电解电容为什么会爆炸

打开一个普通的 LED 灯泡，您会经常发现一个电解电容器在交流线路的输入中占据了一个位置。虽然照明级 LED 的使用寿命通常超过 10,000 小时，但其底座中的电解帽可能不会持续那么久。这种糟糕的结果可能有多种原因。

这些电路板上可见的电解电容器取自飞利浦（顶部）和 Feit Electric 制造的 60 瓦等效 LED 灯泡。

电解电容遇到困难的主要原因可能是它们在暴露于反向电压时性能不佳。电解装置是极化装置，只有在盖帽正极端子上施加的信号超过负极端子上的信号时才能正常工作。对极性的敏感性是由于盖子的结构而产生的。

最常见的电解盖是铝电解盖。它的阳极电极（+）是一块表面经过蚀刻的纯铝箔。薄的氧化铝绝缘层充当电容器的电介质。非固体电解质覆盖在氧化层的粗糙表面，原则上用作阴极（-）。称为“阴极箔”的第二个铝箔接触电解质并用作与阴极的电连接。整个组件卷起来形成独特的圆柱形定义电解。

需要注意的一点是，在电解槽中对阳极材料施加正电压会形成一层绝缘的氧化铝层。它的厚度对应于施加的电压。该氧化层充当电介质。在粗糙的阳极结构上形成介电氧化物后，反电极必须与粗糙的绝缘氧化物表面相匹配。电解质用于此目的。

电介质的厚度很薄，通常以纳米为单位测量。氧化层的电压强度在正确的方向上相当高。但超过最大电压规格会使电容器看起来像短路。YouTube 上可供观看的爆炸电容器的数量证明了这一结果可以成为一个值得注意的视频。

这就是极性的来源：施加错误极性的信号会阻止氧化层的形成。结果再次可能是灾难性的失败。

Illinois Capacitor 这样总结了电解电容的失效模式。点击图片放大。

当然，功能正常的应用电路会向其使用的电解帽提供正确极性的信号。缩短电解帽寿命的最常见罪魁祸首是热量。额定在 25°C 下可工作 10,000 小时的电容器将在更高温度下使用时降额 - 它在 85°C 下的额定工作时间可能仅为 1,000 小时，在 105°C 下甚至更少。热量通常会蒸发电解质并降低电容。此外，当电解帽处于反复快速充电和放电的电路中时，它会变热。并且高温引起的性能变化是暂时的，一旦电容器恢复到正常温度（假设它没有被过热损坏），规格表性能就会重新出现。

另一个缩短电解电容寿命的臭名昭著的因素是电容承受的纹波电流。纹波电流在经常使用电解电容的电源调节器电路中很常见。出于复杂的电化学原因，纹波电流越高，盖子的退化程度就越大也越快。对纹波电流的敏感性是帽结构和材料的函数。供应商指定不同纹波电流值的使用寿命。此外，还有专门设计用于处理高纹波电流的电解帽。

不幸的是，供应链问题也会影响瓶盖性能。采购渠道中，不合格或彻头彻尾的假冒零件越来越普遍。制造一个在短期内可以接受的合适的电容器相对容易。然而，使用寿命很容易低于标准。

例如，即使是高质量电解电容器的电容也会随着时间的推移而偏离标称值。指定较大的公差并不罕见，通常为 20%。因此，预计标称电容为 47 µF 的铝电解电容器的测量值介于 37.6 µF 和 56.4 µF 之间。钽电解电容器可以具有更严格的公差，但通常具有较低的工作电压。关于不合格或假冒瓶盖随时间的耐受性，所有****注都落空了。

了解上限规格表评级适用的条件也很有意义。额定电容通常表示为 20°C 和 120 Hz 时的值。在高于和低于 20°C 的温度下，电容会降低。还要注意损耗角正切的规格。损耗角正切定义为电容器电压和电容器电流之间的相位角之差相对于理论 90° 值的正切值。差异是由电容器内的介电损耗引起的。损耗角的正切值 (tan δ) 表示为 20°C 和 120 Hz 时的值。该值将在较高温度下下降并在较低温度下上升。

此外，电容和损耗角的正切随频率不同而不同。电容在高频时较低，损耗角的正切在高频时较高。电容器阻抗通常表示为 20°C 和 100 kHz 时的值。阻抗在较低频率下会更高。

储存条件也会影响电解帽的性能。铝电解电容器如果长时间存放，其漏电流会增加。与其他电容器参数一样，这种影响在较高的储存温度下更为明显。但是，施加电压可以降低漏电流。这就是通过施加电压修复电解电容器的原理。同样的道理，电路设计者在设计设备时应该考虑电容电流的初始增加。通常的技术是将保护电路与电容并联。

用于电解电容器的包装示例。这些来自 Nichicon 的封装在过热时通过橡胶层排出气体。

盖子本身的包装可能会导致问题。请注意，电容器外壳和阴极端子之间没有隔离。制造商通常不指定电解电容器外壳和阴极端子之间的电阻值。帽外套筒也容易损坏。如果暴露在高温下，套筒可能会破裂。通常外套管由 PVC 制成，但 PVC 用于标记，而不是提供电绝缘。电解帽通常还包含压力通风口，这些通风口采用外壳上的薄区域形式，如果盖子受到不当处理，放置在那里以处理压力积聚。最好找出通风口的位置并在其上方留出空间。

最后，串联或并联连接的电容器的细微差别可能会导致问题。例如，并联电容器之间的电流可能不均衡。在电源中，一个结果可能是一个或多个电容的纹波电流过大。类似地，当两个或多个电容器串联连接时，必须考虑施加电压的平衡，以便施加到每个电容器的电压保持在额定电压以下。通常的方法是安装与每个电容器并联的分压电阻器。