इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर क्यों फटते हैं? समझने लायक बात!

1. इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर 

विद्युत अपघटनी संधारित्र, विद्युत अपघटनी की विद्युतरोधी परत के रूप में क्रिया द्वारा इलेक्ट्रोड पर ऑक्सीकरण परत द्वारा निर्मित संधारित्र होते हैं, जिनकी धारिता आमतौर पर अधिक होती है। विद्युत अपघटनी एक तरल, जेली जैसा पदार्थ होता है जो आयनों से भरपूर होता है, और अधिकांश विद्युत अपघटनी संधारित्र ध्रुवीय होते हैं, अर्थात, कार्य करते समय, संधारित्र के धनात्मक इलेक्ट्रोड का वोल्टेज हमेशा ऋणात्मक वोल्टेज से अधिक होना चाहिए।

विद्युत अपघटनी संधारित्रों की उच्च क्षमता को कई अन्य विशेषताओं के लिए भी त्याग दिया जाता है, जैसे कि बड़ी रिसाव धारा, बड़ी समतुल्य श्रेणी प्रेरकत्व और प्रतिरोध, बड़ी सहनशीलता त्रुटि, तथा छोटा जीवन।

ध्रुवीय विद्युत अपघटनी संधारित्रों के अलावा, अध्रुवीय विद्युत अपघटनी संधारित्र भी होते हैं। नीचे दिए गए चित्र में, 1000uF, 16V विद्युत अपघटनी संधारित्र दो प्रकार के होते हैं। इनमें से, बड़ा अध्रुवीय संधारित्र है और छोटा ध्रुवीय संधारित्र है।

(गैर-ध्रुवीय और ध्रुवीय विद्युत अपघटनी संधारित्र)

विद्युत अपघटनी संधारित्र के अंदर एक द्रव विद्युत अपघटनी या एक ठोस बहुलक हो सकता है, और इलेक्ट्रोड सामग्री आमतौर पर एल्युमिनियम (Aluminum) या टैंटलम (Tandalum) होती है। नीचे दी गई संरचना एक सामान्य ध्रुवीय एल्युमिनियम विद्युत अपघटनी संधारित्र की है, जिसके अंदर इलेक्ट्रोड की दो परतों के बीच विद्युत अपघटनी में भीगे फाइबर पेपर की एक परत होती है, साथ ही एक बेलनाकार इंसुलेटिंग पेपर की परत होती है, जिसे एल्युमिनियम के आवरण में सील कर दिया जाता है।

(इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र की आंतरिक संरचना)

विद्युत अपघटनी संधारित्र का विच्छेदन करने पर इसकी मूल संरचना स्पष्ट रूप से देखी जा सकती है। विद्युत अपघटनी के वाष्पीकरण और रिसाव को रोकने के लिए, संधारित्र पिन वाले भाग को सीलिंग रबर से स्थिर किया जाता है।

बेशक, यह आंकड़ा ध्रुवीय और अध्रुवीय विद्युत अपघटनी संधारित्रों के आंतरिक आयतन में अंतर को भी दर्शाता है। समान धारिता और वोल्टेज स्तर पर, अध्रुवीय विद्युत अपघटनी संधारित्र ध्रुवीय संधारित्र से लगभग दोगुना बड़ा होता है।

(गैर-ध्रुवीय और ध्रुवीय विद्युत अपघटनी संधारित्रों की आंतरिक संरचना)

यह अंतर मुख्यतः दोनों संधारित्रों के अंदर इलेक्ट्रोडों के क्षेत्रफल में बड़े अंतर के कारण होता है। अध्रुवीय संधारित्र इलेक्ट्रोड बाईं ओर और ध्रुवीय इलेक्ट्रोड दाईं ओर होता है। क्षेत्रफल के अंतर के अलावा, दोनों इलेक्ट्रोडों की मोटाई भी भिन्न होती है, और ध्रुवीय संधारित्र इलेक्ट्रोड की मोटाई पतली होती है।

(विभिन्न चौड़ाई की विद्युत अपघटनी संधारित्र एल्यूमीनियम शीट)

2. संधारित्र विस्फोट

जब संधारित्र द्वारा लगाया गया वोल्टेज उसके झेलने योग्य वोल्टेज से अधिक हो जाता है, या जब ध्रुवीय इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र के वोल्टेज की ध्रुवीयता उलट जाती है, तो संधारित्र रिसाव धारा तेजी से बढ़ जाएगी, जिसके परिणामस्वरूप संधारित्र की आंतरिक गर्मी में वृद्धि होगी, और इलेक्ट्रोलाइट बड़ी मात्रा में गैस का उत्पादन करेगा।

संधारित्र विस्फोट को रोकने के लिए, संधारित्र आवास के शीर्ष पर तीन खांचे दबाए जाते हैं, ताकि संधारित्र के शीर्ष को उच्च दबाव में तोड़ना और आंतरिक दबाव को मुक्त करना आसान हो।

(इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र के शीर्ष पर ब्लास्टिंग टैंक)

हालांकि, उत्पादन प्रक्रिया में कुछ कैपेसिटर, शीर्ष नाली दबाने योग्य नहीं है, संधारित्र के अंदर दबाव संधारित्र के तल पर सीलिंग रबर को बाहर निकाल देगा, इस समय संधारित्र के अंदर दबाव अचानक जारी किया जाता है, एक विस्फोट का निर्माण करेगा।

1, गैर-ध्रुवीय इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र विस्फोट

नीचे दिया गया चित्र एक अध्रुवीय विद्युत अपघटनी संधारित्र को दर्शाता है, जिसकी धारिता 1000uF और वोल्टेज 16V है। जब लगाया गया वोल्टेज 18V से अधिक हो जाता है, तो रिसाव धारा अचानक बढ़ जाती है, और संधारित्र के अंदर का तापमान और दबाव बढ़ जाता है। अंततः, संधारित्र के निचले भाग में लगी रबर सील फट जाती है, और आंतरिक इलेक्ट्रोड पॉपकॉर्न की तरह बिखर जाते हैं।

(गैर-ध्रुवीय इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र ओवरवोल्टेज ब्लास्टिंग)

एक संधारित्र से थर्मोकपल बाँधकर, उस प्रक्रिया को मापना संभव है जिसके द्वारा संधारित्र का तापमान लागू वोल्टेज बढ़ने पर बदलता है। निम्नलिखित चित्र वोल्टेज वृद्धि की प्रक्रिया में अध्रुवीय संधारित्र को दर्शाता है, जब लागू वोल्टेज, सहनशील वोल्टेज मान से अधिक हो जाता है, तो आंतरिक तापमान में वृद्धि की प्रक्रिया जारी रहती है।

(वोल्टेज और तापमान के बीच संबंध)

नीचे दिया गया चित्र इसी प्रक्रिया के दौरान संधारित्र से प्रवाहित धारा में परिवर्तन दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि धारा में वृद्धि आंतरिक तापमान में वृद्धि का मुख्य कारण है। इस प्रक्रिया में, वोल्टेज रैखिक रूप से बढ़ता है, और जैसे-जैसे धारा तेज़ी से बढ़ती है, विद्युत आपूर्ति समूह वोल्टेज को कम करता है। अंततः, जब धारा 6A से अधिक हो जाती है, तो संधारित्र ज़ोरदार धमाके के साथ फट जाता है।

(वोल्टेज और धारा के बीच संबंध)

गैर-ध्रुवीय इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र की बड़ी आंतरिक मात्रा और इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा के कारण, अतिप्रवाह के बाद उत्पन्न दबाव बहुत बड़ा होता है, जिसके परिणामस्वरूप शेल के शीर्ष पर दबाव राहत टैंक नहीं टूटता है, और संधारित्र के नीचे सीलिंग रबर खुल जाता है।

2, ध्रुवीय विद्युत अपघटनी संधारित्र विस्फोट 

ध्रुवीय विद्युत अपघटनी संधारित्रों के लिए, एक वोल्टेज लगाया जाता है। जब वोल्टेज संधारित्र के सहनशील वोल्टेज से अधिक हो जाता है, तो रिसाव धारा भी तेज़ी से बढ़ जाती है, जिससे संधारित्र ज़रूरत से ज़्यादा गर्म होकर फट जाता है।

नीचे दिया गया चित्र सीमित विद्युत अपघटनी संधारित्र को दर्शाता है, जिसकी क्षमता 1000uF और वोल्टेज 16V है। अति-वोल्टेज के बाद, आंतरिक दबाव प्रक्रिया को ऊपरी दबाव राहत टैंक के माध्यम से मुक्त किया जाता है, जिससे संधारित्र विस्फोट प्रक्रिया से बचा जा सकता है।

निम्नलिखित चित्र दर्शाता है कि संधारित्र का तापमान लागू वोल्टेज में वृद्धि के साथ कैसे बदलता है। जैसे-जैसे वोल्टेज धीरे-धीरे संधारित्र के सहनशील वोल्टेज के करीब पहुँचता है, संधारित्र की अवशिष्ट धारा बढ़ती है, और आंतरिक तापमान बढ़ता रहता है।

(वोल्टेज और तापमान के बीच संबंध)

निम्नलिखित आंकड़ा संधारित्र के रिसाव वर्तमान में परिवर्तन है, नाममात्र 16V इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र, परीक्षण प्रक्रिया में, जब वोल्टेज 15V से अधिक हो जाता है, तो संधारित्र का रिसाव तेजी से बढ़ने लगता है।

(वोल्टेज और धारा के बीच संबंध)

पहले दो विद्युत अपघटनी संधारित्रों की प्रायोगिक प्रक्रिया से, यह भी देखा जा सकता है कि ऐसे 1000uF साधारण विद्युत अपघटनी संधारित्रों की वोल्टता सीमा क्या है। संधारित्र के उच्च-वोल्टेज विखंडन से बचने के लिए, विद्युत अपघटनी संधारित्र का उपयोग करते समय, वास्तविक वोल्टेज उतार-चढ़ाव के अनुसार पर्याप्त मार्जिन छोड़ना आवश्यक है।

3，श्रृंखला में विद्युत अपघटनी संधारित्र

जहां उपयुक्त हो, अधिक धारिता तथा अधिक धारिता सहन वोल्टेज क्रमशः समानांतर तथा श्रेणी संयोजन द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।

(अतिदाब विस्फोट के बाद विद्युत अपघटनी संधारित्र पॉपकॉर्न)

कुछ अनुप्रयोगों में, संधारित्र पर लागू वोल्टेज एसी वोल्टेज होता है, जैसे स्पीकर के युग्मन संधारित्र, प्रत्यावर्ती धारा चरण क्षतिपूर्ति, मोटर चरण-स्थानांतरण संधारित्र, आदि, जिसमें गैर-ध्रुवीय इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्रों के उपयोग की आवश्यकता होती है।

कुछ संधारित्र निर्माताओं द्वारा दिए गए उपयोगकर्ता मैनुअल में यह भी बताया गया है कि पारंपरिक ध्रुवीय संधारित्रों का उपयोग बैक-टू-बैक श्रृंखला द्वारा किया जाता है, अर्थात दो संधारित्रों को एक साथ श्रृंखला में जोड़ा जाता है, लेकिन गैर-ध्रुवीय संधारित्रों के प्रभाव को प्राप्त करने के लिए ध्रुवता विपरीत होती है।

(अतिवोल्टेज विस्फोट के बाद विद्युत अपघटनी धारिता)

निम्नलिखित अग्र वोल्टेज, रिवर्स वोल्टेज, दो इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर बैक-टू-बैक श्रृंखला में गैर-ध्रुवीय समाई के तीन मामलों में ध्रुवीय संधारित्र की तुलना है, लागू वोल्टेज की वृद्धि के साथ रिसाव वर्तमान परिवर्तन।

1. अग्र वोल्टेज और रिसाव धारा

संधारित्र से प्रवाहित धारा को एक प्रतिरोधक को श्रेणीक्रम में जोड़कर मापा जाता है। विद्युत अपघटनी संधारित्र की वोल्टेज सहनशीलता सीमा (1000uF, 16V) के भीतर, संगत रिसाव धारा और वोल्टेज के बीच संबंध मापने के लिए, लागू वोल्टेज को धीरे-धीरे 0V से बढ़ाया जाता है।

(धनात्मक श्रेणी धारिता)

निम्नलिखित चित्र एक ध्रुवीय एल्यूमीनियम इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र के रिसाव धारा और वोल्टेज के बीच संबंध को दर्शाता है, जो 0.5mA से नीचे के रिसाव धारा के साथ एक अरैखिक संबंध है।

(अग्रेषित श्रृंखला के बाद वोल्टेज और धारा के बीच संबंध)

2, रिवर्स वोल्टेज और लीकेज करंट

लागू दिशा वोल्टेज और विद्युत अपघटनी संधारित्र रिसाव धारा के बीच संबंध को मापने के लिए उसी धारा का उपयोग करते हुए, नीचे दिए गए चित्र से देखा जा सकता है कि जब लागू पश्च वोल्टेज 4V से अधिक हो जाता है, तो रिसाव धारा तेज़ी से बढ़ने लगती है। निम्नलिखित वक्र के ढलान से, पश्च विद्युत अपघटनी धारिता 1 ओम के प्रतिरोध के बराबर है।

(रिवर्स वोल्टेज वोल्टेज और धारा के बीच संबंध)

3. बैक-टू-बैक श्रृंखला कैपेसिटर

दो समान विद्युत अपघटनी संधारित्रों (1000uF, 16V) को एक-दूसरे के पीछे श्रृंखला में जोड़कर एक गैर-ध्रुवीय समतुल्य विद्युत अपघटनी संधारित्र बनाया जाता है, और फिर उनके वोल्टेज और रिसाव धारा के बीच संबंध वक्र को मापा जाता है।

(धनात्मक और ऋणात्मक ध्रुवता श्रृंखला धारिता)

निम्नलिखित आरेख संधारित्र वोल्टेज और रिसाव धारा के बीच संबंध को दर्शाता है, और आप देख सकते हैं कि लागू वोल्टेज 4V से अधिक होने के बाद रिसाव धारा बढ़ जाती है, और वर्तमान आयाम 1.5mA से कम है।

और यह माप थोड़ा आश्चर्यजनक है, क्योंकि आप देखते हैं कि इन दो बैक-टू-बैक श्रृंखला संधारित्रों की रिसाव धारा वास्तव में एकल संधारित्र की रिसाव धारा से अधिक है जब वोल्टेज को आगे लागू किया जाता है।

(धनात्मक और ऋणात्मक श्रेणी के बाद वोल्टेज और धारा के बीच संबंध)

हालाँकि, समय की कमी के कारण, इस घटना का दोबारा परीक्षण नहीं किया गया। हो सकता है कि इस्तेमाल किए गए कैपेसिटर में से एक अभी-अभी रिवर्स वोल्टेज परीक्षण वाला कैपेसिटर था, और उसके अंदर कोई क्षति हुई हो, इसलिए ऊपर दिया गया परीक्षण वक्र उत्पन्न हुआ।