Diferenças entre capacitores eletrolíticos e capacitores de filmes

Os capacitores são componentes cruciais em vários circuitos eletrônicos e elétricos, desempenheo um papel fundamental no armazenamento de energia, estabilização de tensão e filtragem. Entre os diferentes tipos de capacitores, Capacitores eletrolíticos and Capacitores de cinema são amplamente utilizados, mas diferem significativamente em termos de construção, desempenho e aplicações. Neste blog, não apenas exploraremos as principais diferenças, mas também mergulharemos em alguns cálculos técnicos para entender melhor seu comportamento em circuitos.

1. Materiais de construção e dielétricos

• Capacitores eletrolíticos:
  Os capacitores eletrolíticos são construídos usando duas placas condutoras (geralmente alumínio ou tântalo), com uma camada de óxido servindo como dielétrico. UM segunda placa é tipicamente um eletrólito líquido ou sólido. UM camada de óxido fornece alta capacitância por unidade de volume devido à sua estrutura extremamente fina. Esses capacitores são polarizados, exigindo polaridade correta no circuito.

• Capacitores de cinema:
  Os capacitores de filme utilizam filmes de plástico finos (como polipropileno, poliéster ou policarbonato) como material dielétrico. Esses filmes são enrolados ou empilhados entre duas camadas metalizadas, que atuam como placas. Os capacitores de filmes não são polares, tornando-os utilizáveis ​​nos circuitos CUM e CC.

2. Cálculo da capacitância

UM capacitância ( $C$ ) de um capacitor de placa paralelo, que se aplica aos capacitores eletrolíticos e de filme, é dado pela fórmula:

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

Onde:

• $C$ = Capacitância (Farads, F)

• $\varepsilon_0$ = permissividade do espaço livre ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = permissividade relativa do material dielétrico

• $A$ = área das placas (m²)

• $d$ = distância entre as placas (m)

Exemplo de cálculo : Para um capacitor eletrolítico usando um dielétrico de óxido ( $\ varepsilon_r = 8.5$ ), com uma área de placa de $10^{-4} \, \text{m}^2$ e uma separação de $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Para um capacitor de filme usando polipropileno ( $\ varepsilon_r = 2.2$ ), a mesma área de placa e uma espessura dielétrica de $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Como o cálculo mostra, os capacitores eletrolíticos fornecem capacitância significativamente maior para a mesma área da placa e espessura dielétrica devido à maior permissividade relativa do material de óxido.

3. Resistência em série equivalente (ESR)

• Capacitores eletrolíticos :

  Capacitores eletrolíticos tendem a ter mais altos Resistência em série equivalente (ESR) Comparado aos capacitores de filmes. ESR pode ser calculado como:

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

Onde :

• $f$ = Frequência operacional (Hz)

• $C$ = capacitância (f)

• $Q$ = fator de qualidade

Os capacitores eletrolíticos geralmente têm valores de VSC na faixa de 0,1 a vários ohms devido à sua resistência interna e perdas de eletrólitos. Essa ESR mais alta os torna menos eficientes em aplicações de alta frequência, levando ao aumento da dissipação de calor.

• Capacitores de cinema :

  Os capacitores de filme normalmente possuem ESR muito baixo, geralmente na faixa de miliohm, tornando-os altamente eficientes para aplicações de alta frequência, como filtragem e comutação de fontes de alimentação. A ESR inferior resulta em perda mínima de energia e geração de calor.

Exemplo de ESR :
Para um capacitor eletrolítico com $C = 100 \, \ mu f$ , operando em uma frequência de $f = 50 \, \text{Hz}$ e um fator de qualidade $Q = 20$ :

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

Para um capacitor de filme com a mesma capacitância e frequência operacional, mas um fator de qualidade superior $Q = 200$ :

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

EUsso mostra que os capacitores de filmes têm ESR muito mais baixos, tornando-os mais adequados para aplicações de alto desempenho e de alta frequência.

4. Corrente de ondulação e estabilidade térmica

• Capacitores eletrolíticos :
  Sabe -se que os capacitores eletrolíticos possuem recursos limitados de manuseio de corrente de ondulação. A corrente de ondulação gera calor devido à ESR, e a ondulação excessiva pode fazer com que o eletrólito evapore, levando à falha do capacitor. A classificação da corrente de ondulação é um parâmetro importante, especialmente em fontes de alimentação e circuitos de acionamento de motor.

  A corrente de ondulação pode ser estimada usando a fórmula:

$$P_{\text{perda}} = EU_{\text{Ripple}}^2 \times ESR$$

Onde:

• $P_{\text{perda}}$ = perda de energia (watts)

• $I_{\text{ripple}}$ = corrente de ondulação (amperes)

Se a corrente da ondulação em um capacitor eletrolítico de 100 µF com uma VHS de 0,1 ohms for 1 A:

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

• Capacitores de cinema:

  Os capacitores de filme, com sua baixa ESR, podem lidar com correntes de ondulação mais altas com geração mínima de calor. Isso os torna ideais para aplicações CA, como circuitos de amortecedor e capacitores de execução do motor, onde ocorrem grandes flutuações de corrente.

5. Classificação de tensão e colapso

• Capacitores eletrolíticos:
  Os capacitores eletrolíticos geralmente têm classificações de tensão mais baixas, geralmente variando de 6,3V a 450V. A sobretensão pode levar a uma quebra dielétrica e eventual falha. Sua construção os torna mais propensos a curtos circuitos se a camada de óxido estiver danificada.

• Capacitores de cinema:
  Os capacitores de filmes, especialmente aqueles com dielétrico de polipropileno, podem lidar com tensões muito mais altas, geralmente excedendo 1.000V. Isso os torna adequados para aplicações de alta tensão, como circuitos de link DC, onde a estabilidade da tensão é crítica.

6. Expectativa de vida e confiabilidade

• Capacitores eletrolíticos:
  A expectativa de vida de um capacitor eletrolítico é afetada pela temperatura, corrente da ondulação e tensão operacional. A regra geral é que, para cada aumento de 10 ° C de temperatura, a expectativa de vida é reduzida pela metade. Eles também estão sujeitos a envelhecimento do capacitor , como o eletrólito seca com o tempo.

• Capacitores de cinema:
  Os capacitores de filmes são altamente confiáveis ​​com uma longa vida operacional, geralmente excedendo 100.000 horas em condições nominais. Eles são resistentes ao envelhecimento e fatores ambientais, tornando-os ideais para aplicações de longo prazo e de alta confiabilidade.

7. Aplicações

• Capacitores eletrolíticos:

  • Filtragem da fonte de alimentação

  • Circuitos de áudio (suavização de sinal)

  • Motor Start Circuits

  • Armazenamento de energia em circuitos de baixa tensão

• Capacitores de cinema:

  • Circuitos CA/CC de alta tensão

  • Circuitos de amortecedor para proteção

  • Capacitores de execução do motor

  • Supressão de EMI/RFI

Então, Qual capacitor escolher?

A escolha entre capacitores eletrolíticos e de filme depende das necessidades específicas do aplicativo. Os capacitores eletrolíticos oferecem alta capacitância em tamanho compacto e são econômicos para aplicações de baixa tensão. No entanto, sua EFR mais alta, menor expectativa de vida e sensibilidade à temperatura os tornam menos ideais para aplicações de alta frequência e alta confiabilidade.

Os capacitores de filmes, com sua confiabilidade superior, baixa ESR e manuseio de alta tensão, são preferidos em aplicações que exigem alto desempenho e durabilidade, como circuitos motores CA, inversores de energia e controles industriais.

Ao entender as principais diferenças e executar os cálculos técnicos necessários, você pode tomar decisões mais informadas para o design do seu circuito.