Perbezaan antara kapasitor elektrolitik dan kapasitor filem

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

1. Bahan Pembinaan dan 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 menyediakan kapasitans tinggi per unit volum kerana struktur yang sangat nipis. Kapasitor ini terpolarisasi, yang memerlukan polariti yang betul dalam litar.

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

2. Pengiraan kapasitans

Kapasitansi ( $C$ ) dari kapasitor plat selari, yang digunakan untuk kapasitor elektrolitik dan filem, diberikan oleh formula:

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

Di mana:

• $C$ = kapasitans (farads, f)

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

• $\varepsilon_r$ = kepelbagaian relatif bahan dielektrik

• $A$ = kawasan plat (m²)

• $d$ = Jarak antara plat (m)

Contoh pengiraan : Untuk kapasitor elektrolitik menggunakan dielektrik oksida ( $\ varepsilon_r = 8.5$ ), dengan kawasan pinggan $10^{-4} \, \text{m}^2$ dan pemisahan $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

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

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

Seperti yang ditunjukkan oleh pengiraan, kapasitor elektrolitik memberikan kapasitansi yang lebih tinggi untuk kawasan plat yang sama dan ketebalan dielektrik disebabkan oleh ketelapan relatif yang lebih tinggi dari bahan oksida.

3. Rintangan Siri Bersamaan (Esr)

• Kapasitor elektrolitik :

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

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

Di mana :

• $f$ = kekerapan operasi (Hz)

• $C$ = kapasitans (f)

• $Q$ = faktor kualiti

Kapasitor elektrolitik sering mempunyai nilai ESR dalam julat 0.1 hingga beberapa ohm kerana rintangan dalaman dan kerugian elektrolit mereka. 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 milliohm, menjadikannya sangat efisien untuk aplikasi frekuensi tinggi, seperti penapisan dan bekalan kuasa menukar. ESR yang lebih rendah mengakibatkan kehilangan kuasa minimum dan penjanaan haba.

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

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

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

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

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

4. Kestabilan semasa dan haba riak

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

  Arus riak boleh dianggarkan menggunakan formula:

$$P_{\text{kehilangan}} = I_{\text{riak}}^2 \times ESR$$

Di mana:

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

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

Sekiranya arus riak dalam kapasitor elektrolitik 100 μF dengan ESR 0.1 ohm adalah 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 menjadikan mereka sesuai untuk aplikasi AC, seperti litar snubber dan kapasitor motor, di mana turun naik semasa yang besar berlaku.

5. Penarafan dan kerosakan voltan

• Kapasitor elektrolitik:
  Kapasitor elektrolitik umumnya mempunyai penilaian voltan yang lebih rendah, biasanya antara 6.3V hingga 450V. Overvoltage boleh menyebabkan kerosakan dielektrik dan kegagalan akhirnya. Pembinaan mereka menjadikan mereka lebih cenderung kepada litar pintas jika lapisan oksida rosak.

• Kapasitor filem:
  Kapasitor filem, terutamanya yang mempunyai dielektrik polipropilena, boleh mengendalikan voltan yang lebih tinggi, sering melebihi 1,000V. Ini menjadikan mereka sesuai untuk aplikasi voltan tinggi, seperti litar DC-Link, 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 adalah bahawa untuk setiap peningkatan suhu 10 ° C, jangka hayat adalah separuh. Mereka juga tertakluk kepada Penuaan kapasitor , sebagai elektrolit kering dari masa ke masa.

• Kapasitor filem:
  Kapasitor filem sangat dipercayai dengan kehidupan operasi yang panjang, sering melebihi 100,000 jam pada keadaan yang diberi nilai. Mereka tahan terhadap faktor penuaan dan persekitaran, menjadikannya sesuai untuk aplikasi jangka panjang, kebolehpercayaan tinggi.

7. Aplikasi

• 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 Motor Run

  • EMI/RFI penindasan

Jadi, Kapasitor mana yang hendak dipilih?

Memilih antara kapasitor elektrolitik dan filem bergantung kepada keperluan khusus aplikasi. Kapasitor elektrolitik menawarkan kapasitans yang tinggi dalam saiz padat dan kos efektif untuk aplikasi voltan rendah. Walau bagaimanapun, ESR 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 unggul mereka, ESR yang rendah, dan pengendalian voltan tinggi, lebih disukai dalam aplikasi yang menuntut prestasi tinggi dan ketahanan, seperti litar motor AC, penyongsang kuasa, dan kawalan perindustrian.

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