تفاوت بین خازن های الکترولیتی و خازن های فیلم

خازن ها اجزای حیاتی در مدارهای مختلف الکترونیکی و الکتریکی هستند که نقش اساسی در ذخیره انرژی، تثبیت ولتاژ و فیلتر کردن دارند. در میان انواع مختلف خازن ها، خازن های الکترولیتی و خازن های فیلم به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، اما از نظر ساخت، عملکرد و کاربردها تفاوت های قابل توجهی دارند. در این وبلاگ، ما نه تنها تفاوت های کلیدی را بررسی می کنیم، بلکه برخی از محاسبات فنی را نیز برای درک بهتر رفتار آنها در مدارها بررسی می کنیم.

1. ساخت و ساز و مواد دی الکتریک

• خازن های الکترولیتی:
  خازن های الکترولیتی با استفاده از دو صفحه رسانا (معمولاً آلومینیوم یا تانتالیوم) با یک لایه اکسید به عنوان دی الکتریک ساخته می شوند. صفحه دوم معمولاً یک الکترولیت مایع یا جامد است. لایه اکسیدی به دلیل ساختار بسیار نازک خود ظرفیت خازنی بالایی را در واحد حجم ایجاد می کند. این خازن ها پلاریزه هستند و به قطبیت صحیح در مدار نیاز دارند.

• خازن های فیلم:
  خازن های فیلم از فیلم های پلاستیکی نازک (مانند پلی پروپیلن، پلی استر یا پلی کربنات) به عنوان ماده دی الکتریک استفاده می کنند. این لایه ها بین دو لایه فلزی که به عنوان صفحات عمل می کنند، پیچیده شده یا انباشته می شوند. خازن های فیلم غیرقطبی هستند و در مدارهای الفسی و Dسی قابل استفاده هستند.

2. محاسبه ظرفیت

ظرفیت ( $سی$ ) یک خازن صفحه موازی، که برای خازن های الکترولیتی و فیلمی کاربرد دارد، با فرمول ارائه می شود:

$$سی = \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r الف}{د}$$

کجا:

• $سی$ = ظرفیت (فاراد، اف)

• $\varepsilon_0$ = مجاز بودن فضای آزاد ( $8.854 \tiمترes 10^{-12}$ اف/M)

• $\varepsilon_r$ = گذردهی نسبی ماده دی الکتریک

• $A$ = مساحت صفحات (متر²)

• $د$ = فاصله بین صفحات (متر)

محاسبه مثال : برای یک خازن الکترولیتی با استفاده از دی الکتریک اکسید ( $\varepsilon_r = 8.5$ )، با مساحت بشقاب $10^{-4} \, \text{متر}^2$ و جدایی از $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

برای یک خازن فیلم با استفاده از پلی پروپیلن ( $\varepsilon_r = 2.2$ ) همان سطح صفحه و ضخامت دی الکتریک از $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

همانطور که محاسبات نشان می دهد، خازن های الکترولیتی به دلیل گذردهی نسبی بالاتر ماده اکسید، ظرفیت قابل توجهی بالاتری را برای همان سطح صفحه و ضخامت دی الکتریک فراهم می کنند.

3. مقاومت سری معادل (Eاسآر)

• خازن های الکترولیتی :

  خازن های الکترولیتی تمایل بیشتری دارند مقاومت سری معادل (Eاسآر) در مقایسه با خازن های فیلم Eاسآر را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

$$ESR = \frac{1}{2 \pi f C س}$$

کجا :

• $f$ = فرکانس کاری (هرتز)

• $C$ = ظرفیت (F)

• $س$ = فاکتور کیفیت

خازن های الکترولیتی به دلیل مقاومت داخلی و تلفات الکترولیت اغلب دارای مقادیر ESR در محدوده 0.1 تا چند اهم هستند. این ESR بالاتر باعث می شود آنها در کاربردهای فرکانس بالا کارایی کمتری داشته باشند که منجر به افزایش اتلاف گرما می شود.

• خازن های فیلم :

  خازن‌های فیلم معمولاً دارای ESR بسیار پایینی هستند که اغلب در محدوده میلی‌اهمی است، که آن‌ها را برای کاربردهای فرکانس بالا، مانند فیلتر کردن و منابع تغذیه سوئیچینگ، بسیار کارآمد می‌سازد. ESR کمتر منجر به حداقل تلفات برق و تولید گرما می شود.

مثال ESR :
برای یک خازن الکترولیتی با $C = 100 \, \mu F$ ، کار در فرکانس $f = 50 \, \text{هرتز}$ و یک عامل کیفیت $س = 20$ :

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

برای یک خازن فیلم با ظرفیت خازنی و فرکانس کاری یکسان اما ضریب کیفیت بالاتر $Q = 200$ :

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

این نشان می دهد که خازن های فیلم دارای ESR بسیار پایین تری هستند و آنها را برای کاربردهای با کارایی بالا و فرکانس بالا مناسب تر می کند.

4. جریان ریپل و پایداری حرارتی

• خازن های الکترولیتی :
  خازن های الکترولیتی دارای قابلیت های محدودی برای کنترل جریان موج دار هستند. جریان موج دار به دلیل ESR گرما تولید می کند و ریپل بیش از حد می تواند باعث تبخیر الکترولیت شود و منجر به خرابی خازن شود. درجه جریان موج دار یک پارامتر مهم است، به ویژه در منابع تغذیه و مدارهای محرک موتور.

  جریان ریپل را می توان با استفاده از فرمول تخمین زد:

$$پ_{\text{از دست دادن}} = من_{\text{موج دار شدن}}^2 \times ESR$$

کجا:

• $پ_{\text{از دست دادن}}$ = تلفات برق (وات)

• $I_{\text{ripple}}$ = جریان موج دار (آمپر)

اگر جریان ریپل در خازن الکترولیتی 100 µF با ESR 0.1 اهم 1 A باشد:

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

• خازن های فیلم:

  خازن های فیلم، با ESR پایین خود، می توانند جریان های موج دار بالاتر را با حداقل تولید گرما تحمل کنند. این آنها را برای کاربردهای متناوب متناوب، مانند مدارهای snubber و خازن های موتور، که در آن نوسانات جریان زیاد رخ می دهد، ایده آل می کند.

5. رتبه بندی ولتاژ و خرابی

• خازن های الکترولیتی:
  خازن های الکترولیتی معمولاً دارای ولتاژ پایین تری هستند که معمولاً از 6.3 ولت تا 450 ولت متغیر است. اضافه ولتاژ می تواند منجر به خرابی دی الکتریک و در نهایت خرابی شود. ساختار آنها باعث می شود در صورت آسیب دیدن لایه اکسید، مستعد اتصال کوتاه شوند.

• خازن های فیلم:
  خازن های فیلم، به ویژه آنهایی که دی الکتریک پلی پروپیلن دارند، می توانند ولتاژهای بسیار بالاتری را که اغلب بیش از 1000 ولت است، تحمل کنند. این باعث می شود آنها برای کاربردهای ولتاژ بالا، مانند مدارهای DC-link، که در آن پایداری ولتاژ حیاتی است، مناسب باشند.

6. امید به زندگی و قابلیت اطمینان

• خازن های الکترولیتی:
  طول عمر خازن های الکترولیتی تحت تأثیر دما، جریان موج دار و ولتاژ کاری است. قاعده کلی این است که به ازای هر 10 درجه سانتی گراد افزایش دما، امید به زندگی نصف می شود. آنها نیز مشمول پیری خازن ، زیرا الکترولیت به مرور زمان خشک می شود.

• خازن های فیلم:
  خازن های فیلم با عمر عملیاتی طولانی بسیار قابل اعتماد هستند، که اغلب در شرایط نامی بیش از 100000 ساعت است. آنها در برابر پیری و عوامل محیطی مقاوم هستند و آنها را برای کاربردهای طولانی مدت و با قابلیت اطمینان بالا ایده آل می کند.

7. برنامه های کاربردی

• خازن های الکترولیتی:

  • فیلتر منبع تغذیه

  • مدارهای صوتی (هموارسازی سیگنال)

  • مدارهای راه اندازی موتور

  • ذخیره انرژی در مدارهای ولتاژ پایین

• خازن های فیلم:

  • مدارهای AC/DC ولتاژ بالا

  • مدارهای اسنابر برای حفاظت از نوسانات

  • خازن های موتور

  • سرکوب EMI/RFI

بنابراین، کدام خازن را انتخاب کنیم؟

انتخاب بین خازن های الکترولیتی و فیلم بستگی به نیازهای خاص برنامه دارد. خازن های الکترولیتی ظرفیت بالایی را در اندازه فشرده ارائه می دهند و برای کاربردهای ولتاژ پایین مقرون به صرفه هستند. با این حال، ESR بالاتر، امید به زندگی کوتاه‌تر و حساسیت به دما، آنها را برای کاربردهای با فرکانس بالا و قابلیت اطمینان بالا ایده‌آل نمی‌کند.

خازن‌های فیلم با قابلیت اطمینان بالا، ESR پایین و کنترل ولتاژ بالا، در کاربردهایی که نیاز به کارایی و دوام بالا دارند، مانند مدارهای موتور AC، اینورترهای قدرت و کنترل‌های صنعتی ترجیح داده می‌شوند.

با درک تفاوت های کلیدی و انجام محاسبات فنی لازم می توانید تصمیمات آگاهانه تری برای طراحی مدار خود بگیرید.