电子雷管控制模块中储能电容的优选方案

关硕 杨安科 陈华 黄圣专

摘要：本文列举出目前电子雷管控制模块中采用的储能电容基本类型，包括固态铝电解电容和钽电容等，并对应用所关注的储能容值、漏电流、耐压、温度特性，等效串联电阻（ESR）以及综合安全性等方面进行比较和分析。经对比结果和综合性能、成本等因素后综合考量，确定固态铝电解电容是顿感药剂高压起爆的最优解决方案。

关键词：电子雷管;控制模块;储能电容

数码电子雷管内置电子雷管控制模块，具有起爆延期时间和能量控制功能，还有雷管身份信息码和起爆密码，能测试自身功能、性能和点火元件电性能，并能和起爆控制器及其他外部控制设备进行通信。储能电容是极为重要的元件，通过控制模块在极短时间内吸收由储能电容释放的能量，雷管中的引爆药剂才能完成起爆。顿感药剂的使用可以极大提升电子雷管安全性，但是其引爆需要较大能量，这对储能电容是一种挑战。为此，确保储能电容的容值大、漏电流小、ESR低、可靠性高等特性，便成为提高雷管安全性的关键。目前主流的储能电容类型主要有铝电解电容和钽电解电容。本文针对这几种电容的关键参数进行对比分析。

1    电容类型介绍

固态铝电解电容优于液态铝电解电容，采用固态导电高分子材料取代电解液作为电容阴极，导电能力比电解液高2至3个数量级，极大降低ESR，提升温度、频率特性，且无电解液干涸情况可延长使用寿命。钽电解电容器的介质则不同，是在钽金属表面生成一层极薄的五氧化二钽膜，此层氧化膜介质和电容器的一端结合成一个整体，不能单独存在。钽电容内部也没有电解液，适合高温工作，并有一定自愈性能，可提升可靠性和寿命。但钽电容耐压和过电流能力较差，且失效后容易产生明火，影响其在高可靠性需求中的应用。

2    储能电容的容量

储能电容的容量决定着电子雷管起爆延迟时间和起爆可靠性，有以下公式：

C×ΔU=I×Δt

其中：C为充能电容容值，U为储能电容压差，I为充能电容流过电流，t为时间。

3    电容漏电流

对电容器施加额定直流工作电压，开始时观察到充电电流很大，随着时间推移而下降，达到某一终值，此终值电流称为漏电流。漏电流大小随所施加电压变大而增大，随所施加电压时间变长而减小，随着电容的容量变大而增大。电子雷管在延时起爆阶段，模块仅由其储能电容供电，如储能电容漏电流过大，延时阶段其储存能量会随漏电流流失，起爆时若起爆桥丝从储能电容上获得能量不够就会发生拒爆现象，严重影响爆破工程效率和安全。因此漏电流特性也是评估电子雷管储能电容优劣的重要因素之一。

4    电容ESR

由于制造电容的绝缘介质有损耗，在外部就表现为一个电阻与电容串连，即为等效串联电阻（ESR）。电子雷管在起爆时需要开启放电管，导通储能电容、起爆桥丝和放电管的串联回路。由于起爆时间短，电流上升迅速，其所含高频分量很多，就要求电容ESR须保持在较低范围。起爆瞬间电流公式为：

其中U为电容电压，R为ESR，R为起爆桥丝电阻，R是放电管的导通电阻。ESR过高会导致起爆瞬间的电流偏小，因而起爆桥丝无法获得足够能量引爆火药。同时在ESR上产生的功率为：

当RESR增至R=R+R时，一半放电能量耗散在ESR电阻上，而通常R<R+R，此时R越小其消耗能量越小，才能更可靠地引爆火药。

过大ESR耗散还会导致电容过热而失效。固态铝电解电容和坦电容都有ESR小的特点。相同ESR性能下，钽电容相比固态铝电解电容价格高出许多。出于成本考虑，某些电子雷管厂商选用的低价钽电容ESR数值比固态铝电解电容大两倍以上。钽电容负极的二氧化镒热稳定性差，在高温下会分解释放高浓度氧气，若在密闭空间与钽金属接触就会爆炸。因此电子雷管充放电过程中，大电流容易导致钽电容失效引发事故。

5    电容各项参数在不同电压和温度下的对比实验

选取3种电子雷管常用储能电容类型，各随机抽选5颗样品，分别标记为固态铝电解电容D、国产钽电容E、进口钽电容F。在常温25 ℃下，对电容加载直流电压为16 V、20 V、24 V时，得到3种电容共15个样品容值、ESR和漏电流。从图1到图3可见钽电容E、F容值和电压偏置无明显相关性，固态铝电解电容D容值随电压偏置升高而略微升高。三种电容均无随电压变化容值骤减情况，固态铝电解电容在高压下容值更高，益于能量储存。如图5所示的ESR测试，钽电容E的ESR最高已达1.6Ω，而通常桥丝电阻在2Ω左右，放电管导通电阻约0.05Ω。由此分析可推算，当大电流时在ESR上能量消耗接近43%，存在危险。而图4、6固态铝电解电容D和钽电容F的ESR均在合理范围内，且固态铝电解电容ESR更低，有利于可靠起爆。

如图7到9测试结果，钽电容E、F在电压超20 V时漏电流相比固态铝电解电容明显增加，说明钽电容不适于顿感药剂高压起爆方案。大多电子雷管模块在延时阶段功耗低于10μA，而钽电容F漏电流高于3μA，占工作电流30%，会造成起爆电压不足引起拒爆。由于钽电容E在常温ESR测试中的安全隐患，此高温测试仅对比固态铝电解电容D和钽电容F，测试条件为偏压20 V，环境温度55 ℃。如图10两种电容ESR均无异变，其中钽电容F漏电最高达10 μA，与工作电流无异，钽电容F不适用于顿感药剂高压起爆又得到验证。

6    方案對比

综上所述，固态铝电解电容相对容量变化不大、高温漏电流小、ESR更低、过大电流能力强，可匹配各类药剂，适宜高压条件下通过配合钝感药剂使用。相比而言，钽电容只能使用敏感药剂方案，更具安全性和环保要求。而钽电容虽然部分参数相比铝电解电容无显著差异，但均劣于固态铝电解电容，高温漏电比固态铝电解电容大一个数量级，应限制高温环境应用。钽电容在耐压、过电流能力上不足限制其配合顿感药剂使用。其失效后会发生燃烧，且只能配合敏感药剂使用，导致在电子雷管安全性方面远逊于铝电解电容，不宜作为电子雷管模块储能电容方案推广。固态铝电解电容相比钽电容，生产稳定、供应周期短、价格优势明显。表1列出固态铝电解电容和钽电容特点供参考。