극의 두께가 더 얇습니다.
(다양한 폭의 전해콘덴서 알루미늄 시트)
2. 커패시터 폭발
콘덴서에 인가하는 전압이 콘덴서의 내전압을 초과하거나, 극성 전해 콘덴서의 전압 극성이 반전되면 콘덴서 누설 전류가 급격히 상승하여 콘덴서 내부 발열이 증가하고, 전해액에서 다량의 가스가 발생합니다.
콘덴서 폭발을 방지하기 위해 콘덴서 하우징 상단에 3개의 홈이 눌려 있어 고압 하에서 콘덴서 상단이 쉽게 파손되어 내부 압력이 방출됩니다.
(전해콘덴서 상단의 폭파탱크)
그러나 일부 커패시터는 생산 과정에서 상단 홈 압착이 제대로 이루어지지 않아 커패시터 내부의 압력으로 인해 커패시터 하단의 밀봉 고무가 튀어나오는 경우가 있는데, 이때 커패시터 내부의 압력이 갑자기 방출되어 폭발이 발생하는 경우가 있습니다.
1, 비극성 전해 콘덴서 폭발
아래 그림은 용량이 1000uF이고 전압이 16V인 무극성 전해 커패시터를 보여줍니다. 인가 전압이 18V를 초과하면 누설 전류가 급격히 증가하고 커패시터 내부의 온도와 압력이 상승합니다. 결국 커패시터 하단의 고무 씰이 터지면서 내부 전극이 팝콘처럼 튕겨져 나갑니다.
(무극성 전해 콘덴서 과전압 폭발)
열전대를 커패시터에 연결하면 인가 전압이 증가함에 따라 커패시터의 온도가 변하는 과정을 측정할 수 있습니다. 다음 그림은 전압이 증가하는 과정에서 무극성 커패시터를 보여줍니다. 인가 전압이 내전압 값을 초과하면 내부 온도는 계속 상승합니다.
(전압과 온도의 관계)
아래 그림은 같은 과정에서 커패시터에 흐르는 전류의 변화를 보여줍니다. 전류 증가가 내부 온도 상승의 주요 원인임을 알 수 있습니다. 이 과정에서 전압은 선형적으로 증가하며, 전류가 급격히 증가함에 따라 전원 공급기 그룹에서 전압 강하가 발생합니다. 마지막으로 전류가 6A를 초과하면 커패시터가 큰 폭발음과 함께 폭발합니다.
(전압과 전류의 관계)
비극성 전해 콘덴서의 내부 용적이 크고 전해액의 양도 많기 때문에 오버플로우 후 발생하는 압력이 매우 커서 쉘 위쪽의 압력 방출 탱크가 파손되지 않고 콘덴서 아래쪽의 밀봉 고무가 터져 나갑니다.
2, 극성 전해 콘덴서 폭발
극성 전해 커패시터에는 전압이 인가됩니다. 전압이 커패시터의 내전압을 초과하면 누설 전류도 급격히 증가하여 커패시터가 과열되어 폭발합니다.
아래 그림은 1000uF 용량과 16V 전압을 갖는 제한 전해 커패시터를 보여줍니다. 과전압 발생 후, 내부 압력은 상부 압력 릴리프 탱크를 통해 방출되므로 커패시터 폭발을 방지할 수 있습니다.
다음 그림은 인가 전압이 증가함에 따라 커패시터의 온도가 어떻게 변하는지 보여줍니다. 전압이 점차 커패시터의 내전압에 가까워짐에 따라 커패시터의 잔류 전류가 증가하고 내부 온도는 계속 상승합니다.
(전압과 온도의 관계)
다음 그림은 커패시터의 누설 전류 변화입니다. 정격 16V 전해 커패시터입니다. 테스트 과정에서 전압이 15V를 초과하면 커패시터의 누설이 급격히 상승하기 시작합니다.
(전압과 전류의 관계)
처음 두 전해 커패시터의 실험 과정을 통해 이러한 1000uF 일반 전해 커패시터의 전압 한계가 존재한다는 것을 알 수 있습니다. 커패시터의 고전압 파괴를 방지하기 위해 전해 커패시터를 사용할 때는 실제 전압 변동에 따라 충분한 여유를 두어야 합니다.
3，직렬로 연결된 전해 커패시터
적절한 경우, 각각 병렬 및 직렬 연결을 통해 더 큰 정전용량과 더 큰 정전용량 내전압을 얻을 수 있습니다.
(과압 폭발 후 전해 콘덴서 팝콘)
일부 응용 분야에서는 커패시터에 인가되는 전압이 AC 전압입니다. 예를 들어 스피커의 결합 커패시터, 교류 위상 보상 커패시터, 모터 위상 변환 커패시터 등에서는 비극성 전해 커패시터를 사용해야 합니다.
일부 커패시터 제조업체에서 제공하는 사용 설명서에는 전통적인 극성 커패시터를 등대등 직렬로 사용하는 방법, 즉 두 커패시터를 직렬로 연결하되 극성을 반대로 하여 비극성 커패시터의 효과를 얻는 방법에 대해서도 설명합니다.
(과전압 폭발 후의 전해 용량)
다음은 순방향 전압, 역방향 전압을 인가했을 때의 극성 커패시터를 비교한 것으로, 두 개의 전해 커패시터를 등간격으로 직렬로 연결한 경우와 비극성 커패시턴스의 세 가지 경우로 나누어 누설 전류가 인가 전압의 증가에 따라 변하는 경우를 나타낸 것이다.
1. 순방향 전압 및 누설 전류
커패시터에 흐르는 전류는 저항을 직렬로 연결하여 측정합니다. 전해 커패시터(1000uF, 16V)의 전압 허용 범위 내에서 인가 전압을 0V부터 점진적으로 증가시켜 해당 누설 전류와 전압의 관계를 측정합니다.
(양의 직렬 정전용량)
다음 그림은 극성 알루미늄 전해 콘덴서의 누설 전류와 전압의 관계를 나타낸 것으로, 누설 전류가 0.5mA 이하일 때는 비선형 관계를 나타낸다.
(전방 급수 후 전압과 전류의 관계)
2, 역전압 및 누설전류
동일한 전류를 사용하여 인가된 방향 전압과 전해 커패시터 누설 전류 사이의 관계를 측정한 결과, 아래 그림에서 인가된 역방향 전압이 4V를 초과하면 누설 전류가 급격히 증가하기 시작하는 것을 알 수 있습니다. 다음 곡선의 기울기로부터 역방향 전해 커패시터는 1옴의 저항에 해당합니다.
(역전압 전압과 전류의 관계)
3. 백투백 직렬 커패시터
두 개의 동일한 전해 콘덴서(1000uF, 16V)를 직렬로 등가로 연결하여 비극성 등가 전해 콘덴서를 형성한 다음, 전압과 누설 전류 간의 관계 곡선을 측정합니다.
(양극 및 음극 직렬 정전용량)
다음 그림은 커패시터 전압과 누설 전류의 관계를 보여줍니다. 인가 전압이 4V를 초과하고 전류 진폭이 1.5mA 미만일 때 누설 전류가 증가하는 것을 볼 수 있습니다.
그리고 이 측정값은 약간 놀랍습니다. 왜냐하면 전압이 순방향으로 인가될 때 이 두 개의 등대등 직렬 커패시터의 누설 전류가 실제로 단일 커패시터의 누설 전류보다 더 크다는 것을 알 수 있기 때문입니다.
(양극과 음극 직렬 후 전압과 전류의 관계)
그러나 시간적 문제로 이 현상에 대한 반복 시험은 진행되지 않았습니다. 아마도 사용된 커패시터 중 하나가 방금 역전압 시험에 사용된 커패시터였고, 내부 손상이 있었기 때문에 위의 시험 곡선이 생성되었을 것입니다.
게시 시간: 2023년 7월 25일
