Differenze tra condensatori elettrolitici e condensatori di film

IOOOO conDensatoRi sono coMponenti cRuciali in vaRi ciRcuiti elettRonici eD elettRici, svolgenDo un Ruolo FonDaMentale nella conseRvazione Dell'energia, nella stabilizzazione della tensione e nel Filtraggio. Tra i diversi tipi di condensatori, condensatori elettrolitici E condensatori cineMatograFici sono aMpiaMente utilizzati, Ma diFFeriscono in modo signiFicativo in termini di costruzione, prestazioni e applicazioni. In questo blog, non solo esploreremo le diFferenze chiave, ma ti immergeremo anche in alcuni calcoli tecnici per comprendere meglio il loro comportamento nei circuiti.

1. Materiali di costruzione e dielettrici

• Condensatori elettrolitici:
  I condensatori elettrolitici sono costruiti utilizzando due piastre conduttive (di solito alluminio o tantalum), con uno strato di ossido che funge da dielettrico. La seconda piastra è in genere un elettrolita liquido o solido. Lo strato di ossido fornisce un'elevata capacità per unità di volume a causa della sua struttura estremamente sottile. Questi condensatori sono polarizzati, che richiedono una corretta polarità nel circuito.

• Condensatori cinematografici:
  I condensatori del film utilizzano film di plastica sottili (come polipropilene, poliestere o policarbonato) come materiale dielettrico. Questi film sono feriti o impilati tra due strati metallizzati, che fungono da piastre. I condensatori del film sono non polari, rendendoli utilizzabili nei circuiti UNC e DC.

2. Calcolo della capacità

La capacità ( $C$ ) di un condensatore a piastra parallele, che si applica sia ai condensatori elettrolitici che a film, è dato dalla formula:

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

Dove:

• $C$ = capacità (farads, f)

• $\varepsilon_0$ = permittività dello spazio libero ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = permittività relativa del materiale dielettrico

• $A$ = area delle piastre (m²)

• $d$ = distanza tra le piastre (M)

Esempio di calcolo : Per un condensatore elettrolitico che utilizza un dielettrico di ossido ( $\ Varepsilon_R = 8.5$ ), con un'area della piastra di $10^{-4} \, \text{m}^2$ e una separazione di $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Per un condensatore di film che utilizza il polipropilene ( $\ Varepsilon_R = 2.2$ ), la stessa area della piastra e uno spessore dielettrico di $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Come mostra il calcolo, i condensatori elettrolitici forniscono capacità significativamente più elevata per la stessa area della piastra e lo spessore dielettrico a causa della più elevata permittività relativa del materiale di ossido.

3. Resistenza alle serie equivalenti (Esr)

• Condensatori elettrolitici :

  I condensatori elettrolitici tendono ad avere più Resistenza alle serie equivalenti (Esr) Rispetto ai condensatori cinematografici. L'ESR può essere calcolato come:

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

Dove :

• $f$ = frequenza operativa (HZ)

• $C$ = capacità (f)

• $Q$ = fattore di qualità

I condensatori elettrolitici hanno spesso valori ESR nell'intervallo da 0,1 a diversi ohm a causa della loro resistenza interna e perdite di elettroliti. Questo ESR più elevato li rende meno efficienti nelle applicazioni ad alta frequenza, portando ad una maggiore dissipazione del calore.

• Condensatori cinematografici :

  I condensatori di film hanno in genere ESR molto basso, spesso nella gamma Milliiohm, rendendoli altamente efficienti per applicazioni ad alta frequenza, come alimentatori di filtraggio e commutazione. L'ESR inferiore provoca una perdita di potenza minima e generazione di calore.

Esempio ESR :
Per un condensatore elettrolitico con $C = 100 \, \ mu f$ , operando a una frequenza di $f = 50 \, \text{Hz}$ e un fattore di qualità $Q = 20$ :

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

Per un condensatore di film con la stessa capacità e frequenza operativa ma un fattore di qualità più elevato $Q = 200$ :

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

Ciò dimostra che i condensatori del film hanno ESR molto più bassi, rendendoli più adatti per applicazioni ad alta prestazione e ad alta frequenza.

4. Affrontare la corrente e la stabilità termica

• Condensatori elettrolitici :
  È noto che i condensatori elettrolitici hanno capacità di gestione della corrente di ondulazione limitate. La corrente di ondulazione genera calore a causa dell'ESR e l'eccessiva increspatura può causare l'evaporazione dell'elettrolita, portando a un fallimento del condensatore. La valutazione della corrente ondulata è un parametro importante, specialmente negli alimentatori e nei circuiti di trasmissione del motore.

  La corrente di ondulazione può essere stimata usando la formula:

$$P_{\text{perdita}} = I_{\text{ondulazione}}^2 \times ESR$$

Dove:

• $P_{\text{perdita}}$ = perdita di potenza (watts)

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

Se la corrente di ondulazione in un condensatore elettrolitico da 100 µF con un ESR di 0,1 ohm è 1 A:

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

• Condensatori cinematografici:

  I condensatori del film, con il loro basso ESR, possono gestire correnti a catena più elevate con una generazione di calore minima. Ciò li rende ideali per applicazioni AC, come circuiti di snubber e condensatori di corsa del motore, in cui si verificano fluttuazioni di grande corrente.

5. Valutazione di tensione e rottura

• Condensatori elettrolitici:
  I condensatori elettrolitici hanno generalmente valutazioni di tensione più basse, in genere che vanno da 6,3 V a 450 V. La sovratensione può portare a guasti dielettrici e eventuali guasti. La loro costruzione li rende più inclini ai cortometraggi se lo strato di ossido è danneggiato.

• Condensatori cinematografici:
  I condensatori del film, in particolare quelli con polipropilene dielettrico, possono gestire tensioni molto più elevate, spesso superiori a 1.000 V. Ciò li rende adatti per applicazioni ad alta tensione, come i circuiti DC-Link, in cui la stabilità di tensione è fondamentale.

6. Aspettativa di vita e affidabilità

• Condensatori elettrolitici:
  L'aspettativa di vita di un condensatore elettrolitico è influenzata da temperatura, corrente di ondulazione e tensione operativa. La regola generale è che per ogni aumento della temperatura di 10 ° C, l'aspettativa di vita viene dimezzata. Sono anche soggetti a Invecchiamento dei condensatori , mentre l'elettrolita si asciuga nel tempo.

• Condensatori cinematografici:
  I condensatori del film sono altamente affidabili con una lunga durata operativa, spesso superano le 100.000 ore in condizioni nominali. Sono resistenti all'invecchiamento e ai fattori ambientali, rendendoli ideali per applicazioni a lungo termine e ad alta affidabilità.

7. Applicazioni

• Condensatori elettrolitici:

  • Filtro dell'alimentazione

  • Circuiti audio (lisciatura del segnale)

  • Circuiti di avvio del motore

  • Accumulo di energia in circuiti a bassa tensione

• Condensatori cinematografici:

  • Circuiti AC/DC ad alta tensione

  • Circuiti snuber per protezione da sovratensione

  • Condensatori a motore

  • SUPPRESSIONE EMI/RFI

COSÌ, Quale condensatore scegliere?

La scelta tra condensatori elettrolitici e di film dipende dalle esigenze specifiche dell'applicazione. I condensatori elettrolitici offrono un'elevata capacità di dimensioni compatte e sono convenienti per applicazioni a bassa tensione. Tuttavia, la loro maggiore ESR, l'aspettativa di vita più breve e la sensibilità alla temperatura li rendono meno ideali per applicazioni ad alta frequenza e ad alta affidabilità.

I condensatori del film, con la loro affidabilità superiore, la bassa ESR e la gestione ad alta tensione, sono preferiti in applicazioni che richiedono alte prestazioni e durata, come circuiti motori AC, inverter di potenza e controlli industriali.

Comprendendo le differenze chiave ed eseguendo i calcoli tecnici necessari, è possibile prendere decisioni più informate per la progettazione del circuito.