Razlike između elektrolitskih kondenzatora i filmskih kondenzatora

Kondenzatori su ključne komponente u raznim elektroničkim i električnim krugovima, igraju temeljnu ulogu u pohrani energije, stabilizaciji napona i filtriranju. Među različitim vrstama kondenzatora, elektrolitski kondenzatori i filmski kondenzatori široko se koriste, ali se značajno razlikuju u pogledu konstrukcije, izvedbe i primjene. U ovom blogu nećemo samo istražiti ključne razlike, već ćemo također zaroniti u neke tehničke izračune kako bismo bolje razumjeli njihovo ponašanje u krugovima.

1. Konstrukcijski i dielektrični materijali

• Elektrolitički kondenzatori:
  Elektrolitički kondenzatori konstruirani su od dvije vodljive ploče (obično aluminijske ili tantalove), s oksidnim slojem koji služi kao dielektrik. Druga ploča je obično tekući ili čvrsti elektrolit. Oksidni sloj osigurava visoku kapacitivnost po jedinici volumena zbog svoje izuzetno tanke strukture. Ovi kondenzatori su polarizirani, što zahtijeva pravilan polaritet u krugu.

• Filmski kondenzatori:
  Filmski kondenzatori koriste tanke plastične filmove (kao što su polipropilen, poliester ili polikarbonat) kao dielektrični materijal. Ovi filmovi su namotani ili složeni između dva metalizirana sloja, koji djeluju kao ploče. Filmski kondenzatori su nepolarni, što ih čini upotrebljivim iu AC i DC krugovima.

2. jazračun kapaciteta

Kapacitet ( $C$ ) paralelnog pločastog kondenzatora, koji se odnosi i na elektrolitske i na filmske kondenzatore, daje se formulom:

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

Gdje:

• $C$ = kapacitet (faradi, F)

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

• $\varepsilon_r$ = relativna permitivnost dielektričnog materijala

• $A$ = površina ploča (m²)

• $d$ = udaljenost između ploča (m)

Primjer izračuna : Za elektrolitički kondenzator koji koristi oksidni dielektrik ( $\varepsilon_r = 8,5$ ), s površinom ploče od $10^{-4} \, \text{m}^2$ i odvajanje od $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Za filmski kondenzator koji koristi polipropilen ( $\varepsilon_r = 2,2$ ), istu površinu ploče i debljinu dielektrika od $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Kao što proračun pokazuje, elektrolitički kondenzatori daju značajno veći kapacitet za istu površinu ploče i debljinu dielektrika zbog veće relativne permitivnosti oksidnog materijala.

3. Ekvivalentni serijski otpor (ESR)

• Elektrolitički kondenzatori :

  Elektrolitički kondenzatori obično imaju veći Ekvivalentni serijski otpor (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 ESR vrijednosti u rasponu od 0,1 do nekoliko ohma zbog svog unutarnjeg otpora i gubitaka elektrolita. Ovaj viši ESR čini ih manje učinkovitima u visokofrekventnim primjenama, što dovodi do povećane disipacije topline.

• Filmski kondenzatori :

  Filmski kondenzatori obično imaju vrlo nizak ESR, često u području miliohma, što ih čini vrlo učinkovitima za visokofrekventne primjene, kao što su filtriranje i prekidački izvori napajanja. Niži ESR rezultira minimalnim gubitkom snage i stvaranjem topline.

Primjer ESR :
Za elektrolitski kondenzator sa $C = 100 \, \mu F$ , radeći 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 višim faktorom 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 puno niži ESR, što ih čini prikladnijima za visokoučinkovite i visokofrekventne primjene.

4. Struja valovitosti i toplinska stabilnost

• Elektrolitički kondenzatori :
  Poznato je da elektrolitički kondenzatori imaju ograničene mogućnosti rukovanja valovitom strujom. Valovita struja stvara toplinu zbog ESR-a, a prekomjerna valovitost može uzrokovati isparavanje elektrolita, što dovodi do kvara kondenzatora. Nazivna struja valovitosti je važan parametar, posebno u izvorima napajanja i strujnim krugovima motora.

  Struja valovitosti može se procijeniti pomoću formule:

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

Gdje:

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

• $I_{\text{ripple}}$ = valovitost struje (amperi)

Ako je valovita struja u elektrolitskom kondenzatoru od 100 µF s ESR od 0,1 ohma 1 A:

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

• Filmski kondenzatori:

  Filmski kondenzatori, sa svojim niskim ESR-om, mogu podnijeti veće valovitosti struje uz minimalno stvaranje topline. To ih čini idealnim za AC aplikacije, kao što su prigušni krugovi i kondenzatori za pogon motora, gdje dolazi do velikih fluktuacija struje.

5. Nazivni napon i kvar

• Elektrolitički kondenzatori:
  Elektrolitički kondenzatori općenito imaju niži napon, obično u rasponu od 6,3 V do 450 V. Prenapon može dovesti do proboja dielektrika i eventualnog kvara. Njihova konstrukcija čini ih sklonijima kratkim spojevima ako je oksidni sloj oštećen.

• Filmski kondenzatori:
  Filmski kondenzatori, posebno oni s polipropilenskim dielektrikom, mogu podnijeti puno veće napone, često preko 1000 V. To ih čini prikladnima za visokonaponske primjene, kao što su krugovi istosmjernog međukruga, gdje je stabilnost napona kritična.

6. Očekivani životni vijek i pouzdanost

• Elektrolitički kondenzatori:
  Na očekivani životni vijek elektrolitskog kondenzatora utječu temperatura, valovitost struje i radni napon. Općenito pravilo je da se za svakih 10°C povećanja temperature očekivani životni vijek prepolovi. Oni također podliježu starenje kondenzatora , jer se elektrolit s vremenom isušuje.

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

7. Prijave

• Elektrolitički kondenzatori:

  • Filtriranje napajanja

  • Audio sklopovi (izglađivanje signala)

  • Krugovi pokretanja motora

  • Spremanje energije u niskonaponskim krugovima

• Filmski kondenzatori:

  • Visokonaponski AC/DC krugovi

  • Prigušni krugovi za zaštitu od prenapona

  • Kondenzatori za pogon motora

  • EMI/RFI potiskivanje

Tako, Koji kondenzator odabrati?

Odabir između elektrolitskih i filmskih kondenzatora ovisi o specifičnim potrebama primjene. Elektrolitički kondenzatori nude veliki kapacitet u kompaktnoj veličini i isplativi su za niskonaponske primjene. Međutim, njihov veći ESR, kraći životni vijek i osjetljivost na temperaturu čine ih manje idealnima za visokofrekventne i visokopouzdane aplikacije.

Filmski kondenzatori, sa svojom vrhunskom pouzdanošću, niskim ESR-om i rukovanjem visokim naponom, poželjni su u aplikacijama koje zahtijevaju visoke performanse i izdržljivost, kao što su strujni krugovi AC motora, pretvarači snage i industrijske kontrole.

Razumijevanjem ključnih razlika i izvođenjem potrebnih tehničkih proračuna možete donositi informiranije odluke za svoj dizajn sklopa.