电子雷管控制模块中储能电容的优选方案

  ：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）及综合安全性等方面做比较和分析。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。

  数码电子雷管内置，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做通信。储能电容是很重要的元件，经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作对比分析。

  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常规使用的寿命。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比较差，且失效后易产生明火，影响其在高可靠性需求中的应用。

  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。

  在同等模块功耗的前提下，储能电容容值越大，雷管可设定的延迟时间越长，起爆时储能电容上留存的电荷也越多，雷管炸药获得的能量就越大，起爆可靠性就越高。在单位体积容值方面，钽电容相比固态铝电解电容有优势，但由于耐压问题，应用于高压的钽电容尺寸较大。选取100 μF 耐压25 V，尺寸为Φ5×8 mm 的固态电容与68 μF 耐压20 V，尺寸为6 mm×3.2 mm×2.5 mm钽电容做对比。电子雷管的管壳为圆柱形管壳，因此铝电解电容的形态更适合电子雷管的装配。由于电子雷管模块的PCB（印刷电路板）需要在管壳内过管壳截面圆心水平放置，因此坦电解电容方案所需的管壳半径为：

  ，而铝电解电容所需管壳半径为：Φ = 5 / 2 = 2.5 mm，可见使用铝电解电容不仅容值增加50%，还能缩小电子雷管管壳半径。

  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，跟着时间推移而下降，达到某一终值，此终值电流称为漏电流。漏电流的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，极度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主要的因素之一。

  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，RESR为ESR，Rq为起爆桥丝电阻，RON是放电管的导通电阻。ESR过高会导致起爆瞬间的电流偏小，因而起爆桥丝没有办法获得足够能量引爆火药。

  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锰耐热性差，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，大电流轻易造成钽电容失效引发事故。

  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1.6 Ω，而通常桥丝电阻在2 Ω 左右，放电管导通电阻约0.05 Ω。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显著增加，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10 μA，而钽电容F 漏电流高于3 μA，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 测试中的安全风险隐患，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，环境和温度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。

  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，钽电容只可以使用敏感药剂方案，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、价格上的优势明显。表1 列出固态铝电解电容和钽电容特点供参考。