電子雷管控制模塊中儲能電容的優選方案

關碩 楊安科 陳華 黃圣專

摘要：本文列舉出目前電子雷管控制模塊中采用的儲能電容基本類型，包括固態鋁電解電容和鉭電容等，并對應用所關注的儲能容值、漏電流、耐壓、溫度特性，等效串聯電阻（ESR）以及綜合安全性等方面進行比較和分析。經對比結果和綜合性能、成本等因素后綜合考量，確定固態鋁電解電容是頓感藥劑高壓起爆的最優解決方案。

關鍵詞：電子雷管;控制模塊;儲能電容

數碼電子雷管內置電子雷管控制模塊，具有起爆延期時間和能量控制功能，還有雷管身份信息碼和起爆密碼，能測試自身功能、性能和點火元件電性能，并能和起爆控制器及其他外部控制設備進行通信。儲能電容是極為重要的元件，通過控制模塊在極短時間內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。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鍵參數進行對比分析。

1??? 電容類型介紹

固態鋁電解電容優于液態鋁電解電容，采用固態導電高分子材料取代電解液作為電容陰極，導電能力比電解液高2至3個數量級，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，此層氧化膜介質和電容器的一端結合成一個整體，不能單獨存在。鉭電容內部也沒有電解液，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，且失效后容易產生明火，影響其在高可靠性需求中的應用。

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為時間。

3??? 電容漏電流

對電容器施加額定直流工作電壓，開始時觀察到充電電流很大，隨著時間推移而下降，達到某一終值，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，延時階段其儲存能量會隨漏電流流失，起爆時若起爆橋絲從儲能電容上獲得能量不夠就會發生拒爆現象，嚴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劣的重要因素之一。

4??? 電容ESR

由于制造電容的絕緣介質有損耗，在外部就表現為一個電阻與電容串連，即為等效串聯電阻（ESR）。電子雷管在起爆時需要開啟放電管，導通儲能電容、起爆橋絲和放電管的串聯回路。由于起爆時間短，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為ESR，R為起爆橋絲電阻，R是放電管的導通電阻。ESR過高會導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。同時在ESR上產生的功率為：

當RESR增至R=R+R時，一半放電能量耗散在ESR電阻上，而通常R<R+R，此時R越小其消耗能量越小，才能更可靠地引爆火藥。

過大ESR耗散還會導致電容過熱而失效。固態鋁電解電容和坦電容都有ESR小的特點。相同ESR性能下，鉭電容相比固態鋁電解電容價格高出許多。出于成本考慮，某些電子雷管廠商選用的低價鉭電容ESR數值比固態鋁電解電容大兩倍以上。鉭電容負極的二氧化鎰熱穩定性差，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，大電流容易導致鉭電容失效引發事故。

5??? 電容各項參數在不同電壓和溫度下的對比實驗

選取3種電子雷管常用儲能電容類型，各隨機抽選5顆樣品，分別標記為固態鋁電解電容D、國產鉭電容E、進口鉭電容F。在常溫25 ℃下，對電容加載直流電壓為16 V、20 V、24 V時，得到3種電容共15個樣品容值、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性，固態鋁電解電容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1.6Ω，而通常橋絲電阻在2Ω左右，放電管導通電阻約0.05Ω。由此分析可推算，當大電流時在ESR上能量消耗接近43%，存在危險。而圖4、6固態鋁電解電容D和鉭電容F的ESR均在合理范圍內，且固態鋁電解電容ESR更低，有利于可靠起爆。

如圖7到9測試結果，鉭電容E、F在電壓超20 V時漏電流相比固態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階段功耗低于10μA，而鉭電容F漏電流高于3μA，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鋁電解電容D和鉭電容F，測試條件為偏壓20 V，環境溫度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證。

6??? 方案對比

綜上所述，固態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，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，更具安全性和環保要求。而鉭電容雖然部分參數相比鋁電解電容無顯著差異，但均劣于固態鋁電解電容，高溫漏電比固態鋁電解電容大一個數量級，應限制高溫環境應用。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。其失效后會發生燃燒，且只能配合敏感藥劑使用，導致在電子雷管安全性方面遠遜于鋁電解電容，不宜作為電子雷管模塊儲能電容方案推廣。固態鋁電解電容相比鉭電容，生產穩定、供應周期短、價格優勢明顯。表1列出固態鋁電解電容和鉭電容特點供參考。