電子雷管控制模塊中儲能電容的優(yōu)選方案

數(shù)碼電子雷管內(nèi)置電子雷管控制模塊，具有起爆延期時(shí)間和能量控制功能，還有雷管身份信息碼和起爆密碼，能測試自身功能、性能和點(diǎn)火元件電性能，并能和起爆控制器及其他外部控制設(shè)備進(jìn)行通信。儲能電容是極為重要的元件，通過控制模塊在極短時(shí)間內(nèi)吸收由儲能電容釋放的能量，雷管中的引爆藥劑才能完成起爆。頓感藥劑的使用可以極大提升電子雷管安全性，但是其引爆需要較大能量，這對儲能電容是一種挑戰(zhàn)。為此，確保儲能電容的容值大、漏電流小、ESR 低、可靠性高等特性，便成為提高雷管安全性的關(guān)鍵。目前主流的儲能電容類型主要有鋁電解電容和鉭電解電容。本文針對這幾種電容的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對比分析。

1   電容類型介紹

固態(tài)鋁電解電容優(yōu)于液態(tài)鋁電解電容，采用固態(tài)導(dǎo)電高分子材料取代電解液作為電容陰極，導(dǎo)電能力比電解液高2 至3 個(gè)數(shù)量級，極大降低ESR，提升溫度、頻率特性，且無電解液干涸情況可延長使用壽命。鉭電解電容器的介質(zhì)則不同，是在鉭金屬表面生成一層極薄的五氧化二鉭膜，此層氧化膜介質(zhì)和電容器的一端結(jié)合成一個(gè)整體，不能單獨(dú)存在。鉭電容內(nèi)部也沒有電解液，適合高溫工作，并有一定自愈性能，可提升可靠性和壽命。但鉭電容耐壓和過電流能力較差，且失效后容易產(chǎn)生明火，影響其在高可靠性需求中的應(yīng)用。

2   儲能電容的容量

儲能電容的容量決定著電子雷管起爆延遲時(shí)間和起爆可靠性，有以下公式：

C×ΔU=I×Δt

其中：C 為充能電容容值，U 為儲能電容壓差，I 為充能電容流過電流，t 為時(shí)間。

在同等模塊功耗的前提下，儲能電容容值越大，雷管可設(shè)定的延遲時(shí)間越長，起爆時(shí)儲能電容上留存的電荷也越多，雷管炸藥獲得的能量就越大，起爆可靠性就越高。在單位體積容值方面，鉭電容相比固態(tài)鋁電解電容有優(yōu)勢，但由于耐壓問題，應(yīng)用于高壓的鉭電容尺寸較大。選取100 μF 耐壓25 V，尺寸為Φ5×8 mm 的固態(tài)電容與68 μF 耐壓20 V，尺寸為6 mm×3.2 mm×2.5 mm鉭電容做對比。電子雷管的管殼為圓柱形管殼，因此鋁電解電容的形態(tài)更適合電子雷管的裝配。由于電子雷管模塊的PCB（印刷電路板）需要在管殼內(nèi)過管殼截面圓心水平放置，因此坦電解電容方案所需的管殼半徑為：，而鋁電解電容所需管殼半徑為：Φ = 5 / 2 = 2.5 mm，可見使用鋁電解電容不僅容值增加50%，還能縮小電子雷管管殼半徑。

3   電容漏電流

對電容器施加額定直流工作電壓，開始時(shí)觀察到充電電流很大，隨著時(shí)間推移而下降，達(dá)到某一終值，此終值電流稱為漏電流。漏電流大小隨所施加電壓變大而增大，隨所施加電壓時(shí)間變長而減小，隨著電容的容量變大而增大。電子雷管在延時(shí)起爆階段，模塊僅由其儲能電容供電，如儲能電容漏電流過大，延時(shí)階段其儲存能量會隨漏電流流失，起爆時(shí)若起爆橋絲從儲能電容上獲得能量不夠就會發(fā)生拒爆現(xiàn)象，嚴(yán)重影響爆破工程效率和安全。因此漏電流特性也是評估電子雷管儲能電容優(yōu)劣的重要因素之一。

4   電容ESR

由于制造電容的絕緣介質(zhì)有損耗，在外部就表現(xiàn)為一個(gè)電阻與電容串連，即為等效串聯(lián)電阻（ESR）。電子雷管在起爆時(shí)需要開啟放電管，導(dǎo)通儲能電容、起爆橋絲和放電管的串聯(lián)回路。由于起爆時(shí)間短，電流上升迅速，其所含高頻分量很多，就要求電容ESR 須保持在較低范圍。起爆瞬間電流公式為：

其中U 為電容電壓，R_ESR為_ESR，R_q為起爆橋絲電阻，R_ON是放電管的導(dǎo)通電阻。E_SR過高會導(dǎo)致起爆瞬間的電流偏小，因而起爆橋絲無法獲得足夠能量引爆火藥。

同時(shí)在ESR 上產(chǎn)生的功率為：

當(dāng)R_ESR 增至時(shí)，一半放電能量耗散在E_SR 電阻上，而通常 ，此時(shí)R_ESR 越小其消耗能量越小，才能更可靠地引爆火藥。

過大E_SR耗散還會導(dǎo)致電容過熱而失效。固態(tài)鋁電解電容和坦電容都有E_SR小的特點(diǎn)。相同ESR性能下，鉭電容相比固態(tài)鋁電解電容價(jià)格高出許多。出于成本考慮，某些電子雷管廠商選用的低價(jià)鉭電容ESR 數(shù)值比固態(tài)鋁電解電容大兩倍以上。鉭電容負(fù)極的二氧化錳熱穩(wěn)定性差，在高溫下會分解釋放高濃度氧氣，若在密閉空間與鉭金屬接觸就會爆炸。因此電子雷管充放電過程中，大電流容易導(dǎo)致鉭電容失效引發(fā)事故。

5   電容各項(xiàng)參數(shù)在不同電壓和溫度下的對比實(shí)驗(yàn)

選取3 種電子雷管常用儲能電容類型，各隨機(jī)抽選5 顆樣品，分別標(biāo)記為固態(tài)鋁電解電容D、國產(chǎn)鉭電容E、進(jìn)口鉭電容F。在常溫25 ℃下，對電容加載直流電壓為16 V、20 V、24 V 時(shí)，得到3 種電容共15 個(gè)樣品容值、ESR 和漏電流。從圖1 到圖3 可見鉭電容E、F 容值和電壓偏置無明顯相關(guān)性，固態(tài)鋁電解電容D 容值隨電壓偏置升高而略微升高。三種電容均無隨電壓變化容值驟減情況，固態(tài)鋁電解電容在高壓下容值更高，益于能量儲存。如圖5 所示的ESR 測試，鉭電容E 的ESR 最高已達(dá)1.6 Ω，而通常橋絲電阻在2 Ω 左右，放電管導(dǎo)通電阻約0.05 Ω。由此分析可推算，當(dāng)大電流時(shí)在ESR 上能量消耗接近43%，存在危險(xiǎn)。而圖4、6 固態(tài)鋁電解電容D 和鉭電容F 的ESR 均在合理范圍內(nèi)，且固態(tài)鋁電解電容ESR 更低，有利于可靠起爆。

圖1 D電容容值常溫下隨電壓變化

圖2 E電容容值常溫下隨電壓變化

圖3 F電容容值常溫下隨電壓變化

圖4 D電容ESR常溫下隨電壓變化

圖5 E電容ESR常溫下隨電壓變化

圖6 F電容ESR常溫下隨電壓變化

圖7 D電容漏電流常溫下隨電壓變化

圖8 E電容漏電流常溫下隨電壓變化

圖9 F電容漏電流常溫下隨電壓變化

圖10 高溫下D、F電容ESR

如圖7 到9 測試結(jié)果，鉭電容E、F 在電壓超20 V時(shí)漏電流相比固態(tài)鋁電解電容明顯增加，說明鉭電容不適于頓感藥劑高壓起爆方案。大多電子雷管模塊在延時(shí)階段功耗低于10 μA，而鉭電容F 漏電流高于3 μA，占工作電流30%，會造成起爆電壓不足引起拒爆。由于鉭電容E 在常溫ESR 測試中的安全隱患，此高溫測試僅對比固態(tài)鋁電解電容D 和鉭電容F，測試條件為偏壓20 V，環(huán)境溫度55 ℃。如圖10 兩種電容ESR 均無異變，其中鉭電容F 漏電最高達(dá)10 μA，與工作電流無異，鉭電容F 不適用于頓感藥劑高壓起爆又得到驗(yàn)證。

表1 固態(tài)鋁電解電容和鉭電容特點(diǎn)比較

6   方案對比

綜上所述，固態(tài)鋁電解電容相對容量變化不大、高溫漏電流小、ESR 更低、過大電流能力強(qiáng)，可匹配各類藥劑，適宜高壓條件下通過配合鈍感藥劑使用。相比而言，鉭電容只能使用敏感藥劑方案，更具安全性和環(huán)保要求。而鉭電容雖然部分參數(shù)相比鋁電解電容無顯著差異，但均劣于固態(tài)鋁電解電容，高溫漏電比固態(tài)鋁電解電容大一個(gè)數(shù)量級，應(yīng)限制高溫環(huán)境應(yīng)用。鉭電容在耐壓、過電流能力上不足限制其配合頓感藥劑使用。其失效后會發(fā)生燃燒，且只能配合敏感藥劑使用，導(dǎo)致在電子雷管安全性方面遠(yuǎn)遜于鋁電解電容，不宜作為電子雷管模塊儲能電容方案推廣。固態(tài)鋁電解電容相比鉭電容，生產(chǎn)穩(wěn)定、供應(yīng)周期短、價(jià)格優(yōu)勢明顯。表1 列出固態(tài)鋁電解電容和鉭電容特點(diǎn)供參考。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）