電容器膨脹怎麼回事?需要更換嗎?

作者 : 398216 Usunięty

顯然地,發生「膨脹」變形的電容就是壞掉的電容了,當然需要更換。但是,每個表面上看起來膨脹的電容就真的膨脹變形了嗎?

這個話題乍看之下沒什麼意義,想必大家也都知道問題的答案了。但是,網路上有許多相關分析仍然存在一些錯誤或只是輕描淡寫。這篇文章期望有助於避免這些窘境。

顯然地,發生「膨脹」變形的電容就是壞掉的電容了,當然需要更換。但是,每個表面上看起來膨脹的電容就真的膨脹變形了嗎?

看看下面這個例子:

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它膨脹了嗎?蓋子明顯突起來了,但整體還是平的,所以這是否意味著故障?在大多數情況下,這並不是故障的跡象,只是絕緣壓接技術造成的症狀。

電解電容器的構造

電解電容的鋁(因為它既輕又緊又便宜)外殼內捲有三個膠帶:

  • 外襯(也是針對特定應用所需經過化學處理的鋁——增加表面);
  • 絕緣層,同時是電解質的「載體」(紙或具有與吸墨紙相似稠度的無紡布);
  • 第二層襯裡,也是鋁,與外層相似。

所有這三層都被緊密地捲在一起,剝皮電線的末端插入外殼中,並使用橡膠塞密封,只有接線從中伸出(此描述適用於最常用的「通孔插裝技術」(Through-hole technology;THT)電容器——也就是所謂的「立式」電容器)。

對於那些好奇它在現實中是什麼樣子的人來說,以下展示幾張拍攝的照片:

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「患者」手術前的照片。

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接著脫掉「衣服」。

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現在請遞給我手術刀…

就像我說的那樣——一個線圈,其上有兩根導線擠壓在一起。

接下來仔細看看幾個細節:

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在展開各層之前。

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包層,也就是經過特殊處理(例如表面消光處理)的軋製鋁箔,這樣就能具有更大的表面。因此,我們可以在保持參數的同時獲得更小的尺寸。

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眾所周知——包層的表面越大,電容器的電容就越大——這裡只展示了膠帶的一部份。

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浸有電解液的紙比襯條寬,因此沒有與外殼短路的風險。

在軸向電容器中(沿鋁殼的軸放置接線),外包層連接到鋁殼,電接線焊接到電容器的「底部」。

所以我們有一個幾乎準備好的THT電容器。「幾乎」在大多數情況下(也有例外),這種電容器應該與環境隔離——原因你懂的。與電氣裝置一樣,裸露的電線越少,意外短路的可能性就越小,而且有些電容器在運作時的電壓可能危及生命。因此,為了使鋁罐絕緣,在其上使用了一個熱縮護套。

箔片上還包括了必要的標記:

  • 電容器的容量;
  • 可接受的工作電壓;
  • 引出低電位接腳的一側;
  • 電容器可以承受製造商目錄中所指定的工作溫度;
  • 不降低參數情況下的時間,有時還有製造商的標誌。

然而,在最大的電容器中,這樣的箔片是不夠的——「底部」仍然沒有絕緣 (在此情況下是指頂部)。因此,在箔片收縮之前,要在底部放置一盤絕緣箔——熱箔收縮時會擠壓每一側的圓盤,(再加上熱空氣流加熱使箔片收縮),就會使頂部向上彎曲而形成圓頂。

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某個「小幫手」(通常是出於好奇)看到自己的裝置內部有這樣的圓頂,隨即打開燈,驚道:「電容器膨脹了!」但問題出在我們不知道這到底是擠壓出來的鋁殼底部還是僅僅絕緣箔本身的狀況。

好吧,這個「小幫手」可能瞭解關於電容器膨脹的問題,但他可能不知道要先檢查該電容器是否真的需要更換。時至今日,檢查電容器時並不會再遇到像幾年前那樣的問題——透過測試儀測量電容器的基本參數,即可清楚地確定其狀況。

遺憾的是,這位「小幫手」並沒有這樣的測試儀——但他手邊剛好有一個在市集上買的烙鐵和一團錫絲,所以立馬開始更換——他還買了新的電容器,打開了烙鐵…它要麼可能燒掉電路板上的銅走線,要麼可能正確地把新電容器插進去。接著把它打開後,咦…竟然沒有如預期般的聲音改善(和功率增加),而是收到了壯觀的煙花…

為什麼電容器會膨脹?

答案很簡單——在其密閉的外殼內部有一種液體——電解質。每種流體在轉化為蒸汽時,其體積都會增加數百倍。這就會在內部產生巨大的壓力,導致電容器像手榴彈一樣爆炸…不會的,現在不可能那麼糟糕了,因為製造商早就預料到這一點,因此在底部進行了十字切割——當內部壓力超過切割底部的強度時,就會在切割處破裂,讓蒸汽找到了出口,除了一堆電解液蒸汽(有特殊氣味)和(有時)發出嘶嘶聲,什麼都不會發生…當然,裝置還是損壞了。

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好吧,你會說,那為什麼電容器會加熱到足以使電解液開始蒸發呢?

這可能有很多原因,最常見的是由於其中一層產生自發性故障而發生短路,這反過來會產生大量熱量。這種自發性損害究竟何時會發生呢?這裡也可能有幾個原因,但最常見的原因是:

  1. 省錢,以及裝置小型化的要求。遺憾的是,市場上充斥的並不是壽命長的產品,而是「一季」裝置——那些必須承受而且也只能承受保修期規定的裝置。過了這段時間,裝置繼續運行就沒有意義了——製造商必須要想辦法銷售另一台裝置才能賺錢——而且會有更新且具有更大可能性的裝置進入市場。

此外,由於客戶想要更好的顏色、更多的附加選項、內部要做到緊密,電容器(較大的電子元件之一)就必須做到盡可能最小……因此襯裡更薄、絕緣更差,外殼內部也沒有多少空間…此外,由於小型化,又造成了接下來的這個常見的故障原因。

  1. 電容器過熱。每個電子元件在運行過程中都會發熱,電容器也不例外。尤其是電解電容(之所以叫這個名字,是因為它裡面有電解液)不喜歡溫度太高(雖然也不喜歡溫度太低——工作溫度範圍可能會因電容器的設計而異)。每個元件內部都會出現這樣的溫度,特別是在由於工作條件而發熱的元件附近,因此還必須將其連接到散熱器以進行冷卻。

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看看最新的電視板就一目了然——上面有散熱器,旁邊有一排電解電容器…此外,最新的裝置都透過開關電源轉換器從電源取電,因此會工作在高頻下,電解電容器也不喜歡這樣的工作條件——這就是為什麼大多數膨脹的電容器都出現在電腦的電源和電腦本身中。

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因此,電解電容不僅會被高頻脈衝加熱,還會被其他元器件加熱。

幾十年前的電視裡面有很大的空間(因為顯像管要求使用這麼大的盒子),所以內部元件也可以更大。發熱元件可能放在偏遠位置,尤其是遠離那些對熱敏感的元件,而且元件本身也是由工程師設計的,而不是會計師或造型師…

所以我們知道,並非所有新事物都會更好。我們也知道,只是因為它「看起來」壞掉了就更換它是沒有意義的。而且,除了觀察,還需要一些工具和知識——即使是像閱讀本文所獲得的基本知識。

從上文可以看出,新事物並不總是更好,因此,不檢查是否真的有必要就「按原樣」更換電容器的弊大於利。簡言之:

所有這些電容器的用途是什麼?

應該說各自不太一樣。根據在整個複雜電路連接中的位置,它們可以用於平滑脈動電壓,用於將各個系統級、前期以及許多其他地方出現的直流(DC)電壓分開的濾波器。電容器不可能淘汰,僅此而已。

為什麼不使用沒有電解質的其他產品?

嗯…如果可能的話,那肯定早就這樣做了。首先,電解電容除了缺點,也有優點,其中有一些決定性的優點:

  • 比鉭電容等同類產品便宜;
  • 比金屬箔電容體積更小;
  • 最重要的是,其電氣參數在某些方面優於其他類型的電容器。

本文並非討論所有類型的電容器以及比較其所有優缺點。簡單地說,根據「量力而為」的原則,由於電解電容更好、性能更適合執行所分配的任務,適用於系統級應用,而可能不適用於其他地方。正如不可能插入電阻來代替二極體一樣,電解電容也有自己的「用武之地」。至少現在如此。

而且還將存在很長時間…很長…

編譯:Franklin Zhao

(參考原文:Swollen capacitor – should it be replaced? What does it mean? What does it look like?by 398216 Usunięty)

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