Diferențe între condensatoare electrolitice și condensatoare de film

C................onD.ensatoarele sunt componente cruciale în D.iferite circuite electronice și electrice, jucânD. un rol funD.amental în stocarea energiei, stabilizarea tensiunii și filtrarea. Printre D.iferitele tipuri de condensatoare, condensatoare electrolitice şi condensatoare de film sunt utilizate pe scară largă, dar acestea diferă semnificativ în ceea ce privește construcția, performanța și aplicațiile. În acest blog, nu vom explora doar diferențele cheie, ci și în unele calcule tehnice pentru a înțelege mai bine comportamentul lor în circuite.

1. Materiale de construcție și dielectrică

• Condensatoare electrolitice:
  Condensatoarele electrolitice sunt construite folosind două plăci conductoare (de obicei aluminiu sau tantal), cu un strat de oxid care servește ca dielectric. O doua placă este de obicei un electrolit lichid sau solid. Stratul de oxid oferă o capacitate ridicată pe unitatea de unitate, datorită structurii sale extrem de subțiri. Oceste condensatoare sunt polarizate, necesitând polaritatea corectă în circuit.

• Condensatori de film:
  Condensatoarele de film folosesc filme subțiri de plastic (cum ar fi polipropilen, poliester sau policarbonat) ca material dielectric. Oceste filme sunt rănite sau stivuite între două straturi metalizate, care acționează ca plăci. Condensatoarele de film sunt non-polare, ceea ce le face utilizabile atât în ​​circuitele OC, cât și în DC.

2. Calculul capacității

Capacitatea ( $C$ ) a unui condensator de placă paralelă, care se aplică atât la condensatoare electrolitice, cât și de film, este dată de formula:

$$C = \frac{\ Varepsilon_0 \ VAREPSILON_R A}{d}$$

Unde:

• $C$ = capacitate (farads, f)

• $\varepsilon_0$ = permisivitatea spațiului liber ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = permisivitatea relativă a materialului dielectric

• $A$ = zona plăcilor (m²)

• $d$ = distanța dintre plăci (m)

Calcul de exemplu : Pentru un condensator electrolitic folosind un dielectric de oxid ( $\ Varepsilon_R = 8.5$ ), cu o suprafață de farfurie din $10^{-4} \, \text{m}^2$ și o separare a $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Pentru un condensator de film folosind polipropilenă ( $\ Varepsilon_r = 2.2$ ), aceeași zonă a plăcii și o grosime dielectrică a $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

După cum arată calculul, condensatoarele electrolitice asigură o capacitate semnificativ mai mare pentru aceeași suprafață a plăcii și grosimea dielectrică datorită permisivității relative mai mari a materialului de oxid.

3. Rezistența echivalentă a seriei (ESR)

• Condensatoare electrolitice :

  Condensatorii electrolitici tind să aibă mai mari Rezistența echivalentă a seriei (ESR) în comparație cu condensatorii de film. ESR poate fi calculat ca:

$$ESR = \frac{1}{2 \pi f C Î}$$

Unde :

• $f$ = frecvența de funcționare (Hz)

• $C$ = capacitate (f)

• $Î$ = factor de calitate

Condensatoarele electrolitice au adesea valori ESR în intervalul 0,1 până la mai mulți ohmi datorită rezistenței lor interne și a pierderilor de electroliți. Acest ESR mai mare le face mai puțin eficiente în aplicațiile de înaltă frecvență, ceea ce duce la o disipare a căldurii crescută.

• Condensatoare de film :

  Condensatoarele de film au, de obicei, ESR foarte scăzute, adesea în intervalul de miliohm, ceea ce le face extrem de eficiente pentru aplicații de înaltă frecvență, cum ar fi filtrarea și comutarea surselor de alimentare. ESR mai mic are ca rezultat pierderi minime de putere și generare de căldură.

Exemplu ESR :
Pentru un condensator electrolitic cu $C = 100 \, \ mu f$ , funcționând la o frecvență de $f = 50 \, \text{Hz}$ și un factor de calitate $Î = 20$ :

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

Pentru un condensator de film cu aceeași capacitate și frecvență de funcționare, dar un factor de calitate superioară $Q = 200$ :

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

Acest lucru arată că condensatoarele de film au ESR mult mai scăzute, ceea ce le face mai potrivite pentru aplicații de înaltă performanță, de înaltă frecvență.

4. Ripple Curent și Stabilitatea termică

• Condensatoare electrolitice :
  Se știe că condensatoarele electrolitice au capacități limitate de manipulare a curentului. Curentul de ondulare generează căldură din cauza ESR, iar ondularea excesivă poate determina evaporarea electrolitului, ceea ce duce la o defecțiune a condensatorului. Evaluarea curentului Ripple este un parametru important, în special în sursele de alimentare și circuitele de acționare a motorului.

  Curentul de ondulare poate fi estimat folosind formula:

$$P_{\text{pierderi}} = I_{\text{clipoci}}^2 \times ESR$$

Unde:

• $P_{\text{pierderi}}$ = pierderea puterii (wați)

• $I_{\text{ripple}}$ = curent Ripple (amperi)

Dacă curentul de ondulare într -un condensator electrolitic de 100 pF cu un ESR de 0,1 ohmi este 1 A:

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

• Condensatori de film:

  Condensatoarele de film, cu ESR scăzută, pot gestiona curenți mai mari de ondulare cu o generare de căldură minimă. Acest lucru le face ideale pentru aplicații de curent alternativ, cum ar fi circuitele snubber și condensatoarele de rulare a motorului, unde apar fluctuații mari de curent.

5. Evaluare și defalcare a tensiunii

• Condensatoare electrolitice:
  Condensatoarele electrolitice au, în general, calificări de tensiune mai mici, de obicei variind de la 6,3V la 450V. Supravegherea poate duce la descompunerea dielectrică și eventual eșec. Construcția lor le face mai predispuse la scurtcircuite dacă stratul de oxid este deteriorat.

• Condensatori de film:
  Condensatoarele de film, în special cei cu polipropilenă dielectrică, pot gestiona tensiuni mult mai mari, care depășesc adesea 1.000V. Acest lucru le face potrivite pentru aplicații de înaltă tensiune, cum ar fi circuitele de legătură cu curent continuu, unde stabilitatea tensiunii este esențială.

6. Speranța de viață și fiabilitatea

• Condensatoare electrolitice:
  Speranța de viață a unui condensator electrolitic este afectată de temperatură, curent de ondulare și tensiune de funcționare. Regula generală este că, pentru fiecare creștere a temperaturii de 10 ° C, speranța de viață este redusă la jumătate. De asemenea, sunt supuși Îmbătrânirea condensatorului , pe măsură ce electrolitul se usucă în timp.

• Condensatori de film:
  Condensatoarele de film sunt extrem de fiabile, cu o durată de viață operațională lungă, depășind adesea 100.000 de ore în condiții nominale. Acestea sunt rezistente la factori de vârstă și de mediu, ceea ce le face ideale pentru aplicații pe termen lung, cu rentabilitate ridicată.

7. Aplicații

• Condensatoare electrolitice:

  • Filtrarea sursei de alimentare

  • Circuite audio (netezirea semnalului)

  • Circuite de pornire a motorului

  • Depozitarea energiei în circuite de joasă tensiune

• Condensatori de film:

  • Circuite AC/DC de înaltă tensiune

  • Circuite Snubber pentru protecție împotriva supratensiunii

  • Condensatoare de rulare a motorului

  • Suprimarea EMI/RFI

Aşa, Ce condensator să alegi?

Alegerea dintre condensatoarele electrolitice și cele de film depinde de nevoile specifice ale aplicației. Condensatoarele electrolitice oferă o capacitate ridicată într-o dimensiune compactă și sunt rentabile pentru aplicații de joasă tensiune. Cu toate acestea, ESR-ul lor mai ridicat, speranța de viață mai scurtă și sensibilitatea la temperatură le fac mai puțin ideale pentru aplicații de înaltă frecvență și de înaltă performanță.

Condensatoarele de film, cu fiabilitatea lor superioară, ESR scăzută și manipularea de înaltă tensiune, sunt preferați în aplicațiile care necesită performanțe și durabilitate ridicate, cum ar fi circuitele motorii de curent alternativ, invertoarele de putere și controalele industriale.

Înțelegând diferențele cheie și efectuând calculele tehnice necesare, puteți lua decizii mai informate pentru proiectarea circuitului dvs.