Perbezaan Antara Kapasitor Elektrolitik dan Kapasitor Filem

Kapasitor ialah komponen penting dalam pelbagai litar elektronik dan elektrik, memainkan peranan asas dalam penyimpanan tenaga, penstabilan voltan dan penapisan. Di antara pelbagai jenis kapasitor, kapasitor elektrolitik dan kapasitor filem digunakan secara meluas, tetapi ia berbeza dengan ketara dari segi pembinaan, prestasi dan aplikasi. Dalam blog ini, kami bukan sahaja akan meneroka perbezaan utama tetapi juga menyelami beberapa pengiraan teknikal untuk lebih memahami tingkah laku mereka dalam litar.

1. Pembinaan dan Bahan Dielektrik

• Kapasitor Elektrolitik:
  Kapasitor elektrolitik dibina menggunakan dua plat konduktif (biasanya aluminium atau tantalum), dengan lapisan oksida berfungsi sebagai dielektrik. Plat kedua biasanya merupakan elektrolit cecair atau pepejal. Lapisan oksida membekalkan kapasiti tinggi per unit isipadu kerana strukturnya yang sangat nipis. Kapasitor ini terkutub, memerlukan kekutuban yang betul dalam litar.

• Kapasitor Filem:
  Kapasitor filem menggunakan filem plastik nipis (seperti polipropilena, poliester atau polikarbonat) sebagai bahan dielektrik. Filem ini dililit atau disusun di antara dua lapisan logam, yang bertindak sebagai plat. Kapasitor filem adalah bukan kutub, menjadikannya boleh digunakan dalam kedua-dua litar AC dan DC.

2. Pengiraan Kapasitan

Kapasiti ( $C$ ) bagi kapasitor plat selari, yang digunakan untuk kedua-dua kapasitor elektrolitik dan filem, diberikan oleh formula:

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

di mana:

• $C$ = kemuatan (farad, F)

• $\varepsilon_0$ = kebolehtelapan ruang bebas ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = kebolehtelapan relatif bahan dielektrik

• $A$ = luas plat (m²)

• $d$ = jarak antara plat (m)

Contoh Pengiraan : Untuk kapasitor elektrolitik menggunakan dielektrik oksida ( $\varepsilon_r = 8.5$ ), dengan luas plat sebanyak $10^{-4} \, \text{m}^2$ dan pemisahan daripada $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Untuk kapasitor filem menggunakan polipropilena ( $\varepsilon_r = 2.2$ ), kawasan plat yang sama, dan ketebalan dielektrik daripada $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Seperti yang ditunjukkan oleh pengiraan, kapasitor elektrolitik memberikan kemuatan yang lebih tinggi dengan ketara untuk kawasan plat yang sama dan ketebalan dielektrik disebabkan oleh kebolehtelapan relatif bahan oksida yang lebih tinggi.

3. Rintangan Siri Setara (ESR)

• Kapasitor Elektrolitik :

  Kapasitor elektrolitik cenderung mempunyai lebih tinggi Rintangan Siri Setara (ESR) berbanding dengan kapasitor filem. ESR boleh dikira sebagai:

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

di mana :

• $f$ = kekerapan operasi (Hz)

• $C$ = kemuatan (F)

• $Q$ = faktor kualiti

Kapasitor elektrolitik selalunya mempunyai nilai ESR dalam julat 0.1 hingga beberapa ohm kerana rintangan dalamannya dan kehilangan elektrolit. ESR yang lebih tinggi ini menjadikan mereka kurang cekap dalam aplikasi frekuensi tinggi, yang membawa kepada peningkatan pelesapan haba.

• Kapasitor Filem :

  Kapasitor filem biasanya mempunyai ESR yang sangat rendah, selalunya dalam julat miliohm, menjadikannya sangat cekap untuk aplikasi frekuensi tinggi, seperti menapis dan menukar bekalan kuasa. ESR yang lebih rendah menghasilkan kehilangan kuasa dan penjanaan haba yang minimum.

Contoh ESR :
Untuk kapasitor elektrolitik dengan $C = 100 \, \mu F$ , beroperasi pada kekerapan $f = 50 \, \text{Hz}$ dan faktor kualiti $Q = 20$ :

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

Untuk kapasitor filem dengan kapasitans yang sama dan kekerapan operasi tetapi faktor kualiti yang lebih tinggi $Q = 200$ :

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

sayani menunjukkan bahawa kapasitor filem mempunyai ESR yang jauh lebih rendah, menjadikannya lebih sesuai untuk aplikasi berprestasi tinggi dan frekuensi tinggi.

4. Arus Riak dan Kestabilan Terma

• Kapasitor Elektrolitik :
  Kapasitor elektrolitik diketahui mempunyai keupayaan pengendalian arus riak yang terhad. Arus riak menghasilkan haba disebabkan oleh ESR, dan riak yang berlebihan boleh menyebabkan elektrolit tersejat, yang membawa kepada kegagalan kapasitor. Penarafan arus riak adalah parameter penting, terutamanya dalam bekalan kuasa dan litar pemacu motor.

  Arus riak boleh dianggarkan menggunakan formula:

$$P_{\text{kerugian}} = saya_{\text{riak}}^2 \times ESR$$

di mana:

• $P_{\text{kerugian}}$ = kehilangan kuasa (watt)

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

Jika arus riak dalam kapasitor elektrolitik 100 µF dengan ESR 0.1 ohm ialah 1 A:

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

• Kapasitor Filem:

  Kapasitor filem, dengan ESR yang rendah, boleh mengendalikan arus riak yang lebih tinggi dengan penjanaan haba yang minimum. Ini menjadikannya sesuai untuk aplikasi AC, seperti litar snubber dan kapasitor larian motor, di mana turun naik arus yang besar berlaku.

5. Penilaian dan Pecahan Voltan

• Kapasitor Elektrolitik:
  Kapasitor elektrolitik umumnya mempunyai penarafan voltan yang lebih rendah, biasanya antara 6.3V hingga 450V. Voltan lampau boleh membawa kepada kerosakan dielektrik dan akhirnya kegagalan. Pembinaan mereka menjadikan mereka lebih terdedah kepada litar pintas jika lapisan oksida rosak.

• Kapasitor Filem:
  Kapasitor filem, terutamanya yang mempunyai dielektrik polipropilena, boleh mengendalikan voltan yang lebih tinggi, selalunya melebihi 1,000V. Ini menjadikannya sesuai untuk aplikasi voltan tinggi, seperti litar pautan DC, di mana kestabilan voltan adalah kritikal.

6. Jangka Hayat dan Kebolehpercayaan

• Kapasitor Elektrolitik:
  Jangka hayat kapasitor elektrolitik dipengaruhi oleh suhu, arus riak dan voltan operasi. Peraturan umum ialah untuk setiap kenaikan suhu 10°C, jangka hayat dikurangkan separuh. Mereka juga tertakluk kepada penuaan kapasitor , kerana elektrolit mengering dari semasa ke semasa.

• Kapasitor Filem:
  Kapasitor filem sangat boleh dipercayai dengan hayat operasi yang panjang, selalunya melebihi 100,000 jam pada keadaan undian. Ia tahan terhadap faktor penuaan dan persekitaran, menjadikannya sesuai untuk aplikasi jangka panjang dan kebolehpercayaan tinggi.

7. Permohonan

• Kapasitor Elektrolitik:

  • Penapisan bekalan kuasa

  • Litar audio (pelicinan isyarat)

  • Litar permulaan motor

  • Penyimpanan tenaga dalam litar voltan rendah

• Kapasitor Filem:

  • Litar AC/DC voltan tinggi

  • Litar snubber untuk perlindungan lonjakan

  • Kapasitor larian motor

  • Penindasan EMI/RFI

Jadi, Kapasitor mana yang hendak dipilih?

Memilih antara kapasitor elektrolitik dan filem bergantung pada keperluan khusus aplikasi. Kapasitor elektrolitik menawarkan kemuatan tinggi dalam saiz padat dan kos efektif untuk aplikasi voltan rendah. Walau bagaimanapun, ESR mereka yang lebih tinggi, jangka hayat yang lebih pendek dan kepekaan terhadap suhu menjadikannya kurang sesuai untuk aplikasi frekuensi tinggi dan kebolehpercayaan tinggi.

Kapasitor filem, dengan kebolehpercayaan unggulnya, ESR rendah dan pengendalian voltan tinggi, diutamakan dalam aplikasi yang menuntut prestasi tinggi dan ketahanan, seperti litar motor AC, penyongsang kuasa dan kawalan industri.

Dengan memahami perbezaan utama dan melakukan pengiraan teknikal yang diperlukan, anda boleh membuat keputusan yang lebih termaklum untuk reka bentuk litar anda.