Diferențele dintre condensatorii electrolitici și condensatorii cu film

Condensatorii sunt componente esențiale în diferite circuite electronice și electrice, jucând un rol fundamental în stocarea energiei, stabilizarea tensiunii și filtrare. Dintre diferitele tipuri de condensatoare, condensatoare electrolitice şi condensatoare cu film sunt utilizate pe scară largă, dar diferă semnificativ în ceea ce privește construcția, performanța și aplicațiile. În acest blog, nu numai că vom explora diferențele cheie, ci vom explora și câteva calcule tehnice pentru a înțelege mai bine comportamentul acestora în circuite.

1. Materiale de construcție și dielectrice

• Condensatori electrolitici:
  Condensatoarele electrolitice sunt construite folosind două plăci conductoare (de obicei aluminiu sau tantal), cu un strat de oxid care servește drept dielectric. O doua placă este de obicei un electrolit lichid sau solid. Stratul de oxid oferă o capacitate mare pe unitate de volum datorită structurii sale extrem de subțiri. Ocești condensatori sunt polarizați, necesitând polaritatea corectă în circuit.

• Condensatori de film:
  Condensatoarele cu film utilizează folii subțiri de plastic (cum ar fi polipropilena, poliesterul sau policarbonatul) ca material dielectric. Oceste filme sunt înfășurate sau stivuite între două straturi metalizate, care acționează ca plăci. Condensatorii de film sunt nepolari, ceea ce îi face utilizabil atât în ​​circuite OC cât și DC.

2. Calculul capacității

Capacitatea ( $C$ ) a unui condensator cu plăci paralele, care se aplică atât condensatoarelor electrolitice, cât și condensatoarelor cu film, este dată de formula:

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

Unde:

• $C$ = capacitate (faradi, F)

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

• $\varepsilon_r$ = permisivitatea relativă a materialului dielectric

• $A$ = aria plăcilor (m²)

• $d$ = distanta dintre placi (m)

Exemplu de calcul : Pentru un condensator electrolitic care utilizează un dielectric de oxid ( $\varepsilon_r = 8,5$ ), cu o suprafață de placă de $10^{-4} \, \text{m}^2$ si 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 care folosește polipropilenă ( $\varepsilon_r = 2,2$ ), aceeași zonă a plăcii și o grosime dielectrică de $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

După cum arată calculul, condensatorii electrolitici oferă o capacitate semnificativ mai mare pentru aceeași zonă a plăcii și grosimi dielectrice datorită permitivității relative mai mari a materialului de oxid.

3. Rezistență în serie echivalentă (ESR)

• Condensatoare electrolitice :

  Condensatoarele electrolitice tind să aibă mai mari Rezistență în serie echivalentă (ESR) comparativ cu condensatoarele de film. ESR poate fi calculat ca:

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

Unde :

• $f$ = frecvența de funcționare (Hz)

• $C$ = capacitate (F)

• $Q$ = factor de calitate

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

• Condensatoare cu film :

  Condensatorii cu film au de obicei ESR foarte scăzut, adesea în intervalul de miliohmi, ceea ce îi face extrem de eficienți pentru aplicații de înaltă frecvență, cum ar fi filtrarea și comutarea surselor de alimentare. ESR mai scăzut 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 $Q = 20$ :

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

Pentru un condensator de film cu aceeași capacitate și frecvență de operare, dar un factor de calitate mai ridicat $Q = 200$ :

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

Acest lucru arată că condensatoarele cu film au ESR mult mai scăzute, făcându-le mai potrivite pentru aplicații de înaltă performanță, de înaltă frecvență.

4. Curent de ondulare și stabilitate termică

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

  Curentul de ondulare poate fi estimat folosind formula:

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

Unde:

• $P_{\text{pierderi}}$ = pierdere de putere (wați)

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

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

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

• Condensatori de film:

  Condensatorii cu film, cu ESR scăzut, pot face față curenților de ondulare mai mari cu generare minimă de căldură. Acest lucru le face ideale pentru aplicații AC, cum ar fi circuitele amortizoare și condensatoarele de funcționare a motorului, unde apar fluctuații mari de curent.

5. Tensiunea nominală și defalcare

• Condensatori electrolitici:
  Condensatoarele electrolitice au, în general, tensiuni nominale mai mici, de obicei variind de la 6,3 V la 450 V. Supratensiunea poate duce la defectarea dielectrică și eventuala defecțiune. Construcția lor le face mai predispuse la scurtcircuite dacă stratul de oxid este deteriorat.

• Condensatori de film:
  Condensatorii cu film, în special cei cu dielectric din polipropilenă, pot suporta tensiuni mult mai mari, depășind adesea 1.000V. Acest lucru le face potrivite pentru aplicații de înaltă tensiune, cum ar fi circuitele DC-link, unde stabilitatea tensiunii este critică.

6. Speranța de viață și fiabilitatea

• Condensatori electrolitici:
  Durata de viață a unui condensator electrolitic este afectată de temperatură, curent de ondulare și tensiune de funcționare. Regula generală este că pentru fiecare creștere cu 10°C a temperaturii, speranța de viață se reduce la jumătate. Ele sunt, de asemenea, supuse îmbătrânirea condensatorului , deoarece electrolitul se usucă în timp.

• Condensatori de film:
  Condensatorii cu film sunt foarte fiabili, cu o durată de viață lungă, depășind adesea 100.000 de ore în condiții nominale. Sunt rezistente la îmbătrânire și factori de mediu, făcându-le ideale pentru aplicații pe termen lung, de înaltă fiabilitate.

7. Aplicații

• Condensatori electrolitici:

  • Filtrarea sursei de alimentare

  • Circuite audio (netezirea semnalului)

  • Circuite de pornire a motorului

  • Stocarea energiei în circuite de joasă tensiune

• Condensatori de film:

  • Circuite de înaltă tensiune AC/DC

  • Circuite amortizoare pentru protecția la supratensiune

  • Condensatoare de funcționare a motorului

  • Suprimarea EMI/RFI

Aşa, Ce condensator să alegi?

Alegerea între condensatoare electrolitice și condensatoare pe film depinde de nevoile specifice ale aplicației. Condensatoarele electrolitice oferă o capacitate mare într-o dimensiune compactă și sunt rentabile pentru aplicații de joasă tensiune. Cu toate acestea, ESR mai mare, speranța de viață mai scurtă și sensibilitatea la temperatură le fac mai puțin ideale pentru aplicații de înaltă frecvență și de înaltă fiabilitate.

Condensatorii cu film, cu fiabilitatea lor superioară, ESR scăzut și manipularea la tensiune înaltă, sunt preferați în aplicațiile care necesită performanță și durabilitate ridicate, cum ar fi circuitele motoarelor AC, invertoarele de putere și comenzile industriale.

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