电解电容器为何会爆炸

打开一个普通的 LED 灯泡，你经常会发现一个电解电容器占据了交流线路输入的位置。虽然照明级 LED 的使用寿命通常超过 10,000 小时，但其底座中的电解电容器可能使用寿命不会那么长。造成这种不良后果的原因可能有很多种。

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

电解电容器出现问题的主要原因可能是它们在反向电压下性能不佳。电解电容器是极化设备，只有当电容器正极上施加的信号超过负极上施加的信号时，它们才能正常工作。对极性的敏感性是由电容器的结构引起的。

最常见的电解电容是铝电解电容。其阳极电极 (+) 是具有蚀刻表面的纯铝箔。一层薄薄的氧化铝绝缘层充当电容器的电介质。非固体电解质覆盖氧化层的粗糙表面，原则上用作阴极 (-)。第二层铝箔称为“阴极箔”，与电解质接触，用作与阴极的电连接。整个组件卷起来形成独特的圆柱形，这就是电解电容的特点。

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绝缘的氧化铝层。其厚度与施加的电压相对应。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。电解质就是为此目的而生的。

电介质的厚度很薄，通常以纳米为单位。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是短路。结果可以制作出值得关注的视频，YouTube 上可供观看的爆炸电容器数量就是明证。

这就是极性的作用：施加错误极性的信号会阻止氧化层的形成。结果可能再次导致灾难性的故障。

Illinois Capacitor 总结了电解电容器的故障模式。

当然，正常运行的应用电路将向其使用的电解电容提供正确极性的信号。缩短电解电容寿命的最常见元凶是热量。额定工作时间为 25°C 的 10,000 小时的电容器在更高温度下使用时会降低额定值 - 其额定工作时间为 85°C 时可能仅为 1,000 小时，在 105°C 时甚至更低。热量通常会蒸发电解质并降低电容。此外，电解电容在反复快速充电和放电的电路中会发热。高温引起的性能变化是暂时的，一旦电容器恢复正常温度(假设它没有因过热而损坏)，规格表上的性能就会重新出现。当温度成为问题时，有些电容器的额定寿命较高。

另一个缩短电解电容寿命的臭名昭著的因素是电容所承受的纹波电流。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。由于复杂的电化学原因，纹波电流越高，电容的退化就越大、越快。对纹波电流的敏感度取决于电容的结构和材料。供应商使用不同的纹波电流值来指定使用寿命。此外，还有专门设计用于处理高纹波电流的电解电容。

不幸的是，供应链问题也会影响电容器的性能。采购渠道中，劣质或假冒零件越来越普遍。制造一个短期内功能正常的电容器相对容易。然而，使用寿命很容易不达标。

例如，即使是高品质的电解电容器，其电容也会随着时间的推移偏离标称值。指定的容差很大，通常为 20%，这并不罕见。因此，标称电容为 47 µF 的铝电解电容器的测量值预计在 37.6 µF 和 56.4 µF 之间。钽电解电容器的容差更严格，但通常工作电压较低。而对于不合格或假冒电容器，其随时间变化的容差则完全无法确定。

了解电容规格表额定值的适用条件也是有益的。额定电容通常表示为 20°C 和 120 Hz 下的值。温度高于和低于 20°C 时，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差与理论 90° 值的正切。该差异是由电容器内的介电损耗引起的。损耗角正切 (tan δ) 表示为 20°C 和 120 Hz 下的值。该值在较高温度下会下降，在较低温度下会上升。

另外，电容和损耗角正切值随频率不同而不同。电容在高频时较低，损耗角正切值在高频时较高。电容器阻抗通常表示为 20°C 和 100 kHz 的值。频率越低，阻抗就越高。

储存条件也会影响电解电容的性能。如果铝电解电容储存时间过长，其漏电流会上升。与其他电容参数一样，在储存温度较高时，这种影响更为明显。但是，施加电压可以降低漏电流。这是通过施加电压来修复电解电容的原理。出于同样的原因，电路设计人员在设计设备时应考虑电容电流的初始增加。通常的方法是将保护电路与电容并联。

电解电容器使用的封装示例。这些来自 Nichicon 的封装可在过热时通过橡胶层排出气体。

电容器本身的包装也会引起问题。请注意，电容器外壳和阴极端子之间没有隔离。制造商通常不会指定电解电容器外壳和阴极端子之间的电阻大小。电容器外壳套管也容易损坏。如果暴露在高温下，套管可能会破裂。通常，外套管由 PVC 制成，但 PVC 是用于标记，而不是提供电气绝缘。电解电容器通常还包含压力通风口，其形式为外壳上的薄区域，如果电容器被误用，则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，串联或并联电容器的细微差异也会导致问题。例如，并联电容器之间的电流可能不均匀。在电源中，结果之一可能是一个或多个电容器的纹波电流过大。同样，当两个或多个电容器串联时，必须考虑施加电压的平衡，以便施加到每个单个电容器上的电压保持在额定电压以下。通常的方法是将分压电阻器与每个电容器并联安装。