Erot elektrolyyttikondensaattorien ja kalvokondensaattorien välillä

Kondensaattorit ovat tärkeitä komponentteja erilaisissa elektronisissa ja sähköpiireissä, ja niillä on keskeinen rooli energian varastoinnissa, jännitteen stabiloinnissa ja suodatuksessa. Erityyppisten kondensaattorien joukossa, elektrolyyttikondensaattorit ja kalvokondensaattorit ovat laajalti käytössä, mutta ne eroavat toisistaan ​​huomattavasti rakenteen, suorituskyvyn ja sovellusten suhteen. Tässä blogissa emme vain tutki keskeisiä eroja, vaan myös sukeltamme joihinkin teknisiin laskelmiin ymmärtääksemme paremmin niiden käyttäytymistä piireissä.

1. Rakennus- ja dielektriset materiaalit

• Elektrolyyttikondensaattorit:
  Elektrolyyttikondensaattorit on rakennettu kahdesta johtavasta levystä (yleensä alumiinista tai tantaalista), joiden oksidikerros toimii eristeenä. Toinen levy on tyypillisesti nestemäinen tai kiinteä elektrolyytti. Oksidikerros tarjoaa korkean kapasitanssin tilavuusyksikköä kohti erittäin ohuen rakenteensa ansiosta. Nämä kondensaattorit ovat polarisoituja, mikä vaatii oikean napaisuuden piirissä.

• Filmikondensaattorit:
  Kalvokondensaattorit käyttävät ohuita muovikalvoja (kuten polypropeenia, polyesteriä tai polykarbonaattia) dielektrisenä materiaalina. Nämä kalvot kääritään tai pinotaan kahden metalloidun kerroksen väliin, jotka toimivat levyinä. Kalvokondensaattorit ovat ei-polaarisia, joten niitä voidaan käyttää sekä AC- että DC-piireissä.

2. Kapasitanssin laskenta

Kapasitanssi ( $C$ ) rinnakkaislevykondensaattorista, joka koskee sekä elektrolyytti- että kalvokondensaattoreita, saadaan kaavasta:

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

Jossa:

• $C$ = kapasitanssi (faradit, F)

• $\varepsilon_0$ = vapaan tilan permittiivisyys ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = dielektrisen materiaalin suhteellinen permittiivisyys

• $A$ = levyjen pinta-ala (m²)

• $d$ = levyjen välinen etäisyys (m)

Esimerkki Laskenta : Elektrolyyttikondensaattorille, jossa käytetään oksididielektristä ( $\varepsilon_r = 8,5$ ), jonka levypinta-ala on $10^{-4} \, \text{m}^2$ ja erottaminen $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Kalvokondensaattorille, jossa käytetään polypropeenia ( $\varepsilon_r = 2.2$ ), sama levypinta-ala ja dielektrinen paksuus $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Kuten laskelmat osoittavat, elektrolyyttikondensaattorit tarjoavat merkittävästi suuremman kapasitanssin samalla levypinta-alalla ja dielektrisen paksuuden kanssa johtuen oksidimateriaalin suuremmasta suhteellisesta permittiivisyydestä.

3. Ekvivalent Series Resistance (ESR)

• Elektrolyyttikondensaattorit :

  Elektrolyyttikondensaattorit ovat yleensä korkeampia Ekvivalent Series Resistance (ESR) verrattuna kalvokondensaattoreihin. ESR voidaan laskea seuraavasti:

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

Jossa :

• $f$ = toimintataajuus (Hz)

• $C$ = kapasitanssi (F)

• $K$ = laatutekijä

Elektrolyyttikondensaattoreiden ESR-arvot ovat usein 0,1 - useita ohmia niiden sisäisen resistanssin ja elektrolyyttihäviöiden vuoksi. Tämä korkeampi ESR tekee niistä vähemmän tehokkaita suurtaajuussovelluksissa, mikä lisää lämmön haihtumista.

• Filmikondensaattorit :

  Filmikondensaattoreiden ESR on tyypillisesti erittäin alhainen, usein milliohmin alueella, mikä tekee niistä erittäin tehokkaita suurtaajuussovelluksissa, kuten suodatus- ja kytkentävirtalähteissä. Alhaisempi ESR johtaa minimaaliseen tehohäviöön ja lämmöntuotantoon.

ESR esimerkki :
Elektrolyyttikondensaattorille, jossa on $C = 100 \, \mu F$ , joka toimii taajuudella $f = 50 \, \text{Hz}$ ja laatutekijä $K = 20$ :

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

Filmikondensaattorille, jolla on sama kapasitanssi ja toimintataajuus, mutta korkeampi laatutekijä $Q = 200$ :

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

Tämä osoittaa, että kalvokondensaattoreiden ESR on paljon pienempi, mikä tekee niistä sopivampia korkean suorituskyvyn korkeataajuisiin sovelluksiin.

4. Aaltoiluvirta ja lämpöstabiilisuus

• Elektrolyyttikondensaattorit :
  Elektrolyyttikondensaattoreiden tiedetään olevan rajoitettuja aaltoiluvirran käsittelyominaisuuksia. Aaltoiluvirta tuottaa lämpöä ESR:n takia, ja liiallinen aaltoilu voi saada elektrolyytin haihtumaan, mikä johtaa kondensaattorin vikaantumiseen. Aaltoiluvirran arvo on tärkeä parametri, erityisesti teholähteissä ja moottorin käyttöpiireissä.

  Aaltoiluvirta voidaan arvioida kaavalla:

$$P_{\text{menetys}} = minä_{\text{aaltoilu}}^2 \times ESR$$

Jossa:

• $P_{\text{menetys}}$ = tehohäviö (wattia)

• $I_{\text{ripple}}$ = aaltoiluvirta (ampeeria)

Jos aaltoiluvirta 100 µF elektrolyyttikondensaattorissa, jonka ESR on 0,1 ohmia, on 1 A:

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

• Filmikondensaattorit:

  Kalvokondensaattorit, joilla on alhainen ESR, voivat käsitellä suurempia aaltoiluvirtoja minimaalisella lämmöntuotannolla. Tämä tekee niistä ihanteellisia vaihtovirtasovelluksiin, kuten snubber-piireihin ja moottorin käyntikondensaattoreihin, joissa esiintyy suuria virranvaihteluita.

5. Jännitteen nimellisarvo ja jakautuminen

• Elektrolyyttikondensaattorit:
  Elektrolyyttikondensaattoreiden jännitearvot ovat yleensä alhaisemmat, tyypillisesti 6,3 V - 450 V. Ylijännite voi johtaa dielektrisen hajoamiseen ja mahdolliseen vikaan. Niiden rakenne tekee niistä alttiimpia oikosulkuille, jos oksidikerros vaurioituu.

• Filmikondensaattorit:
  Kalvokondensaattorit, erityisesti ne, joissa on polypropeenidielektrisyys, voivat käsitellä paljon suurempia jännitteitä, jotka usein ylittävät 1000 V. Tämä tekee niistä sopivia suurjännitesovelluksiin, kuten DC-linkkipiireihin, joissa jännitteen vakaus on kriittinen.

6. Elinajanodote ja luotettavuus

• Elektrolyyttikondensaattorit:
  Elektrolyyttikondensaattorin käyttöikään vaikuttavat lämpötila, aaltoiluvirta ja käyttöjännite. Yleinen peukalosääntö on, että jokaista 10°C lämpötilan nousua kohden elinajanodote puolittuu. Niihin sovelletaan myös kondensaattorin vanheneminen , koska elektrolyytti kuivuu ajan myötä.

• Filmikondensaattorit:
  Kalvokondensaattorit ovat erittäin luotettavia ja niiden käyttöikä on pitkä, usein yli 100 000 tuntia nimellisolosuhteissa. Ne kestävät ikääntymistä ja ympäristötekijöitä, joten ne ovat ihanteellisia pitkäaikaisiin ja erittäin luotettaviin sovelluksiin.

7. Sovellukset

• Elektrolyyttikondensaattorit:

  • Virtalähteen suodatus

  • Äänipiirit (signaalin tasoitus)

  • Moottorin käynnistyspiirit

  • Energian varastointi pienjännitepiireissä

• Filmikondensaattorit:

  • Korkeajännitteiset AC/DC-piirit

  • Snubber-piirit ylijännitesuojaa varten

  • Moottorikäyttöiset kondensaattorit

  • EMI/RFI vaimennus

Niin, Mikä kondensaattori valita?

Valinta elektrolyytti- ja kalvokondensaattorien välillä riippuu sovelluksen erityistarpeista. Elektrolyyttikondensaattorit tarjoavat korkean kapasitanssin kompaktissa koossa ja ovat kustannustehokkaita pienjännitesovelluksissa. Niiden korkeampi ESR, lyhyempi käyttöiän odote ja herkkyys lämpötilalle tekevät niistä kuitenkin vähemmän ihanteellisia korkeataajuisiin ja erittäin luotettaviin sovelluksiin.

Kalvokondensaattorit, joilla on erinomainen luotettavuus, alhainen ESR ja korkea jännitteen käsittely, ovat suositeltavia sovelluksissa, jotka vaativat korkeaa suorituskykyä ja kestävyyttä, kuten AC-moottoripiireissä, tehoinverttereissä ja teollisuusohjauksissa.

Ymmärtämällä tärkeimmät erot ja suorittamalla tarvittavat tekniset laskelmat, voit tehdä tietoisempia päätöksiä piirisuunnittelua varten.