Differenze tra condensatori elettrolitici e condensatori a film

IOOOO conDensatoRi sono coMponenti cRuciali in vaRi ciRcuiti elettRonici eD elettRici, poiché svolgono un Ruolo FonDaMentale nell'iMMagazzinaMento Dell'eneRgia, nella stabilizzazione Della tensione e nel Filtraggio. Tra i diversi tipi di condensatori, condensatori elettrolitici E condensatori a FilM sono ampiamente utilizzati, ma diFFeriscono notevolmente in termini di costruzione, prestazioni e applicazioni. In questo blog non esploreremo solo le diFFerenze principali, ma ci immergeremo anche in alcuni calcoli tecnici per comprendere meglio il loro comportamento nei circuiti.

1. Materiali da costruzione e dielettrici

• Condensatori elettrolitici:
  I condensatori elettrolitici sono costruiti utilizzando due piastre conduttrici (solitamente alluminio o tantalio), con uno strato di ossido che funge da dielettrico. La seconda piastra è tipicamente un elettrolita liquido o solido. Lo strato di ossido fornisce un'elevata capacità per unità di volume grazie alla sua struttura estremamente sottile. Questi condensatori sono polarizzati e richiedono la corretta polarità nel circuito.

• Condensatori a film:
  I condensatori a film utilizzano sottili pellicole di plastica (come polipropilene, poliestere o policarbonato) come materiale dielettrico. Questi film sono avvolti o impilati tra due strati metallizzati, che fungono da piastre. I condensatori a film sono non polari, il che li rende utilizzabili sia nei circuiti CUN che CC.

2. Calcolo della capacità

La capacità ( $C$ ) di un condensatore a piastre 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 (farad, F)

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

• $\varepsilon_r$ = permettività 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 a film che utilizza 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 una capacità significativamente più elevata per la stessa area della piastra e lo stesso spessore dielettrico a causa della maggiore permettività relativa del materiale di ossido.

3. Resistenza serie equivalente (VES)

• Condensatori elettrolitici :

  I condensatori elettrolitici tendono ad avere valori più alti Resistenza serie equivalente (VES) rispetto ai condensatori a film. La VES può essere calcolata 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 compresi tra 0,1 e diversi ohm a causa della loro resistenza interna e delle perdite di elettrolito. Questa maggiore ESR li rende meno efficienti nelle applicazioni ad alta frequenza, portando ad una maggiore dissipazione del calore.

• Condensatori a pellicola :

  I condensatori a film hanno in genere una ESR molto bassa, spesso nell'ordine dei milliohm, il che li rende altamente efficienti per applicazioni ad alta frequenza, come filtraggio e alimentatori a commutazione. L'ESR inferiore comporta una perdita di potenza e una generazione di calore minime.

Esempio VES :
Per un condensatore elettrolitico con $C = 100 \, \mu F$ , operando ad 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 a 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 a film hanno un ESR molto più basso, rendendoli più adatti per applicazioni ad alte prestazioni e ad alta frequenza.

4. Corrente di ondulazione e stabilità termica

• Condensatori elettrolitici :
  È noto che i condensatori elettrolitici hanno capacità limitate di gestione della corrente di ondulazione. La corrente di ondulazione genera calore a causa della ESR e un'ondulazione eccessiva può causare l'evaporazione dell'elettrolita, con conseguente guasto del condensatore. La corrente di ondulazione nominale è un parametro importante, soprattutto negli alimentatori e nei circuiti di azionamento dei motori.

  La corrente di ondulazione può essere stimata utilizzando la formula:

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

Dove:

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

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

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

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

• Condensatori a film:

  I condensatori a film, con la loro bassa ESR, possono gestire correnti di ripple più elevate con una generazione di calore minima. Ciò li rende ideali per applicazioni CA, come circuiti smorzatori e condensatori di funzionamento di motori, dove si verificano grandi fluttuazioni di corrente.

5. Tensione nominale e ripartizione

• Condensatori elettrolitici:
  I condensatori elettrolitici hanno generalmente valori di tensione inferiori, che in genere vanno da 6,3 V a 450 V. La sovratensione può portare a guasti dielettrici e possibili guasti. La loro costruzione li rende più soggetti a cortocircuiti se lo strato di ossido è danneggiato.

• Condensatori a film:
  I condensatori a film, soprattutto quelli con dielettrico in polipropilene, 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, dove la stabilità della tensione è fondamentale.

6. Aspettativa di vita e affidabilità

• Condensatori elettrolitici:
  L'aspettativa di vita di un condensatore elettrolitico è influenzata dalla temperatura, dalla corrente di ondulazione e dalla tensione operativa. La regola generale è che per ogni aumento di 10°C della temperatura, l’aspettativa di vita si dimezza. Sono inoltre soggetti a invecchiamento del condensatore , poiché l'elettrolito si asciuga nel tempo.

• Condensatori a film:
  I condensatori a film sono altamente affidabili con una lunga vita operativa, che spesso supera le 100.000 ore alle condizioni nominali. Sono resistenti all'invecchiamento e ai fattori ambientali, il che li rende ideali per applicazioni a lungo termine e ad alta affidabilità.

7. Applicazioni

• Condensatori elettrolitici:

  • Filtraggio dell'alimentazione

  • Circuiti audio (livellamento del segnale)

  • Circuiti di avviamento del motore

  • Accumulo di energia nei circuiti a bassa tensione

• Condensatori a film:

  • Circuiti AC/DC ad alta tensione

  • Circuiti smorzatori per la protezione dalle sovratensioni

  • Condensatori di funzionamento del motore

  • Soppressione EMI/RFI

COSÌ, Quale condensatore scegliere?

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

I condensatori a film, con la loro affidabilità superiore, bassa ESR e gestione dell'alta tensione, sono preferiti nelle applicazioni che richiedono prestazioni elevate e durata, come circuiti di motori CA, inverter di potenza e controlli industriali.

Comprendendo le differenze principali ed eseguendo i calcoli tecnici necessari, puoi prendere decisioni più informate per la progettazione del tuo circuito.