Почему взрывается конденсатор: Почему взрываются конденсаторы, пути решения проблемы.

Почему взрываются конденсаторы, пути решения проблемы.

Частый вопрос — почему взрываются электролитические конденсаторы на материнской плате, видеокарте, блоке питания? Какие причины взрывов и пути решения проблемы, чтобы это не повторялось. Этому посвящена статья.

Теория

Очень часто при ремонте компьютеров и  компьютерной техники — в блоках питания, материнской плате компьютера, видеокарте, мониторах, принтерах и других устройствах — можно обнаружить испорченные вздутые конденсаторы, в которых вытек электролит, а  их корпус разрушен.

Конденсаторы — это рулоны (или стопки) фольги, разделенные диэлектриком. В электролитических конденсаторах одним электродом (анодом) является фольга, а другим (катодом)- электролит. В качестве диэлектрика выступает тонкая оксидная пленка, нанесенная на анод. Чтобы разобраться с причиной, по которой конденсаторы выходят из строя, составим примерную эквивалентную схему конденсатора.

Таким образом, у конденсатора есть и активное сопротивление r (эквивалентное последовательное сопротивление или по-научному ESR), и сопротивление утечки R, и индуктивность L из-за свернутого спиралью сэндвича. Условность схемы в том, что на самом деле схема представляет собой «длинную линию», расчет которой чрезвычайно сложен.

Почему возникает взрыв конденсатора

Дело в том, что эти конденсаторы стоят в цепи импульсной схемы питания и служат для сглаживания пульсаций частотой в десятки килогерц. В принципе, уже из-за пульсаций через конденсаторы течет переменный ток, который немного нагревает внутреннее сопротивление. На малой частоте этот нагрев мал и конденсатор холодный. Закипание возникает тогда, когда выделяемая мощность больше мощности рассеивания. Так почему же происходит нагрев из-за которого электролит закипает и происходит взрыв и какую роль в нагревании играет индуктивность?

В импульсных схемах, если посмотреть осциллографом, то можно увидеть, что в момент переключения транзисторов возникает затухающий колебательный процесс, причем амплитуда перерегулирования очень значительная, а частота колебательного процесса высокая. Высокочастотная составляющая хорошо пропускается емкостью, она же и является основной причиной нагрева конденсатора. Причем же здесь индуктивность? А индуктивность и является причиной колебаний, т.к. она является частью колебательного контура LC. Поэтому, чем больше паразитная индуктивность конденсатора, тем больше энергия высокочастотной колебательной составляющей выделяется внутри конденсатора. Во избежание взрыва на корпусе конденсатора наносятся насечки, позволяющие выпустить пар кипящего электролита.

Как выбирать конденсаторы для замены

Что же делать? Чем заменить неисправный?

1. Нужно брать качественные изделия с малым ESR и индуктивностью. Они дороже, но греются меньше и взрываются значительно реже. К тому же, есть понятие «реактивная мощность конденсатора» — мощность, которую конденсатор способен выдержать, пропустив через себя, и которая зависит тангенса потерь диэлектрика и размеров конденсатора. Т.е., чем больше размер конденсатора, тем больше рассеивание и выше реактивная мощность.

2. Можно параллельно электролитическим конденсаторам поставить керамические небольшой емкости.

3. Если выбросы напряжения заходят в отрицательную область, то поможет обратный диод, который не даст обратному току «спалить» полярный конденсатор при приложении обратного напряжения.

Срок жизни электролитических конденсаторов ограничен из-за химических изменений в диэлектрике и зависит от того, как близко выбрано рабочее напряжение к максимальному. Другими словами, чем выше мы выберем максимальное напряжение конденсатора, тем дольше он будет служить.

Перепайка конденсаторов на материнской плате в нашем компьютерном центре обычно стоит 1000 руб вместе с работой по разборке и сборке компьютера.

 Правда о конденсаторах

Однако самой правдоподобной версией массового выхода из строя электролитических конденсаторов является другая — технологическая. В пользу этой версии говорит тот факт, что взрываются в основном конденсаторы, произведенные конкретными китайскими фирмами.

История вопроса. Некоторые китайские фирмы не захотели покупать патенты на производство электролитических конденсаторов и разработали свою технологию, в частности, формулу электролита. Однако, формула оказалась нестабильной. Через несколько лет их электролит под воздействием рабочих факторов (одни из важнейших — повышенная рабочая температура и напряжение) изменяет свои электрические параметры, в частности, сопротивление. В результате через несколько лет конденсаторы вспучивались из-за вскипания электролита.

Поэтому самое главное при замене конденсаторов — это заменять их на качественные конденсаторы, произведенные надежной фирмой.

Это просто бомба или почему взрываются электронные устройства / Хабр

Когда я был школьником, мама порой с ужасом смотрела на мои запасы радиохлама, служившего источником радиодеталей. Ужас этот оформлялся в вопрос: а у тебя там точно ничего не взорвется? И надо сказать, вопрос был не беспочвенный: в наших золотоносных краях, богатых не только драгоценным металлом, но и разнообразной взрывчаткой, неоднократно были случаи, когда дети притаскивали домой электродетонаторы и прочие опасные вещи. Но я хорошо знал не только как выглядит детонатор, но и как с ним обращаться, и мне бы в голову не пришло хранить его дома. Так что мои сокровища были безобидными. Примерно такими, как на КДПВ (если кто не понял, это обычные часы в экстравагантном оформлении).

Впрочем, не всегда так. Иногда электроника взрывается. И об этом моя статья.

Есть такое явление – электровзрыв

Если пропустить через тонкую проволочку достаточно большой ток, она раскалится и перегорит. Характер этого явления сильно зависит от силы тока: если при невысоких ее значениях она просто перегорит, и процесс этот будет длиться секунды или десятые доли секунды, то при больших плотностях тока (10⁴-10⁶ А/мм²) выделившееся тепло за считанные доли микросекунды или единицы микросекунд превратит проволочку в пар. Причем пар чудовищно сильно сжатый (с плотностью, как у твердой меди!) и находящийся под крайне большим давлением. Температура его тоже немалая. Тут же он начинает расширяться со сверхзвуковой скоростью, порождая ударную волну, в энергию которой переходит около четверти всей подведенной к проволочке энергии. Другой вариант электровзрыва реализуется при пробое жидкого или твердого диэлектрика, который превращается в пар в канале разряда.

Электровзрыв – явление интересное и имеющее множество полезных применений: с его помощью генерируют ударные волны и создают сверхвысокие давления и температуры, получают наночастицы и напыляют тонкие пленки, проводят химические реакции, требующие экстремальных условий. Электровзрыв применяют для атомизации проб в эмиссионном спектральном анализе, с его помощью генерируют сейсмические волны для зондирования морского дна и даже дробят горные породы. В электронике же электровзрыв – явление безусловно вредное. Развивается он, разумеется, при аварийной ситуации, и впоследствии может очень сильно осложнить ремонт. Речь тут уже идет не только о выгоревших проводниках, но и о той меди, которая осела на все вокруг в виде проводящей пленки. Об ударных волнах, которые способны, например, оторвать разварочную проволоку от кристалла микросхемы, находящейся в другом конце платы и на первый взгляд никак не пострадавшей. Наконец, давлением взрыва может вырвать из платы крупногабаритные детали или даже деформировать плату и разорвать корпус. И самое неприятное последствие – это то, что ионизированные пары меди создают условия для перебрасывания дуги, образовавшейся после взрыва, на низковольтные цепи – тут уже возникает и опасность поражения током, и вероятность пожара, и материальный ущерб из-за внезапного подключения последнего iPhone прямо к сети 220 В. Типичное место возникновения такой аварии – импульсные блоки питания с сетевой стороны. При замыкании входного выпрямителя к току КЗ сети добавляется ток разряда фильтрующего конденсатора и общий ток в импульсе легко может достигнуть тысяч и десятков тысяч ампер! Такой ток с легкостью испаряет не только печатные проводники, но и выводы радиодеталей.

Профилактикой от таких ужасов является ограничение тока короткого замыкания. Обычно на входе импульсных блоков питания ставят предохранитель и терморезистор (NTC). К сожалению, последний выполняет в основном функцию ограничения зарядного тока при включении, но и его остаточное сопротивление – порядка десятых долей ома – может снизить ток КЗ в несколько раз. У блоков питания невысокой мощности (до 10-15 Вт) имеет смысл установить резистор сопротивлением в несколько ом уже после выпрямителя – на нем будет рассеиваться несколько сот милливатт мощности, зато при любой аварии ток не превысит десятков ампер. Хорошей практикой является использование в таких цепях разрывных резисторов, выполняющих одновременно роль предохранителя. Также не следует пренебрегать мерами против переброса дуги в виде перегородок между высоковольтной и низковольтной частями схемы.

В низковольтных цепях, даже сильноточных (а в современной компьютерной технике такие не редкость) электровзрыв обычно развивается только внутри корпусов транзисторов и микросхем, порой взрывая их изнутри, но не производя дополнительных разрушений.

Бабах из конденсатора

Вам знакома забава советских детей – “электролит” покрупнее в розетку и бежать? Иногда так случается и в аппаратуре, когда конденсатор выходит из строя по той или иной причине. Результат часто бывает печален: по всему корпусу разбросаны обрывки фольги, замкнувшей все и вся, так что ремонтировать просто нечего – все напрочь сгорело. Природа взрыва проста и незатейлива: закипевший электролит своим давлением пара разрывает герметичный корпус и выбрасывает свое содержимое. Так “взлететь” может не только оксидный конденсатор – бумажные и пленочные на это также способны при наличии сколько-нибудь прочного корпуса. Аналогично взрываются и аккумуляторы при неправильной зарядке (с литий-ионными “немножко” другая физика и химия, об этом ниже).

Кстати, такие взрывы могут представлять серьезную опасность, особенно когда идет речь о старых советских конденсаторах крупных размеров без предохранительного клапана и насечек на корпусе. Вынесу из комментариев описание инцидента:

в ходе опытов было устанослено, что 10000мКф, 25В(?) конденсатор с цельным корпусом способен с 7 метров оставить вмятину в алюминивом профиле глубиной в 5мм.  (@OvO)

(цитату не редактировал, чтобы сохранить атмосферу после взрыва и трясущиеся руки).

Как бороться? Ставьте конденсаторы хороших фирм и с запасом, не забывая учитывать и реактивную мощность. Между более дешевым конденсатором без предохранительного клапана и более дорогим с клапаном выбирайте последний, особенно если конденсатор крупный.

Обычно все взрывы в электронике ограничиваются ровно той энергией, которую туда подвели непосредственно перед взрывом извне. Но иногда источник энергии находится внутри.

Настоящая взрывчатка inside

Так тоже бывает.

Знаете, как устроен танталовый конденсатор? Микроскопически – точно так же, как обычный электролитический: на поверхности тантала имеется оксидная пленка, служащая изолятором. Только вместо электролита (он же вторая обкладка) – диоксид марганца, смешанный для лучшей электропроводности с сажей. Основное отличие состоит в том, что вместо рулончика фольги здесь – кирпичик из спрессованного порошка тантала, поры которого заполнены двуокисью марганца. Вам это ничего не напоминает? Это же термит! Смесь порошка более активного металла и оксида менее активного, в которой после поджигания идет бурная реакция, сопровождающаяся выделением большого количества тепла, разбрасыванием искр и образованием продукта в виде расплавленного металла.

Отсюда не удивительно, что танталовый конденсатор, пробиваясь, отправляется в царство Ямараджа не тихо-спокойно, а с фейерверком. Причем произойти это может даже в слаботочных цепях, от которых вовсе не ожидаешь пиротехнических эффектов при включении – накопленной конденсатором энергии достаточно, чтобы разогреть точку пробоя до начала реакции. Фейерверк этот может продолжаться несколько секунд, независимо от подачи тока, и может прожечь плату насквозь, до дыры. Данному эффекту не подвержены полимерные танталовые конденсаторы, в которых отсутствует двуокись марганца.

Я выше упомянул литий-ионные аккумуляторы, мол, там немного по другому. Так вот, с ними та же история. Если из заряженного литий-ионного аккумулятора убрать сепаратор, то это та же самая взрывчатая смесь. Ведь катод здесь, после зарядки – это почти что двуокись кобальта, сильный окислитель. А анод – мало того, что горючий графит, так еще и набитый еще более горючим литием под завязку. И все это – в тесном соседстве и плотном соприкосновении. Стоит лишь образоваться маленькой дырочке в сепараторе – от механического повреждения, перегрева, заводского дефекта или дендрита металлического лития, образовавшегося из-за неправильной зарядки – как разогрев током короткого замыкания эту смесь тут же подожжет.

Как бороться? Культурно обращаться с атомной энергией, как сказала Фаина Раневская. Литий-ионные аккумуляторы требуют тщательного соблюдения всех надлежащих мер безопасности, описание которых тянет как минимум на следующую статью. А с танталовыми конденсаторами — в общем-то все то же, что с обычными, только пробиться со взрывом они могут и от микросекундных иголок. Ну и проверять все (особенно полярность!) перед первым включением и не наклоняться над платой в этот момент.

А иногда бывает…

Так задумано

Электродетонаторы, электровоспламенители и пиропатроны – это, в сущности, тоже электронные компоненты. Взрываться – их функция. Главное, чтобы они взрывались только по команде. А значит, нужно тщательно продумывать схему включения таким образом, чтобы случайное инициирование исключалось, в том числе при любых мыслимых неисправностях. Сфера эта специфическая, многое тут покрыто секретностью, а то, что несекретно, обсуждать на открытой площадке тоже не стоит по понятным причинам.

В свое время ходили байки про пиропатроны, встроенные в японские магнитофоны, призванные взорвать аппарат при попытке заглянуть внутрь. В реальности, конечно, было как в песне у Иващенко с Васильевым:

… А потом они решили
посмотреть, что там внутри:
нежно крышку приоткрыли –
динамиту не нашли.

Так что в гражданской сфере основное применение компонентов такого рода – это автомобильные подушки безопасности.

А вам желаю никогда не подрываться на собственных конструкциях. И не пренебрегать защитными очками.

Почему взорвался конденсатор, оказалось из-за него!

Предыдущий Следующий

Если конденсатор взорвется, его мощность нельзя недооценивать. Открою секрет, что вызывает взрыв конденсатора?

1. Положительный и отрицательный полюсы поменяны местами
У поляризованных конденсаторов положительный и отрицательный полюсы поменяны местами, как у танталовых конденсаторов. Если положительный и отрицательный полюсы поменялись местами, конденсаторы сгорят при легком весе, а конденсаторы взорвутся при большем весе.

2. Качество конденсатора не имеет значения
Если качество конденсатора не высокое (некачественный техпроцесс и т.д.), это может привести к повреждению внутренних компонентов конденсатора, повреждению изоляции корпуса и т. д., что может привести к взрыву конденсатора.

3. Плохая герметизация и утечка масла
Плохая герметизация монтажной втулки приводит к попаданию влаги внутрь, что может привести к снижению сопротивления изоляции; или падение поверхности масла из-за утечки масла, что приводит к падению, что может вызвать выброс в сторону разрушения корпуса или компонента.

4. Внутренний свободный и вздутый
Когда внутри конденсатора генерируются коронный разряд, пробойный разряд и сильное расслоение, конденсатор снижает начальное свободное напряжение компонента ниже напряженности рабочего электрического поля под действием перенапряжения, тем самым вызывая срабатывание ряд физических, химических и электрических воздействий для ускорения старения изоляции, разложение с образованием газа, образующего порочный круг, так что давление оболочки коробки увеличивается, в результате чего внешняя стенка стенки коробки набухает и вызывает взрыв.

5. Повреждение изоляции корпуса
Токоподводящий провод на стороне высокого напряжения конденсатора изготавливается из тонкого стального листа, если технологический процесс не соответствует требованиям. На краях имеются заусенцы или сильные изгибы, а кончик подвержен коронации. Корона вызовет разложение масла, расширит корпус и опустит поверхность масла, что вызовет пробой. Кроме того, при герметизации, если время сварки на углу слишком велико, внутренняя изоляция будет сожжена, а масло и газ будут генерироваться, что значительно снизит напряжение и повредит ее.

6. Включение под напряжением вызывает взрыв конденсатора
Любая батарея конденсаторов номинального напряжения запрещается находиться под напряжением в замкнутом состоянии. Каждый раз, когда конденсаторная батарея повторно закрывается, конденсатор должен быть разряжен в течение 3 минут при выключенном выключателе, иначе полярность напряжения в момент замыкания может оказаться противоположной полярности остаточного заряда на конденсаторе и вызвать взрыв.

По этой причине обычно оговаривается, что конденсаторная батарея мощностью 160 кВАр и более должна быть оборудована устройством автоматического отключения при отсутствии напряжения, а выключатель конденсаторной батареи не допускается оснащать устройством автоматического повторного включения. .

7. Чрезмерная температура вызывает взрыв конденсатора
Если температура конденсатора слишком высока, электролит внутри него быстро испаряется и расширяется, прорывая ограничитель оболочки и взрываясь. Общие причины следующие: ① Слишком высокое напряжение, что приводит к выходу из строя конденсатора, и ток через конденсатор быстро увеличивается в одно мгновение; ② Температура окружающей среды слишком высока и превышает допустимую рабочую температуру конденсатора, что приводит к закипанию электролита.

Почему взорвался конденсатор, я думаю, теперь всем должно быть ясно, и нужно знать, как это предотвратить.

Почему взрываются электролитические конденсаторы?

Если вы хотите узнать, почему взрывается электролитический конденсатор, сначала вам нужно узнать, что такое электролитический конденсатор.

Электролитический конденсатор представляет собой разновидность емкости, металлическая фольга — положительный электрод (алюминий или тантал), а оксидная пленка (оксид алюминия или оксид тантала), плотно прилегающая к металлу, — диэлектрик. Катод состоит из проводящего материала, электролита (который может быть жидким или твердым) и других материалов. Поскольку электролит является основной частью катода, электролитический конденсатор получил свое название. В то же время нельзя неправильно подключить емкость электролитического конденсатора.

Танталовый электролитический конденсатор в основном состоит из твердого вещества для спекания, твердого тела с обмоткой из фольги, жидкости для спекания и так далее. Спеченные твердые частицы составляют более 95% текущего производства, которые в основном состоят из неметаллической герметизированной смолы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы можно разделить на четыре типа: алюминиевые электролитические конденсаторы свинцового типа; алюминиевый электролитический конденсатор рупорного типа; алюминиевый электролитический конденсатор с болтовым креплением; твердый алюминиевый электролитический конденсатор.

 Возможные причины взрыва конденсатора следующие:

1. Выход из строя внутренних компонентов конденсатора происходит в основном из-за некачественного производственного процесса.
2. Повреждение изоляции корпуса конденсатором. Сторона высокого напряжения конденсатора изготовлена ​​из тонкого стального листа, а край будет неровным с заусенцами или серьезно согнут, если производственный процесс некачественный, а наконечник склонен генерировать коронный разряд, вызывающий пробой масла. расширение корпуса и капля масла. Кроме того, когда крышка закрыта, внутренняя изоляция сгорает и выделяет масло и газ, что приводит к сильному падению напряжения и повреждению, если время сварки слишком велико.
3. Плохое уплотнение и утечка масла. Сопротивление изоляции снижено из-за плохой герметизации корпуса узла. Или поверхность масла упала из-за разлива масла, что привело к выбросу в крайнем направлении оболочки или поломке компонента.
4. Живот и внутренняя диссоциация. За счет внутренней короны, пробивного разряда и серьезной диссоциации начальное холостое напряжение элемента снижается до напряженности рабочего электрического поля под действием перенапряжения, что вызывает физические, химические и электрические воздействия, ускоряющие старение и разложение элемента. изоляция, которая будет выделять газ и образовывать замкнутый круг, а затем давление в корпусе будет увеличено, и барабан взорвется.
5. Конденсатор взрывается электрическим зарядом. Все конденсаторы с номинальным напряжением запрещается заряжать. Каждый раз при повторном включении конденсаторной батареи конденсатор должен быть разряжен в течение 3 минут после отключения переключателя. В противном случае полярность напряжения момента замыкания может быть вызвана противоположной полярностью остаточного заряда на конденсаторе.

Кроме того, это может быть вызвано высокой температурой, плохой вентиляцией, высоким рабочим напряжением, чрезмерной гармонической составляющей напряжения или рабочим перенапряжением и т.