Verschillen tussen elektrolytische condensatoren en filmcondensatoren

ConDensatoRen zijn cRuciale coMponenten in veRschillenDe elektRonische en elektRische ciRcuits en spelen een FunDaMentele Rol bij eneRgieopslag, spanningsstabilisatie en Filtering. OnDer De verschillende soorten condensatoren, elektrolytische condensatoren En FilMcondensatoren worden veel gebruikt, Maar ze verschillen aanzienlijk qua constructie, prestaties en toepassingen. In deze blog zullen we niet alleen de belangrijkste verschillen onderzoeken, Maar ook in enkele technische berekeningen duiken oM hun gedrag in circuits beter te begrijpen.

1. Constructie en diëlektrische materialen

• Elektrolytische condensatoren:
  Elektrolytische condensatoren zijn geconstrueerd met behulp van twee geleidende platen (meestal aluminium oF tantaal), waarbij een oxidelaag als diëlektricum dient. De tweede plaat is doorgaans een vloeibare oF vaste elektrolyt. De oxidelaag biedt een hoge capaciteit per volume-eenheid vanwege de extreem dunne structuur. Deze condensatoren zijn gepolariseerd, waardoor de juiste polariteit in het circuit vereist is.

• Filmcondensatoren:
  Filmcondensatoren maken gebruik van dunne plastic Films (zoals polypropyleen, polyester oF polycarbonaat) als diëlektrisch materiaal. Deze films worden gewikkeld of gestapeld tussen twee gemetalliseerde lagen, die als platen fungeren. Filmcondensatoren zijn niet-polair, waardoor ze bruikbaar zijn in zowel AC- als DC-circuits.

2. Capaciteitsberekening

De capaciteit ( $C$ ) van een parallelle plaatcondensator, die van toepassing is op zowel elektrolytische als filmcondensatoren, wordt gegeven door de formule:

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

Waar:

• $C$ = capaciteit (farads, F)

• $\varepsilon_0$ = permittiviteit van vrije ruimte ( $8.854 \times 10^{-12}$ V/m)

• $\varepsilon_r$ = relatieve permittiviteit van het diëlektrische materiaal

• $A$ = oppervlakte van de platen (m²)

• $d$ = afstand tussen de platen (m)

Voorbeeld berekening : Voor een elektrolytische condensator die gebruik maakt van een oxidediëlektricum ( $\varepsilon_r = 8,5$ ), met een plaatoppervlak van $10^{-4} \, \text{m}^2$ en een scheiding van $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Voor een filmcondensator die polypropyleen gebruikt ( $\varepsilon_r = 2,2$ ), hetzelfde plaatoppervlak en een diëlektrische dikte van $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Zoals de berekening laat zien, bieden elektrolytische condensatoren een aanzienlijk hogere capaciteit voor hetzelfde plaatoppervlak en dezelfde diëlektrische dikte vanwege de hogere relatieve diëlektrische constante van het oxidemateriaal.

3. Equivalente serieweerstand (ESR)

• Elektrolytische condensatoren :

  Elektrolytische condensatoren hebben doorgaans een hogere capaciteit Equivalente serieweerstand (ESR) vergeleken met filmcondensatoren. ESR kan worden berekend als:

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

Waar :

• $f$ = bedrijfsfrequentie (Hz)

• $C$ = capaciteit (F)

• $Q$ = kwaliteitsfactor

Elektrolytische condensatoren hebben vaak ESR-waarden in het bereik van 0,1 tot enkele ohm vanwege hun interne weerstand en elektrolytverliezen. Deze hogere ESR maakt ze minder efficiënt in hoogfrequente toepassingen, wat leidt tot een grotere warmteafvoer.

• Filmcondensatoren :

  Filmcondensatoren hebben doorgaans een zeer lage ESR, vaak in het milliohmbereik, waardoor ze zeer efficiënt zijn voor hoogfrequente toepassingen, zoals filtering en schakelende voedingen. De lagere ESR resulteert in minimaal vermogensverlies en warmteontwikkeling.

ESR-voorbeeld :
Voor een elektrolytische condensator met $C = 100 \, \mu F$ , werkend met een frequentie van $f = 50 \, \text{Hz}$ en een kwaliteitsfactor $V = 20$ :

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

Voor een filmcondensator met dezelfde capaciteit en werkfrequentie maar een hogere kwaliteitsfactor $V = 200$ :

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

Dit toont aan dat filmcondensatoren een veel lagere ESR hebben, waardoor ze geschikter zijn voor hoogwaardige, hoogfrequente toepassingen.

4. Rimpelstroom en thermische stabiliteit

• Elektrolytische condensatoren :
  Het is bekend dat elektrolytische condensatoren beperkte rimpelstroomverwerkingsmogelijkheden hebben. Rimpelstroom genereert warmte als gevolg van de ESR, en overmatige rimpelingen kunnen ervoor zorgen dat de elektrolyt verdampt, wat leidt tot condensatorstoringen. De rimpelstroom is een belangrijke parameter, vooral in voedingen en motoraandrijfcircuits.

  Rimpelstroom kan worden geschat met behulp van de formule:

$$P_{\text{verlies}} = I_{\text{rimpeling}}^2 \times ESR$$

Waar:

• $P_{\text{verlies}}$ = vermogensverlies (watt)

• $I_{\text{ripple}}$ = rimpelstroom (ampère)

Als de rimpelstroom in een elektrolytische condensator van 100 µF met een ESR van 0,1 ohm 1 A is:

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

• Filmcondensatoren:

  Filmcondensatoren kunnen met hun lage ESR hogere rimpelstromen aan met minimale warmteontwikkeling. Dit maakt ze ideaal voor AC-toepassingen, zoals snubbercircuits en motorcondensatoren, waar grote stroomschommelingen optreden.

5. Spanningswaarde en verdeling

• Elektrolytische condensatoren:
  Elektrolytische condensatoren hebben over het algemeen lagere spanningswaarden, doorgaans variërend van 6,3 V tot 450 V. Overspanning kan leiden tot diëlektrische storing en uiteindelijk falen. Door hun constructie zijn ze gevoeliger voor kortsluiting als de oxidelaag beschadigd raakt.

• Filmcondensatoren:
  Filmcondensatoren, vooral die met diëlektricum van polypropyleen, kunnen veel hogere spanningen aan, vaak hoger dan 1.000 V. Dit maakt ze geschikt voor hoogspanningstoepassingen, zoals DC-tussenkringcircuits, waarbij spanningsstabiliteit van cruciaal belang is.

6. Levensverwachting en betrouwbaarheid

• Elektrolytische condensatoren:
  De levensverwachting van een elektrolytische condensator wordt beïnvloed door temperatuur, rimpelstroom en bedrijfsspanning. De algemene vuistregel is dat voor elke temperatuurstijging van 10°C de levensverwachting wordt gehalveerd. Ze zijn ook onderworpen aan condensator veroudering , omdat het elektrolyt na verloop van tijd uitdroogt.

• Filmcondensatoren:
  Filmcondensatoren zijn zeer betrouwbaar en hebben een lange levensduur, vaak meer dan 100.000 uur onder nominale omstandigheden. Ze zijn bestand tegen veroudering en omgevingsfactoren, waardoor ze ideaal zijn voor langdurige, zeer betrouwbare toepassingen.

7. Toepassingen

• Elektrolytische condensatoren:

  • Filtering van de voeding

  • Audiocircuits (signaalafvlakking)

  • Motorstartcircuits

  • Energieopslag in laagspanningscircuits

• Filmcondensatoren:

  • Hoogspannings AC/DC-circuits

  • Snubbercircuits voor overspanningsbeveiliging

  • Motorcondensatoren

  • EMI/RFI-onderdrukking

Dus, Welke condensator kiezen?

De keuze tussen elektrolytische condensatoren en filmcondensatoren hangt af van de specifieke behoeften van de toepassing. Elektrolytische condensatoren bieden een hoge capaciteit in een compact formaat en zijn kosteneffectief voor laagspanningstoepassingen. Hun hogere ESR, kortere levensverwachting en temperatuurgevoeligheid maken ze echter minder ideaal voor toepassingen met hoge frequentie en hoge betrouwbaarheid.

Filmcondensatoren hebben, vanwege hun superieure betrouwbaarheid, lage ESR en hoge-spanningsbehandeling, de voorkeur in toepassingen die hoge prestaties en duurzaamheid vereisen, zoals AC-motorcircuits, stroomomvormers en industriële besturingen.

Door de belangrijkste verschillen te begrijpen en de nodige technische berekeningen uit te voeren, kunt u weloverwogen beslissingen nemen voor uw circuitontwerp.