Razlike između elektrolitičkih kondenzatora i filmskih kondenzatora

Kondenzatori su ključne komponente u različitim elektroničkim i električnim krugovima, igrajući temeljnu ulogu u skladištu energije, stabilizaciji napona i filtriranju. Među različitim vrstama kondenzatora, elektrolitički kondenzatori i filmski kondenzatori široko se koriste, ali se značajno razlikuju u pogledu konstrukcije, performansi i primjena. U ovom blogu ne samo da ćemo istražiti ključne razlike, već će i zaroniti u neke tehničke proračune kako bismo bolje razumjeli njihovo ponašanje u krugovima.

1. Konstrukcija i dielektrični materijali

• Elektrolitički kondenzatori::::::::::
  Elektrolitički kondenzatori konstruirani su korištenjem dvije provodljive ploče (obično aluminij ili tantalum), s oksidnim slojem koji služi kao dielektrik. Druga ploča je obično tekući ili čvrsti elektrolit. Sloj oksida osigurava visoku kapacitet po jedinici volumena zbog svoje izuzetno tanke strukture. Ovi kondenzatori su polarizirani, što zahtijeva ispravnu polaritet u krugu.

• Filmski kondenzatori:
  Filmski kondenzatori koriste tanke plastične filmove (poput polipropilena, poliestera ili polikarbonata) kao dielektrični materijal. Ovi su filmovi ranjeni ili složeni između dva metalizirana sloja, koji djeluju kao ploče. Filmski kondenzatori su nepolarni, što ih čini upotrebljivim u AC i DC krugovima.

2. Jazračunavanje kapacitivnosti

Kapacitet ( $C$ ) Kondenzator paralelne ploče, koji se odnosi na elektrolitičke i filmske kondenzatore, daje formulu:

$$C = \frac{\ varepsilon_0 \ varepsilon_r A}{d}$$

Gdje:

• $C$ = Kapacitet (Farads, F)

• $\varepsilon_0$ = propusnost slobodnog prostora ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = relativna propusnost dielektričnog materijala

• $A$ = Područje ploča (m²)

• $d$ = Udaljenost između ploča (m)

Primjer izračuna : Za elektrolitički kondenzator pomoću oksidnog dielektrika ( $\ varepsilon_r = 8.5$ ), s područjem tanjura od $10^{-4} \, \text{m}^2$ i razdvajanje $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$C = \frac{8.854 \times 10^{-12} \times 8.5 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 7.53 \times 10^{-9} \, \text{F} = 7.53 \, \text{NF}$$

Za filmski kondenzator koji koristi polipropilen ( $\ varepsilon_r = 2.2$ ), isto područje ploče i dielektrična debljina $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$C = \frac{8.854 \times 10^{-12} \times 2.2 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 1.95 \times 10^{-9} \, \text{F} = 1.95 \, \text{nF}$$

Kao što izračun pokazuje, elektrolitički kondenzatori pružaju značajno veći kapacitet za isto područje ploče i dielektričnu debljinu zbog veće relativne propusnosti oksidnog materijala.

3. Ekvivalentni otpor serije (ESR)

• Elektrolitički kondenzatori :

  Elektrolitički kondenzatori obično imaju veći Ekvivalentni otpor serije (ESR) U usporedbi s filmskim kondenzatorima. ESR se može izračunati kao:

$$ESR = \frac{1}{2 \pi f C Q}$$

Gdje :

• $f$ = Radna frekvencija (HZ)

• $C$ = Kapacitet (F)

• $Q$ = faktor kvalitete

Elektrolitički kondenzatori često imaju vrijednosti ESR -a u rasponu od 0,1 do nekoliko ohma zbog njihovog unutarnjeg otpora i gubitaka elektrolita. Ovaj veći ESR čini ih manje učinkovitim u visokofrekventnim primjenama, što dovodi do povećanja toplinske rasipanja.

• Filmski kondenzatori :

  Filmski kondenzatori obično imaju vrlo nizak ESR, često u miliohm rasponu, što ih čini visoko učinkovitim za visokofrekventne aplikacije, poput filtriranja i prebacivanja napajanja. Niži ESR rezultira minimalnim gubitkom snage i stvaranjem topline.

ESR primjer :
Za elektrolitički kondenzator s $C = 100 \, \ mu f$ , rad na frekvenciji od $f = 50 \, \text{Hz}$ i faktor kvalitete $Q = 20$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 20} = 0.159 \, \Omega$$

Za filmski kondenzator s istim kapacitetom i radnom frekvencijom, ali veći faktor kvalitete $Q = 200$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 200} = 0.0159 \, \Omega$$

To pokazuje da filmski kondenzatori imaju mnogo niži ESR, što ih čini prikladnijim za visokofrekventne, visokofrekventne aplikacije.

4. Struja i toplinska stabilnost

• Elektrolitički kondenzatori :
  Poznato je da elektrolitički kondenzatori imaju ograničene mogućnosti rukovanja strujom. Struja pucanja stvara toplinu zbog ESR -a, a prekomjerna pukotina može uzrokovati isparavanje elektrolita, što dovodi do kvara kondenzatora. Ocjena struje za pucanje važan je parametar, posebno u napajanju i krugovima pogona motora.

  Struja valova može se procijeniti pomoću formule:

$$P_{\text{gubitak}} = Ja_{\text{mreškanje}}^2 \times ESR$$

Gdje:

• $P_{\text{gubitak}}$ = gubitak snage (Watts)

• $I_{\text{ripple}}$ = pukotina struja (amperi)

Ako je struja pucanja u elektrolitičkom kondenzatoru od 100 µF s ESR -om od 0,1 ohma 1 A:

$$P_{\text{loss}} = 1^2 \times 0.1 = 0.1 \, \text{W}$$

• Filmski kondenzatori:

  Filmski kondenzatori, s njihovim niskim ESR -om, mogu podnijeti veće struje valova s ​​minimalnom stvaranjem topline. To ih čini idealnim za izmjenične aplikacije, kao što su snubber krugovi i kondenzatori za pokretanje motora, gdje se pojavljuju velike fluktuacije struje.

5. Ocjena i slom napona

• Elektrolitički kondenzatori:
  Elektrolitički kondenzatori uglavnom imaju niže ocjene napona, obično u rasponu od 6,3 V do 450V. Prepoznavanje može dovesti do dielektričnog raspada i eventualnog neuspjeha. Njihova konstrukcija čini ih sklonijim kratkim spojevima ako je sloj oksida oštećen.

• Filmski kondenzatori:
  Filmski kondenzatori, posebno oni s polipropilen dielektrikom, mogu podnijeti mnogo veće napone, često prelazeći 1.000 V. To ih čini prikladnim za visokonaponske aplikacije, kao što su krugovi DC-Link, gdje je stabilnost napona kritična.

6. Očekivanje života i pouzdanost

• Elektrolitički kondenzatori:
  Na životni vijek elektrolitičkog kondenzatora utječe temperatura, struja valova i radni napon. Općenito pravilo je da se na svaki porast temperature na svakih 10 ° C prepoložen životni vijek. Također su podložni starenje kondenzatora , kako se elektrolit s vremenom isušuje.

• Filmski kondenzatori:
  Filmski kondenzatori vrlo su pouzdani s dugim operativnim vijekom, često većim od 100 000 sati u nazivnim uvjetima. Oni su otporni na starenje i čimbenike okoliša, što ih čini idealnim za dugoročne, visoke pouzdanosti.

7. Prijave

• Elektrolitički kondenzatori:

  • Filtriranje napajanja

  • Audio krugovi (glačanje signala)

  • Krugovi pokretanja motora

  • Skladištenje energije u krugovima s malim naponom

• Filmski kondenzatori:

  • AC/DC krugovi visokog napona

  • Snubber krugovi za zaštitu od prenapona

  • Kondenzatori za pokretanje motora

  • Suzbijanje EMI/RFI

Tako, Koji kondenzator odabrati?

Odabir između elektrolitičkih i filmskih kondenzatora ovisi o specifičnim potrebama aplikacije. Elektrolitički kondenzatori nude visoku kapacitet u kompaktnoj veličini i isplativi su za aplikacije s malim naponom. Međutim, njihov veći ESR, kraći životni vijek i osjetljivost na temperaturu čine ih manje idealnim za visokofrekventne i visoke primjene.

Filmski kondenzatori, sa svojom superiornom pouzdanošću, niskim ESR-om i visokonaponskim rukovanjem, preferiraju se u aplikacijama koje zahtijevaju visoke performanse i izdržljivost, poput izmjeničnih motornih krugova, pretvarača snage i industrijske kontrole.

Razumijevanjem ključnih razlika i provođenjem potrebnih tehničkih izračuna, možete donositi više informiranih odluka za svoj dizajn kruga.