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 meget brugt, men de adskiller sig markant med hensyn til konstruktion, ydeevne og anvendelser. jeg denne blog vil vi ikke kun udforske de vigtigste forskelle, men også dykke ned i nogle tekniske beregninger for bedre at forstå deres adfærd 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 volumenhed på grund af dets ekstremt tynde struktur. Disse kondensatorer er polariserede, hvilket kræver korrekt polaritet i kredsløbet.

• Filmkondensatorer:
  Filmkondensatorer anvender tynde plastfilm (såsom polypropylen, polyester eller polycarbonat) som det dielektriske materiale. Disse film er viklet eller stablet mellem to metalliserede 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 parallelpladekondensator, som gælder for både elektrolytiske og filmkondensatorer, er givet ved formlen:

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

Hvor:

• $C$ = kapacitans (farads, F)

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

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

• $A$ = pladernes areal (m²)

• $d$ = afstand mellem pladerne (m)

Eksempel på beregning : Til en elektrolytisk kondensator, der anvender et oxiddielektrikum ( $\varepsilon_r = 8,5$ ), med et pladeareal på $10^{-4} \, \text{m}^2$ og en adskillelse af $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Til en filmkondensator, der bruger polypropylen ( $\varepsilon_r = 2.2$ ), det samme pladeareal 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, giver elektrolytiske kondensatorer væsentligt højere kapacitans for det samme pladeareal og dielektriske tykkelse på grund af den højere relative permittivitet af oxidmaterialet.

3. Equivalent Series Resistance (ESR)

• Elektrolytiske kondensatorer :

  Elektrolytiske kondensatorer har en tendens til at have højere Equivalent Series Resistance (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 fra 0,1 til flere ohm på grund af deres indre modstand og elektrolyttab. Denne højere ESR gør dem mindre effektive i højfrekvente applikationer, hvilket fører til øget varmeafledning.

• Film kondensatorer :

  Filmkondensatorer har typisk meget lav ESR, ofte i milliohm-området, hvilket gør dem yderst effektive til højfrekvente applikationer, såsom filtrering og omskiftning af strømforsyninger. Den lavere ESR resulterer i minimalt strømtab og varmeudvikling.

ESR eksempel :
Til en elektrolytisk kondensator med $C = 100 \, \mu F$ , der opererer med en frekvens på $f = 50 \, \text{Hz}$ og en kvalitetsfaktor $Q = 20$ :

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

Til en filmkondensator med samme kapacitans og driftsfrekvens men en højere kvalitetsfaktor $Q = 200$ :

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

Dette viser, at filmkondensatorer har meget lavere ESR, hvilket gør dem mere velegnede til højtydende, højfrekvente applikationer.

4. Ripplestrøm og termisk stabilitet

• Elektrolytiske kondensatorer :
  Elektrolytiske kondensatorer er kendt for at have begrænsede bølgestrømshåndteringsevner. Ripple-strøm genererer varme på grund af ESR, og overdreven krusning kan få elektrolytten til at fordampe, hvilket fører til kondensatorfejl. Ripplestrømmen er en vigtig parameter, især i strømforsyninger og motordrevkredsløb.

  Ripplestrøm kan estimeres ved hjælp af formlen:

$$P_{\text{tab}} = jeg_{\text{krusning}}^2 \times ESR$$

Hvor:

• $P_{\text{tab}}$ = strømtab (watt)

• $I_{\text{ripple}}$ = krusningsstrøm (ampere)

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 kan med deres lave ESR håndtere højere bølgestrømme med minimal varmeudvikling. Dette gør dem ideelle til AC-applikationer, såsom snubberkredsløb og motordrevne kondensatorer, hvor der forekommer store strømudsving.

5. Spændingsklassificering og sammenbrud

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

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

6. Forventet levetid og pålidelighed

• Elektrolytiske kondensatorer:
  Den forventede levetid for en elektrolytisk kondensator er påvirket af temperatur, bølgestrøm og driftsspænding. Den generelle tommelfingerregel er, at for hver 10°C temperaturstigning halveres den forventede levetid. De er også underlagt kondensatorens ældning , da elektrolytten tørrer ud over tid.

• Filmkondensatorer:
  Filmkondensatorer er yderst pålidelige med en lang driftslevetid, som ofte overstiger 100.000 timer ved nominelle forhold. De er modstandsdygtige over for ældning og miljømæssige faktorer, hvilket gør dem ideelle til langsigtede, højpålidelige applikationer.

7. Ansøgninger

• Elektrolytiske kondensatorer:

  • Strømforsyningsfiltrering

  • Lydkredsløb (signaludjævning)

  • Motorstartkredsløb

  • Energilagring i lavspændingskredsløb

• Filmkondensatorer:

  • Højspændings AC/DC kredsløb

  • Snubberkredsløb til overspændingsbeskyttelse

  • Motordrevne kondensatorer

  • EMI/RFI-undertrykkelse

Så, Hvilken kondensator skal man vælge?

Valget mellem elektrolyt- og filmkondensatorer afhænger af applikationens specifikke behov. Elektrolytiske kondensatorer tilbyder høj kapacitans i en kompakt størrelse og er omkostningseffektive til lavspændingsapplikationer. Men deres højere ESR, kortere forventede levetid og følsomhed over for temperatur gør dem mindre ideelle til højfrekvente og højpålidelige applikationer.

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

Ved at forstå de vigtigste forskelle og udføre de nødvendige tekniske beregninger kan du træffe mere informerede beslutninger for dit kredsløbsdesign.