Perbedaan antara kapasitor elektrolitik dan kapasitor film

KapasitoR aDalah koMponen penting DalaM beRbagai siRkuit elektRonik Dan listRik, MeMainkan peRan MenDasaR DalaM penyimpanan eneRgi, stabilisasi tegangan, dan penyaringan. Di antara berbagai jenis kapasitor, Kapasitor elektrolitik Dan Kapasitor Film banyak digunakan, tetapi mereka berbeda secara signiFikan dalam hal konstruksi, kinerja, dan aplikasi. Di blog ini, kami tidak hanya akan mengeksplorasi perbedaan utama tetapi juga menyelami beberapa perhitungan teknis untuk lebih memahami perilaku mereka di sirkuit.

1. Bahan Konstruksi dan Dielektrik

• Kapasitor elektrolitik:
  Kapasitor elektrolitik dibangun menggunakan dua pelat konduktiF (biasanya aluminium atau tantalum), dengan lapisan oksida yang disajikan sebagai dielektrik. Pelat kedua biasanya elektrolit cair atau padat. Lapisan oksida memberikan kapasitansi tinggi per unit volume karena strukturnya yang sangat tipis. Kapasitor ini terpolarisasi, membutuhkan polaritas yang benar di sirkuit.

• Kapasitor Film:
  Kapasitor Film menggunakan Film plastik tipis (seperti polypropylene, polyester, atau polycarbonate) sebagai bahan dielektrik. Film -Film ini terluka atau ditumpuk di antara dua lapisan metalisasi, yang bertindak sebagai pelat. Kapasitor film non-polar, membuatnya dapat digunakan di sirkuit AC dan DC.

2. Perhitungan Kapasitansi

Kapasitansi ( $C$ ) dari kapasitor pelat paralel, yang berlaku untuk kapasitor elektrolitik dan film, diberikan oleh formula:

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

Di mana:

• $C$ = Kapasitansi (Farads, F)

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

• $\varepsilon_r$ = permitivitas relatif dari bahan dielektrik

• $A$ = Area pelat (m²)

• $d$ = jarak antara pelat (m)

Contoh Perhitungan : Untuk kapasitor elektrolitik menggunakan dielektrik oksida ( $\ varepsilon_r = 8.5$ ), dengan area piring $10^{-4} \, \text{m}^2$ 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 film menggunakan polypropylene ( $\ varepsilon_r = 2.2$ ), area pelat 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 perhitungan, kapasitor elektrolitik memberikan kapasitansi yang secara signifikan lebih tinggi untuk area pelat yang sama dan ketebalan dielektrik karena permitivitas relatif yang lebih tinggi dari bahan oksida.

3. Resistensi Seri Setara (Esr)

• Kapasitor elektrolitik :

  Kapasitor elektrolitik cenderung memiliki lebih tinggi Resistensi Seri Setara (Esr) Dibandingkan dengan kapasitor film. ESR dapat dihitung sebagai:

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

Di mana :

• $f$ = frekuensi operasi (Hz)

• $C$ = kapasitansi (f)

• $Q$ = Faktor Kualitas

Kapasitor elektrolitik sering memiliki nilai ESR dalam kisaran 0,1 hingga beberapa ohm karena resistensi internal dan kehilangan elektrolit. ESR yang lebih tinggi ini membuatnya kurang efisien dalam aplikasi frekuensi tinggi, yang mengarah pada peningkatan disipasi panas.

• Kapasitor film :

  Kapasitor film biasanya memiliki ESR yang sangat rendah, seringkali dalam kisaran Milliohm, membuatnya sangat efisien untuk aplikasi frekuensi tinggi, seperti penyaringan dan switching power catu. ESR yang lebih rendah menghasilkan kehilangan daya minimal dan pembangkit panas.

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

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

Untuk kapasitor film dengan kapasitansi dan frekuensi operasi yang sama tetapi faktor kualitas yang lebih tinggi $Q = 200$ :

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

SAYAni menunjukkan bahwa kapasitor film memiliki ESR yang jauh lebih rendah, membuatnya lebih cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi berkinerja tinggi.

4. Stabilitas arus dan termal riak

• Kapasitor elektrolitik :
  Kapasitor elektrolitik diketahui memiliki kemampuan penanganan arus riak terbatas. Arus riak menghasilkan panas karena ESR, dan riak yang berlebihan dapat menyebabkan elektrolit menguap, yang menyebabkan kegagalan kapasitor. Peringkat arus riak adalah parameter penting, terutama pada catu daya dan sirkuit penggerak motor.

  Arus riak dapat diperkirakan menggunakan rumus:

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

Di mana:

• $P_{\text{kehilangan}}$ = Kehilangan Daya (Watts)

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

Jika 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 film:

  Kapasitor film, dengan ESR rendah, dapat menangani arus riak yang lebih tinggi dengan generasi panas minimal. Ini membuatnya ideal untuk aplikasi AC, seperti sirkuit snubber dan kapasitor motor run, di mana fluktuasi arus besar terjadi.

5. Peringkat Tegangan dan Kerusakan

• Kapasitor elektrolitik:
  Kapasitor elektrolitik umumnya memiliki peringkat tegangan yang lebih rendah, biasanya mulai dari 6.3V hingga 450V. Tegangan berlebih dapat menyebabkan kerusakan dielektrik dan kegagalan akhirnya. Konstruksi mereka membuat mereka lebih rentan terhadap sirkuit pendek jika lapisan oksida rusak.

• Kapasitor film:
  Kapasitor film, terutama yang memiliki dielektrik polypropylene, dapat menangani tegangan yang jauh lebih tinggi, seringkali melebihi 1.000V. Ini membuatnya cocok untuk aplikasi tegangan tinggi, seperti sirkuit DC-Link, di mana stabilitas tegangan sangat penting.

6. Harapan dan Keandalan Hidup

• Kapasitor elektrolitik:
  Harapan hidup kapasitor elektrolitik dipengaruhi oleh suhu, arus riak, dan tegangan operasi. Aturan umum adalah bahwa untuk setiap peningkatan suhu 10 ° C, harapan hidup dibelah dua. Mereka juga tunduk Penuaan kapasitor , saat elektrolit mengering seiring waktu.

• Kapasitor film:
  Kapasitor film sangat dapat diandalkan dengan kehidupan operasional yang panjang, seringkali melebihi 100.000 jam pada kondisi pengenal. Mereka resisten terhadap faktor penuaan dan lingkungan, menjadikannya ideal untuk aplikasi jangka panjang, keandalan tinggi.

7. Aplikasi

• Kapasitor elektrolitik:

  • Penyaringan catu daya

  • Sirkuit audio (smoothing sinyal)

  • Sirkuit Mulai Motor

  • Penyimpanan Energi di Sirkuit Tegangan Rendah

• Kapasitor film:

  • Sirkuit AC/DC tegangan tinggi

  • Sirkuit snubber untuk perlindungan lonjakan

  • Kapasitor Motor Run

  • Penindasan EMI/RFI

Jadi, Kapasitor mana yang harus dipilih?

Memilih antara kapasitor elektrolitik dan film tergantung pada kebutuhan spesifik aplikasi. Kapasitor elektrolitik menawarkan kapasitansi tinggi dalam ukuran kompak dan hemat biaya untuk aplikasi bertegangan rendah. Namun, ESR mereka yang lebih tinggi, harapan hidup yang lebih pendek, dan sensitivitas terhadap suhu membuat mereka kurang ideal untuk aplikasi frekuensi tinggi dan keandalan tinggi.

Kapasitor film, dengan keandalan superior, ESR rendah, dan penanganan tegangan tinggi, lebih disukai dalam aplikasi yang menuntut kinerja dan daya tahan tinggi, seperti sirkuit motor AC, inverter daya, dan kontrol industri.

Dengan memahami perbedaan utama dan melakukan perhitungan teknis yang diperlukan, Anda dapat membuat keputusan yang lebih tepat untuk desain sirkuit Anda.