Rozdiely medzi elektrolytickými kondenzátormi a kondenzátormi filmov

Kondenzátory sú rozhodujúcimi komponentmi v rôznych elektronických a elektrických obvodoch, ktoré zohrávajú základnú úlohu pri skladovaní energie, stabilizácii napätia a filtrovaní. Medzi rôzne typy kondenzátorov, elektrolytické kondenzátory a kondenzátory sa široko používajú, ale výrazne sa líšia, pokiaľ ide o výstavbu, výkon a aplikácie. V tomto blogu preskúmame nielen kľúčové rozdiely, ale tiež sa ponoríme do niektorých technických výpočtov, aby sme lepšie porozumeli ich správaniu v obvodoch.

1. Konštrukcia a dielektrické materiály

• Elektrolytické kondenzátory:
  Elektrolytické kondenzátory sa konštruujú s použitím dvoch vodivých doštičiek (zvyčajne hliníka alebo tantala), pričom oxidová vrstva slúži ako dielektrika. Druhou doskou je zvyčajne kvapalina alebo tuhý elektrolyt. Vrstva oxidu poskytuje vysokú kapacitu na jednotku objemu v dôsledku jej extrémne tenkej štruktúry. Tieto kondenzátory sú polarizované a vyžadujú správnu polaritu v obvode.

• Filmové kondenzátory:
  Filmové kondenzátory využívajú ako dielektrický materiál tenké plastové filmy (ako je polypropylén, polyester alebo polykarbonát). Tieto filmy sú zranené alebo naskladané medzi dvoma metalizovanými vrstvami, ktoré pôsobia ako dosky. Filmové kondenzátory sú nepolárne, čo ich robí použiteľnými v obvodoch AC aj DC.

2. Výpočet

Kapacita ( $C$ ) kondenzátora paralelného platne, ktorý sa vzťahuje na elektrolytické aj filmové kondenzátory, je daný vzorcom:

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

Kde:

• $C$ = kapacita (farads, f)

• $\varepsilon_0$ = permitivita voľného priestoru ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = relatívna permitivita dielektrického materiálu

• $A$ = plocha dosiek (m²)

• $d$ = vzdialenosť medzi doskami (m)

Príklad výpočtu : Pre elektrolytický kondenzátor s použitím dielektrika oxidu ( $\ varepsilon_r = 8.5$ ) s plochou taniera $10^{-4} \, \text{m}^2$ a oddelenie $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Pre filmový kondenzátor pomocou polypropylénu ( $\ varepsilon_r = 2.2$ ), rovnaká plocha doštičiek a dielektrická hrúbka $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Ako ukazuje výpočet, elektrolytické kondenzátory poskytujú významne vyššiu kapacitu pre rovnakú plochu doštičiek a dielektrickú hrúbku v dôsledku vyššej relatívnej permitivity oxidového materiálu.

3. Rovnocenná séria odporu (ESiežiežiežiežR)

• Elektrolytické kondenzátory :

  Elektrolytické kondenzátory majú tendenciu mať vyššie Rovnocenná séria odporu (Esr) V porovnaní s filmovými kondenzátormi. Esr možno vypočítať ako:

$$ESR = \frac{1}{2 \pi f C Otázka}$$

Kdekoľvek :

• $f$ = Prevádzková frekvencia (Hz)

• $C$ = kapacita (f)

• $Otázka$ = Kvalitný faktor

Elektrolytické kondenzátory majú často hodnoty ESR v rozsahu 0,1 až niekoľko ohmov kvôli ich vnútornému odporu a stratám elektrolytov. Táto vyššia ESR ich robí menej efektívnymi vo vysokofrekvenčných aplikáciách, čo vedie k zvýšenému rozptylu tepla.

• Kondenzátory :

  Filmové kondenzátory majú zvyčajne veľmi nízky ESR, často v rozsahu Milliohm, vďaka čomu sú vysoko efektívne pre vysokofrekvenčné aplikácie, ako sú filtrovanie a prepínanie napájacích zdrojov. Nižšie ESR vedie k minimálnej strate energie a tvorbe tepla.

Príklad ESR :
Pre elektrolytický kondenzátor s $C = 100 \, \ mu f$ , pracujúce na frekvencii $f = 50 \, \text{Hz}$ a faktor kvality $Otázka = 20$ :

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

Pre filmový kondenzátor s rovnakou kapacitou a prevádzkovou frekvenciou, ale faktorom vyššej kvality $Q = 200$ :

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

To ukazuje, že filmové kondenzátory majú oveľa nižšiu ESR, vďaka čomu sú vhodnejšie pre vysoko výkonné, vysokofrekvenčné aplikácie.

4. Zvlnený prúd a tepelná stabilita

• Elektrolytické kondenzátory :
  Je známe, že elektrolytické kondenzátory majú obmedzené možnosti manipulácie s zvlnením. Zvlnený prúd vytvára teplo v dôsledku ESR a nadmerné zvlnenie môže spôsobiť odparovanie elektrolytu, čo vedie k zlyhaniu kondenzátora. Hodnotenie prúdu zvlnenia je dôležitým parametrom, najmä v napájacích zdrojoch a obvodoch pohonu motora.

  Prúd vlnenia je možné odhadnúť pomocou vzorca:

$$P_{\text{strata}} = I_{\text{vlniť sa}}^2 \times ESR$$

Kde:

• $P_{\text{strata}}$ = strata energie (watts)

• $I_{\text{ripple}}$ = prúd zvlnenia (ampéry)

Ak zvlnený prúd v elektrolytickom kondenzátore 100 uF s ESR 0,1 ohmov je 1 A:

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

• Filmové kondenzátory:

  Filmové kondenzátory s nízkym ESR dokážu zvládnuť vyššie prúdy zvlnenia s minimálnou tvorbou tepla. Vďaka tomu sú ideálne pre AC aplikácie, ako sú Snubber Circuits a Motor Run Conydaters, kde sa vyskytujú veľké výkyvy prúdu.

5. Hodnotenie a poruchy napätia

• Elektrolytické kondenzátory:
  Elektrolytické kondenzátory majú vo všeobecnosti nižšie hodnotenie napätia, zvyčajne v rozmedzí od 6,3 V do 450 V. Prepätie môže viesť k dielektrickému rozpadu a prípadnému zlyhaniu. Vďaka ich konštrukcii sú náchylnejšie na skratky, ak je poškodená oxidová vrstva.

• Filmové kondenzátory:
  Filmové kondenzátory, najmä tie, ktoré s polypropylénovým dielektrikom, dokážu zvládnuť oveľa vyššie napätie, ktoré často presahujú 1 000 V. Vďaka tomu sú vhodné pre aplikácie s vysokým napätím, ako sú obvody DC-Link, kde je stabilita napätia kritická.

6. Dĺžka života a spoľahlivosť

• Elektrolytické kondenzátory:
  Dĺžka života elektrolytického kondenzátora je ovplyvnená teplotou, prúdom zvlnenia a prevádzkovým napätím. Všeobecným pravidlom je, že za každé zvýšenie teploty o 10 ° C je dĺžka života na polovicu. Sú tiež predmetom starnutie kondenzátora , pretože elektrolyt v priebehu času vyschne.

• Filmové kondenzátory:
  Filmové kondenzátory sú veľmi spoľahlivé s dlhou prevádzkovou životnosťou, často presahujúce 100 000 hodín v menovitých podmienkach. Sú odolné voči starnutiu a faktorom životného prostredia, vďaka čomu sú ideálne pre dlhodobé aplikácie s vysokou spoľahlivosťou.

7. Aplikácie

• Elektrolytické kondenzátory:

  • Filtrovanie napájania

  • Zvukové obvody (vyhladenie signálu)

  • Počiatočné obvody motora

  • Ukladanie energie v obvodoch nízkeho napätia

• Filmové kondenzátory:

  • Obvody s vysokým napätím AC/DC

  • Snubber obvody na ochranu proti prepätiu

  • Kondenzátory

  • EMI/RFI potlačenie

Tak Ktorý kondenzátor si vybrať?

Výber medzi elektrolytickými a filmovými kondenzátormi závisí od konkrétnych potrieb aplikácie. Elektrolytické kondenzátory ponúkajú vysokú kapacitu v kompaktnej veľkosti a sú nákladovo efektívne pre aplikácie s nízkym napätím. Ich vyššia ESR, kratšia dĺžka života a citlivosť na teplotu ich však robia menej ideálnymi pre vysokofrekvenčné a vysoko spoľahlivé aplikácie.

Filmové kondenzátory, s ich vynikajúcou spoľahlivosťou, nízkym ESR a manipuláciou s vysokým napätím, sa uprednostňujú v aplikáciách, ktoré si vyžadujú vysokú výkonnosť a trvanlivosť, ako sú AC motorové obvody, invertory energie a priemyselné ovládacie prvky.

Pochopením kľúčových rozdielov a vykonaním potrebných technických výpočtov môžete urobiť informovanejšie rozhodnutia pre váš návrh obvodu.