تفاوت بین خازن های الکترولیتی و خازن های فیلم

خازن ها اجزای مهم در مدارهای مختلف الکترونیکی و الکتریکی هستند و نقش اساسی در ذخیره انرژی ، تثبیت ولتاژ و فیلتر دارند. در میان انواع مختلف خازن ها ، خازن های الکترولیتی وت خازن های فیلم به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند ، اما از نظر ساخت و ساز ، عملکرد و برنامه ها تفاوت قابل توجهی دارند. در این وبلاگ ، ما نه تنها تفاوت های کلیدی را کشف خواهیم کرد بلکه به برخی از محاسبات فنی نیز می پردازیم تا رفتار آنها در مدارها را بهتر بشناسیم.

1. مواد ساختمانی و دی الکتریک

• خازن های الکترولیتی:
  خازن های الکترولیتی با استفاده از دو صفحه رسانا (معمولاً آلومینیوم یا تانتالوم) ساخته می شوند که یک لایه اکسید به عنوان دی الکتریک خدمت می کند. صفحه دوم به طور معمول یک الکترولیت مایع یا جامد است. لایه اکسید به دلیل ساختار بسیار نازک ، ظرفیت بالایی را در هر واحد فراهم می کند. این خازن ها قطبی شده اند 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 فیلم ها بین دو لایه فلز شده زخم شده یا جمع شده اند که به عنوان صفحات عمل می کنند. خازن های فیلم غیر قطبی هستند و آنها را در هر دو مدارهای بوهاجف و Dجف قابل استفاده می کنند.

2. محاسبه ظرفیت

ظرفیت ( $جف$ ) از یک خازن صفحه موازی ، که برای هر دو خازن الکترولیتی و فیلم اعمال می شود ، توسط فرمول داده می شود:

$$جف = \جحرفac{\ vaحرفepsilon_0 \ vaحرفepsilon_حرف بوها}{د}$$

کجا:

• $جف$ = ظرفیت (جaحرفaدs ، ج)

• $\vaحرفepsilon_0$ = مجاز بودن فضای آزاد ( $8.854 \tiمگسes 10^{-12}$ ج/مگس)

• $\varepsilon_r$ = نفوذ نسبی مواد دی الکتریک

• $A$ = مساحت صفحات (مگس²)

• $d$ = فاصله بین صفحات (M)

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

$$جف = \جrac{8.854 \times 10^{-12} \times 8.5 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 7.53 \times 10^{-9} \, \text{ج} = 7.53 \, \text{NF}$$

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

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

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

3. مقاومت سری معادل (اشمیهحرفحرف)

• خازن های الکترولیتی :

  خازن های الکترولیتی تمایل به بالاتر دارند مقاومت سری معادل (اشمیهحرفحرف) در مقایسه با خازن های فیلم. اشمیهحرفحرف را می توان به عنوان:

$$ESR = \جrac{1}{2 \pi f C سعدی}$$

کجا :

• $f$ = فرکانس عامل (هرتز)

• $C$ = ظرفیت (F)

• $سعدی$ = عامل کیفیت

خازن های الکترولیتی اغلب به دلیل مقاومت داخلی و تلفات الکترولیت ، مقادیر ESR را در محدوده 0.1 تا چند اهم دارند. این ESR بالاتر باعث می شود که آنها در برنامه های با فرکانس بالا کارآمدتر شوند و منجر به افزایش اتلاف گرما شود.

• خازن های فیلم :

  خازن های فیلم به طور معمول ESR بسیار کمی دارند ، اغلب در محدوده Milliohm ، و آنها را برای برنامه های با فرکانس بالا مانند فیلتر کردن و منبع تغذیه سوئیچینگ بسیار کارآمد می کند. ESR پایین تر منجر به از بین رفتن حداقل قدرت و تولید گرما می شود.

نمونه ESR :
برای یک خازن الکترولیتی با $c = 100 \ ، \ mu f$ ، با فرکانس کار می کند $f = 50 \, \text{هرتز}$ و یک عامل با 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 همان خازن و فرکانس عملیاتی اما یک عامل با کیفیت بالاتر $س = 200$ :

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

این نشان می دهد که خازن های فیلم ESR بسیار کمتری دارند و آنها را برای برنامه های با کارایی بالا و با فرکانس بالا مناسب تر می کند.

4. جریان و ثبات حرارتی

• خازن های الکترولیتی :
  خازن های الکترولیتی شناخته شده اند که دارای قابلیت حمل جریان موج دار محدود هستند. جریان موج دار به دلیل ESR گرما ایجاد می کند و موج بیش از حد می تواند باعث تبخیر الکترولیت شود و منجر به خرابی خازن شود. رتبه جریان موج دار یک پارامتر مهم ، به ویژه در منبع تغذیه و مدارهای درایو موتور است.

  جریان موج دار را می توان با استفاده از فرمول تخمین زد:

$$پ_{\text{ضرر}} = من_{\text{موج دار}}^2 \times ESR$$

کجا:

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

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

اگر جریان موج دار در یک خازن الکترولیتی 100 میکرومتر با ESR 0.1 اهم 1 باشد:

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

• خازن های فیلم:

  خازن های فیلم ، با ESR کم خود ، می توانند جریان های موج دار بالاتر را با حداقل تولید گرما تحمل کنند. این امر باعث می شود آنها برای برنامه های کاربردی AC ، مانند مدارهای Snubber و خازن های اجرای موتور ، که در آن نوسانات جریان بزرگ رخ می دهد ، ایده آل شود.

5. امتیاز و ولتاژ و تجزیه

• خازن های الکترولیتی:
  خازن های الکترولیتی به طور کلی دارای رتبه بندی ولتاژ کمتری هستند ، به طور معمول از 6.3 ولت تا 450 ولت. ولتاژ بیش از حد می تواند منجر به تجزیه دی الکتریک و شکست نهایی شود. در صورت آسیب دیدگی لایه اکسید ، ساخت آنها مستعد بیشتر مدارهای کوتاه است.

• خازن های فیلم:
  خازن های فیلم ، به ویژه آنهایی که دارای پلی پروپیلن دی الکتریک هستند ، می توانند ولتاژهای بسیار بالاتری را تحمل کنند ، که اغلب بیش از 1000 ولت است. این امر باعث می شود آنها برای برنامه های ولتاژ بالا ، مانند مدارهای DC-Link ، که در آن ثبات ولتاژ بسیار مهم است ، مناسب باشد.

6. امید و قابلیت اطمینان زندگی

• خازن های الکترولیتی:
  امید به زندگی یک خازن الکترولیتی تحت تأثیر دما ، جریان موج دار و ولتاژ عملیاتی قرار دارد. قاعده کلی شست این است که برای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما ، امید به زندگی نصف می شود. آنها همچنین مشمول هستند خازن پیری ، همانطور که الکترولیت با گذشت زمان خشک می شود.

• خازن های فیلم:
  خازن های فیلم با یک عمر طولانی عملیاتی بسیار قابل اعتماد هستند و اغلب بیش از 100000 ساعت در شرایط رتبه بندی شده 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 کنند.

7. برنامه ها

• خازن های الکترولیتی:

  • فیلتر منبع تغذیه

  • مدارهای صوتی (هموار سازی سیگنال)

  • مدارهای شروع موتور

  • ذخیره انرژی در مدارهای کم ولتاژ

• خازن های فیلم:

  • مدارهای AC/DC با ولتاژ بالا

  • مدارهای Snubber برای حفاظت از افزایش

  • خازن های اجرا موتور

  • سرکوب EMI/RFI

بنابراین ، کدام خازن را انتخاب کنید؟

انتخاب بین خازن های الکترولیتی و فیلم به نیازهای خاص برنامه بستگی دارد. خازن های الکترولیتی در اندازه فشرده خازن بالایی را ارائه می دهند و برای برنامه های کم ولتاژ مقرون به صرفه هستند. با این حال ، ESR بالاتر ، امید به زندگی کوتاه تر و حساسیت به دما باعث می شود که آنها برای برنامه های با فرکانس بالا و با قابلیت اطمینان کمتر ایده آل شوند.

خازن های فیلم ، با قابلیت اطمینان برتر ، ESR کم و کنترل ولتاژ بالا ، در برنامه هایی که نیاز به کارایی و دوام بالا دارند ، مانند مدارهای حرکتی AC ، اینورترهای برق و کنترل های صنعتی ترجیح داده می شوند.

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