Forskjeller mellom elektrolytiske kondensatorer og filmkondensatorer

Kondensatorer er avgjørende komponenter i forskjellige elektroniske og elektriske kretsløp, og spiller en grunnleggende rolle i energilagring, spenningsstabilisering og filtrering. Blant de forskjellige typer kondensatorer, elektrolytiske kondensatorer og filmkondensatorer er mye brukt, men de skiller seg betydelig når det gjelder konstruksjon, ytelse og applikasjoner. jeg denne bloggen vil vi ikke bare utforske de viktigste forskjellene, men også dykke inn i noen tekniske beregninger for å bedre forstå deres oppførsel i kretsløp.

1. Konstruksjon og dielektriske materialer

• Elektrolytiske kondensatorer:
  Elektrolytiske kondensatorer er konstruert ved bruk av to ledende plater (vanligvis aluminium eller tantal), med et oksydlag som tjener som dielektrisk. Den andre platen er vanligvis en væske eller fast elektrolytt. Oksydlaget gir høy kapasitans per volum enhet på grunn av sin ekstremt tynne struktur. Disse kondensatorene er polarisert, og krever riktig polaritet i kretsen.

• Filmkondensatorer:
  Filmkondensatorer bruker tynne plastfilmer (for eksempel polypropylen, polyester eller polykarbonat) som det dielektriske materialet. Disse filmene er såret eller stablet mellom to metalliserte lag, som fungerer som platene. Filmkondensatorer er ikke-polare, noe som gjør dem brukbare i både ENC- og DC-kretsløp.

2. Kapasitansberegning

Kapasitansen ( $C$ ) av en parallell platekondensator, som gjelder både elektrolytiske og filmkondensatorer, er gitt av formelen:

$$C = \frac{\ VENREPSjegLON_0 \ VENREPSjegLON_R EN}{d}$$

Hvor:

• $C$ = Kapasitans (Farads, F)

• $\varepsilon_0$ = permittivitet av ledig plass ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = Relativ permittivitet av det dielektriske materialet

• $A$ = Plates område (m²)

• $d$ = Avstand mellom platene (m)

Eksempel Beregning : For en elektrolytisk kondensator ved bruk av et oksyddielektrikum ( $\ VAREPSjegLON_R = 8,5$ ), med et plateområde på $10^{-4} \, \text{m}^2$ og en separasjon av $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

For en filmkondensator som bruker polypropylen ( $\ VAREPSILON_R = 2,2$ ), det samme plateområdet og en dielektrisk tykkelse av $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Som beregningen viser, gir elektrolytiske kondensatorer betydelig høyere kapasitans for samme plateareal og dielektrisk tykkelse på grunn av den høyere relative permittiviteten til oksydmaterialet.

3. Ekvivalent seriemotstand (Esr)

• Elektrolytiske kondensatorer :

  Elektrolytiske kondensatorer har en tendens til å ha høyere Ekvivalent seriemotstand (Esr) sammenlignet med filmkondensatorer. ESR kan beregnes som:

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

Hvor :

• $f$ = Driftsfrekvens (Hz)

• $C$ = kapasitans (f)

• $Q$ = kvalitetsfaktor

Elektrolytiske kondensatorer har ofte ESR -verdier i området 0,1 til flere ohm på grunn av deres indre motstand og elektrolytttap. Denne høyere ESR gjør dem mindre effektive i høyfrekvente applikasjoner, noe som fører til økt varmeavledning.

• Filmkondensatorer :

  Filmkondensatorer har vanligvis veldig lav ESR, ofte i MilliohM-området, noe som gjør dem svært effektive for høyfrekvente applikasjoner, for eksempel filtrering og bytte strømforsyning. Det lavere ESR resulterer i minimalt krafttap og varmeproduksjon.

ESR -eksempel :
For en elektrolytisk kondensator med $C = 100 \, \ mu f$ , opererer med en frekvens av $f = 50 \, \text{Hz}$ og en kvalitetsfaktor $Q = 20$ :

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

For en filmkondensator med samme kapasitans og driftsfrekvens, men en faktor av høyere kvalitet $Q = 200$ :

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

Dette viser at filmkondensatorer har mye lavere ESR, noe som gjør dem mer egnet for høyytelses, høyfrekvente applikasjoner.

4. Rippelstrøm og termisk stabilitet

• Elektrolytiske kondensatorer :
  Elektrolytiske kondensatorer er kjent for å ha begrensede rippelstrømbehandlingsmuligheter. Rippelstrøm genererer varme på grunn av ESR, og overdreven krusning kan føre til at elektrolytten fordamper, noe som fører til kondensatorfeil. Rippelstrømvurderingen er en viktig parameter, spesielt i strømforsyninger og motoriske kretsløp.

  Rippelstrøm kan estimeres ved bruk av formelen:

$$P_{\text{tap}} = I_{\text{Ripple}}^2 \times ESR$$

Hvor:

• $P_{\text{tap}}$ = strømtap (Watts)

• $I_{\text{ripple}}$ = Ripple Current (Amperes)

Hvis krusningsstrømmen i en 100 µF elektrolytisk kondensator med en ESR på 0,1 ohm er 1 a:

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

• Filmkondensatorer:

  Filmkondensatorer, med sin lave ESR, kan håndtere høyere krusningsstrømmer med minimal varmeproduksjon. Dette gjør dem ideelle for vekselstrømsapplikasjoner, for eksempel snubberkretser og motoriske kondensatorer, der store strømsvingninger oppstår.

5. Spenningsvurdering og sammenbrudd

• Elektrolytiske kondensatorer:
  Elektrolytiske kondensatorer har generelt lavere spenningsvurderinger, typisk fra 6,3V til 450V. Overspenning kan føre til dielektrisk sammenbrudd og eventuell svikt. Konstruksjonen deres gjør dem mer utsatt for kortslutning hvis oksydlaget er skadet.

• Filmkondensatorer:
  Filmkondensatorer, spesielt de med polypropylen -dielektrisk, kan håndtere mye høyere spenninger, ofte over 1000V. Dette gjør dem egnet for høyspenningsapplikasjoner, for eksempel DC-koblingskretser, der spenningsstabilitet er kritisk.

6. Forventet levealder og pålitelighet

• Elektrolytiske kondensatorer:
  Forventet levealder for en elektrolytisk kondensator påvirkes av temperatur, krusningsstrøm og driftsspenning. Den generelle tommelfingerregelen er at for hver 10 ° C -økning i temperaturen blir forventet levealder halvert. De er også underlagt kondensator aldring , som elektrolytten tørker ut over tid.

• Filmkondensatorer:
  Filmkondensatorer er svært pålitelige med et langt driftsliv, og overstiger ofte 100 000 timer under nominelle forhold. De er motstandsdyktige mot aldring og miljøfaktorer, noe som gjør dem ideelle for langsiktige applikasjoner med høy pålitelighet.

7. Søknader

• Elektrolytiske kondensatorer:

  • Strømforsyningsfiltrering

  • Audio Circuits (Signal Smoothing)

  • Motorstartkretser

  • Energilagring i lavspentkretser

• Filmkondensatorer:

  • Høyspent AC/DC-kretser

  • Snubberkretser for bølgebeskyttelse

  • Motorkjøringskondensatorer

  • EMI/RFI -undertrykkelse

Så, Hvilken kondensator å velge?

Å velge mellom elektrolytiske og filmkondensatorer avhenger av applikasjonens spesifikke behov. Elektrolytiske kondensatorer tilbyr høy kapasitans i en kompakt størrelse og er kostnadseffektive for lavspent-applikasjoner. Imidlertid gjør deres høyere ESR, kortere forventet levealder og følsomhet for temperaturen dem mindre ideelle for applikasjoner med høy frekvens og høy pålitelighet.

Filmkondensatorer, med sin overlegne pålitelighet, lav ESR og høyspenningshåndtering, er å foretrekke i applikasjoner som krever høy ytelse og holdbarhet, for eksempel AC-motorkretser, strømforhandlinger og industrielle kontroller.

Ved å forstå de viktigste forskjellene og utføre de nødvendige tekniske beregningene, kan du ta mer informerte beslutninger for kretsdesign.