Elektrolitik kapasitörler ve film kapasitörleri arasındaki farklılıklar

KapasitöRleR, eneRji DepolaMa, voltaj stabilizasyonu ve FiltReleMeDe teMel biR Rol oynayan çeşitli elektRonik ve elektRik DevrelerinDe öneMli bileşenlerDir. Farklı kapasitör türleri arasında, elektrolitik kapasitörler Ve FilM kapasitörleri yaygın olarak kullanılır, ancak inşaat, perForMans ve uygulamalar açısından önemli ölçüde Farklılık gösterirler. Bu blogda, sadece temel Farklılıkları keşFetmekle kalmayacak, aynı zamanda devrelerdeki davranışlarını daha iyi anlamak için bazı teknik hesaplamalara dalacağız.

1. İnşaat ve dielektrik malzemeler

• Elektrolitik kapasitörler:
  Elektrolitik kapasitörler, dielektrik olarak hizmet veren bir oksit tabakası ile iki iletken plaka (genellikle alüminyum veya tantal) kullanılarak oluşturulur. İkinci plaka tipik olarak bir sıvı veya katı elektrolittir. Oksit tabakası, son derece ince yapısı nedeniyle birim hacim başına yüksek kapasitans sağlar. Bu kapasitörler polarize edilir, devrede doğru polarite gerektirir.

• Film kapasitörleri:
  Film kapasitörleri, dielektrik malzeme olarak ince plastik Filmleri (polipropilen, polyester veya polikarbonat gibi) kullanır. Bu filmler, plakalar görevi gören iki metalize tabaka arasında yaralanır veya istiflenir. Film kapasitörleri polar değildir, bu da onları hem AC hem de DC devrelerinde kullanılabilir hale getirir.

2. Kapasitans hesaplaması

Kapasitans ( $C$ ) hem elektrolitik hem de film kapasitörleri için geçerli olan bir paralel plaka kapasitörünün formülle verilir:

$$C = \frac{\ Varepsilon_0 \ Varepsilon_r A}{d}$$

Nerede:

• $C$ = kapasitans (farads, f)

• $\varepsilon_0$ = Boş alanın geçirgenliği ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = dielektrik malzemenin göreceli geçirgenliği

• $A$ = plakaların alanı (m²)

• $d$ = plakalar arasındaki mesafe (m)

Örnek hesaplama : Bir oksit dielektrik kullanan bir elektrolitik kapasitör için ( $\ varepsilon_r = 8.5$ ), bir tabak alanı ile $10^{-4} \, \text{m}^2$ ve bir ayrılık $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Polipropilen kullanan bir film kapasitörü için ( $\ varepsilon_r = 2.2$ ), aynı plaka alanı ve dielektrik kalınlığı $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Hesaplamanın gösterdiği gibi, elektrolitik kapasitörler, oksit materyalinin daha yüksek nispi geçirgenliği nedeniyle aynı plaka alanı ve dielektrik kalınlığı için önemli ölçüde daha yüksek kapasitans sağlar.

3. Eşdeğer seri direnci (ESR)

• Elektrolitik kapasitörler :

  Elektrolitik kapasitörler daha yüksek Eşdeğer seri direnci (ESR) film kapasitörlerine kıyasla. ESR şu şekilde hesaplanabilir:

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

Nerede :

• $f$ = Çalışma frekansı (HZ)

• $C$ = kapasitans (f)

• $Q$ = Kalite Faktörü

Elektrolitik kapasitörler, iç dirençleri ve elektrolit kayıpları nedeniyle genellikle 0.1 ila birkaç ohm aralığında ESR değerlerine sahiptir. Bu daha yüksek ESR, yüksek frekanslı uygulamalarda onları daha az verimli hale getirerek ısı dağılımının artmasına neden olur.

• Film kapasitörleri :

  Film kapasitörleri tipik olarak çok düşük ESR'ye sahiptir, genellikle miliohm aralığında, onları filtreleme ve anahtarlama güç kaynakları gibi yüksek frekanslı uygulamalar için yüksek verimli hale getirir. Düşük ESR, minimal güç kaybı ve ısı üretimi ile sonuçlanır.

ESR örneği :
Bir elektrolitik kapasitör için $C = 100 \, \ mu f$ , bir sıklıkta çalışır $f = 50 \, \text{Hz}$ ve bir kalite faktörü $Q = 20$ :

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

Aynı kapasitans ve çalışma frekansına sahip ancak daha yüksek kalite faktörüne sahip bir film kapasitörü için $Q = 200$ :

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

Bu, film kapasitörlerinin çok daha düşük ESR'ye sahip olduğunu ve onları yüksek performanslı, yüksek frekanslı uygulamalar için daha uygun hale getirdiğini göstermektedir.

4. Dalgalanma akımı ve termal stabilite

• Elektrolitik kapasitörler :
  Elektrolitik kapasitörlerin sınırlı dalgalanma akımı taşıma yeteneklerine sahip olduğu bilinmektedir. Dalgalanma akımı ESR nedeniyle ısı üretir ve aşırı dalgalanma elektrolitin buharlaşmasına neden olabilir ve bu da kapasitör arızasına yol açar. Dalgalanma akım derecesi, özellikle güç kaynakları ve motor tahrik devrelerinde önemli bir parametredir.

  Dalgalanma akımı formül kullanılarak tahmin edilebilir:

$$P_{\text{kayıp}} = BEN_{\text{dalgalanma}}^2 \times ESR$$

Nerede:

• $P_{\text{kayıp}}$ = Güç kaybı (watt)

• $I_{\text{ripple}}$ = dalgalanma akımı (amper)

0.1 ohm'luk bir ESR olan 100 uF elektrolitik kapasitördeki dalgalanma akımı 1 A:

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

• Film kapasitörleri:

  Film kapasitörleri, düşük ESR'leri ile minimal ısı üretimi ile daha yüksek dalgalanma akımlarını işleyebilir. Bu, büyük akım dalgalanmalarının meydana geldiği snubber devreleri ve motor çalıştırma kapasitörleri gibi AC uygulamaları için idealdir.

5. Voltaj Derecesi ve Arıza

• Elektrolitik kapasitörler:
  Elektrolitik kapasitörler genellikle tipik olarak 6.3V ila 450V arasında değişen daha düşük voltaj derecelerine sahiptir. Aşırı gerilim, dielektrik bozulmaya ve nihai arızaya yol açabilir. Onların yapıları, oksit tabakası hasar görürse onları kısa devrelere daha yatkın hale getirir.

• Film kapasitörleri:
  Film kapasitörleri, özellikle polipropilen dielektrik olanlar, genellikle 1.000V'yi aşan çok daha yüksek voltajları işleyebilir. Bu, voltaj stabilitesinin kritik olduğu DC-Link devreleri gibi yüksek voltajlı uygulamalar için uygun hale getirir.

6. Yaşam beklentisi ve güvenilirliği

• Elektrolitik kapasitörler:
  Bir elektrolitik kapasitörün yaşam beklentisi, sıcaklık, dalgalanma akımı ve çalışma voltajından etkilenir. Genel kural, sıcaklıktaki her 10 ° C'lik artış için yaşam beklentisinin yarıya indirilmesidir. Onlar da tabidir kapasitör yaşlanması , elektrolit zamanla kururken.

• Film kapasitörleri:
  Film kapasitörleri, genellikle nominal koşullarda 100.000 saati aşan uzun bir operasyonel yaşamla son derece güvenilirdir. Yaşlanma ve çevresel faktörlere dirençlidirler, bu da onları uzun vadeli, yüksek güvenilirlik uygulamaları için ideal hale getirir.

7. Uygulamalar

• Elektrolitik kapasitörler:

  • Güç kaynağı filtreleme

  • Ses devreleri (sinyal yumuşatma)

  • Motor başlangıç ​​devreleri

  • Düşük voltajlı devrelerde enerji depolama

• Film kapasitörleri:

  • Yüksek voltajlı AC/DC devreleri

  • Dalgalanma koruması için snubber devreleri

  • Motorlu Kapasitörler

  • EMI/RFI Bastırma

Bu yüzden, Hangi kapasitörü seçecek?

Elektrolitik ve film kapasitörleri arasında seçim uygulamanın özel ihtiyaçlarına bağlıdır. Elektrolitik kapasitörler kompakt bir boyutta yüksek kapasitans sunar ve düşük voltajlı uygulamalar için uygun maliyetlidir. Bununla birlikte, daha yüksek ESR, daha kısa yaşam beklentileri ve sıcaklığa duyarlılıkları onları yüksek frekans ve yüksek güvenilirlik uygulamaları için daha az ideal hale getirir.

AC motor devreleri, güç invertörleri ve endüstriyel kontroller gibi yüksek performans ve dayanıklılık gerektiren uygulamalarda, üstün güvenilirlikleri, düşük ESR ve yüksek voltajlı işleme ile film kapasitörleri tercih edilmektedir.

Temel farklılıkları anlayarak ve gerekli teknik hesaplamaları gerçekleştirerek, devre tasarımınız için daha bilinçli kararlar verebilirsiniz.