Forskelle mellem elektrolytiske kondensatorer og filmkondensatorer

Kondensatorer er afgørende komponenter i forskellige elektroniske og elektriske kredsløb, der spiller en grundlæggende rolle i energilagring, spændingsstabilisering og filtrering. Blogt de forskellige typer kondensatorer, Elektrolytiske kondensatorer and Filmkondensatorer er vidt brugt, men de adskiller sig markant med hensyn til konstruktion, ydeevne og applikationer. jeg denne blog vil vi ikke kun udforske de vigtigste forskelle, men også dykke ned i nogle tekniske beregninger for bedre at forstå deres opførsel i kredsløb.

1. konstruktion og dielektriske materialer

• Elektrolytiske kondensatorer:
  Elektrolytiske kondensatorer er konstrueret ved hjælp af to ledende plader (normalt aluminium eller tantal) med et oxidlag, der tjener som dielektrikum. Den anden plade er typisk en flydende eller fast elektrolyt. Oxidlaget giver høj kapacitans pr. Enhedsvolumen på grund af dets ekstremt tynde struktur. Disse kondensatorer er polariserede, hvilket kræver korrekt polaritet i kredsløbet.

• Filmkondensatorer:
  Filmkondensatorer bruger tynde plastfilm (såsom polypropylen, polyester eller polycarbonat) som det dielektriske materiale. Disse film er viklet eller stablet mellem to metaliserede lag, der fungerer som pladerne. Filmkondensatorer er ikke-polære, hvilket gør dem anvendelige i både ENC- og DC-kredsløb.

2. Kapacitansberegning

Kapacitansen ( $C$ ) af en parallel pladekondensator, der gælder både elektrolytiske og filmkondensatorer, er givet af formlen:

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

Hvor:

• $C$ = kapacitans (Farads, F)

• $\varepsilon_0$ = permittivitet af fri plads ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = Relativ permittivitet af det dielektriske materiale

• $A$ = Området på pladerne (m²)

• $d$ = Afstand mellem pladerne (m)

Eksempel beregning : For en elektrolytisk kondensator ved hjælp af en oxiddielektrisk ( $\ varepsilon_r = 8.5$ ), med et pladeområde på $10^{-4} \, \text{m}^2$ og en adskillelse af $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

For en filmkondensator ved hjælp af polypropylen ( $\ varepsilon_r = 2.2$ ), det samme pladeområde og en dielektrisk tykkelse på $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Som beregningen viser, tilvejebringer elektrolytiske kondensatorer signifikant højere kapacitet for det samme pladeområde og dielektrisk tykkelse på grund af den højere relative permittivitet af oxidmaterialet.

3. Ækvivalent seriemodstand (ESR)

• Elektrolytiske kondensatorer :

  Elektrolytiske kondensatorer har en tendens til at have højere Ækvivalent seriemodstand (ESR) sammenlignet med filmkondensatorer. ESR kan beregnes som:

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

Hvor :

• $f$ = driftsfrekvens (Hz)

• $C$ = kapacitans (F)

• $Q$ = kvalitetsfaktor

Elektrolytiske kondensatorer har ofte ESR -værdier i området 0,1 til flere ohm på grund af deres interne resistens og elektrolyttab. Denne højere ESR gør dem mindre effektive i højfrekvente applikationer, hvilket fører til øget varmeafledning.

• Filmkondensatorer :

  Filmkondensatorer har typisk meget lav ESR, ofte i Milliohm-serien, hvilket gør dem meget effektive til højfrekvente applikationer, såsom filtrering og skift af strømforsyninger. Den nedre ESR resulterer i minimalt effekttab og varmeproduktion.

ESR -eksempel :
Til en elektrolytisk kondensator med $C = 100 \, \ mu f$ , der arbejder med en hyppighed af $f = 50 \, \text{Hz}$ 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 kapacitans og driftsfrekvens, men en faktor af højere 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 meget lavere ESR, hvilket gør dem mere velegnede til høje ydeevne, højfrekvente applikationer.

4. rippelstrøm og termisk stabilitet

• Elektrolytiske kondensatorer :
  Elektrolytiske kondensatorer er kendt for at have begrænset rippelstrømshåndteringsfunktioner. Rippelstrøm genererer varme på grund af ESR, og overdreven krusning kan få elektrolytten til at fordampe, hvilket fører til kondensatorsvigt. Rippelstrømsklassificeringen er en vigtig parameter, især i strømforsyninger og motordrevkredsløb.

  Rippelstrøm kan estimeres ved hjælp af formlen:

$$S_{\text{tab}} = jeg_{\text{Ripple}}^2 \times ESR$$

Hvor:

• $S_{\text{tab}}$ = strømtab (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 deres lave ESR kan håndtere højere krusningsstrømme med minimal varmeproduktion. Dette gør dem ideelle til AC -applikationer, såsom snubberkredsløb og motorkondensatorer, hvor store strømudsving forekommer.

5. Spændingsvurdering og nedbrydning

• Elektrolytiske kondensatorer:
  Elektrolytiske kondensatorer har generelt lavere spændingsvurderinger, der typisk spænder fra 6,3V til 450V. Overspænding kan føre til dielektrisk sammenbrud og eventuel svigt. Deres konstruktion gør dem mere tilbøjelige til kortslutninger, hvis oxidlaget er beskadiget.

• Filmkondensatorer:
  Filmkondensatorer, især dem med polypropylen -dielektrisk, kan håndtere meget højere spændinger, ofte over 1.000V. Dette gør dem velegnede til højspændingsapplikationer, såsom DC-Link-kredsløb, hvor spændingsstabilitet er kritisk.

6. Leve forventning og pålidelighed

• Elektrolytiske kondensatorer:
  Leve forventet en elektrolytisk kondensator påvirkes af temperatur, krusningsstrøm og driftsspænding. Den generelle tommelfingerregel er, at for hver stigning i temperaturen er den forventede levealder. De er også underlagt Kondensator aldring , når elektrolytten tørrer ud over tid.

• Filmkondensatorer:
  Filmkondensatorer er meget pålidelige med en lang operationel levetid, der ofte overstiger 100.000 timer ved nominelle forhold. De er modstandsdygtige over for aldring og miljømæssige faktorer, hvilket gør dem ideelle til langsigtede applikationer med høj pålidelighed.

7. Ansøgninger

• Elektrolytiske kondensatorer:

  • Power Supply -filtrering

  • Lydkredsløb (signaludjævning)

  • Motorstart kredsløb

  • Energilagring i lavspændingskredsløb

• Filmkondensatorer:

  • Højspændings AC/DC-kredsløb

  • Snubberkredsløb til overspændingsbeskyttelse

  • Motordrevne kondensatorer

  • EMI/RFI -undertrykkelse

Så, Hvilken kondensator skal man vælge?

Valg af elektrolytiske og filmkondensatorer afhænger af applikationens specifikke behov. Elektrolytiske kondensatorer tilbyder høj kapacitet i en kompakt størrelse og er omkostningseffektive til lavspændingsapplikationer. Imidlertid gør deres højere ESR, kortere forventede levealder og følsomhed over for temperatur dem mindre ideelle til højfrekvent og højreliabilitetsapplikationer.

Filmkondensatorer, med deres overlegne pålidelighed, lav ESR og højspændingshåndtering, foretrækkes i applikationer, der kræver høj ydeevne og holdbarhed, såsom AC-motorkredsløb, strøminverter og industrielle kontroller.

Ved at forstå de vigtigste forskelle og udføre de nødvendige tekniske beregninger, kan du tage mere informerede beslutninger til dit kredsløbsdesign.