الاختلافات بين المكثفات الكهربائية ومكثفات الأفلام

المكثفات هي مكونات حاسمة في مختلف الدوائر الإلكترونية والكهربائية ، وتلعب دورًا أساسيًا في تخزين الطاقة ، وتثبيت الجهد ، والتصفية. من بين الأنواع المختلفة من المكثفات ، المكثفات الكهربائية و المكثفات السينمائية تستخدم على نطاق واسع ، لكنها تختلف اختلافًا كبيرًا من حيث البناء والأداء والتطبيقات. في هذه المدونة ، لن نستكشف الاختلافات الرئيسية فحسب ، بل نغوص أيضًا في بعض الحسابات الفنية لفهم سلوكهم بشكل أفضل في الدوائر.

1. البناء والعزل الكهربائي

• المكثفات الكهربائية:
  يتم إنشاء المكثفات الكهربائية باستخدام لوحين موصلين (عادةً الألومنيوم أو tantaluم) ، مع طبقة أكسيد بمثابة عازلة. اللوحة الثانية عادة ما تكون المنحل بالكهرباء السائل أو الصلبة. توفر طبقة الأكسيد السعة عالية لكل وحدة حجم بسبب بنيتها الرقيقة للغاية. هذه المكثفات مستقطبة ، وتتطلب قطبية صحيحة في الدائرة.

• المكثفات الأفلام:
  تستخدم المكثفات السينمائية أفلامًا بلاستيكية رقيقة (مثل البولي بروبيلين أو البوليستر أو البولي) كمواد عازلة. هذه الأفلام تُجرح أو مكدسة بين طبقتين معدنيتين ، والتي تعمل كوحات. المكثفات الأفلام غير القطبية ، مما يجعلها قابلة للاستخدام في كل من دوائر أج و Dج.

2. حساب السعة

السعة ( $ج$ ) من مكثف لوحة متوازي ، والذي ينطبق على كل من المكثفات الكهربائية والمكثفات الأفلام ، يتم تقديمه بواسطة الصيغة:

$$ج = \وصac{\ vaصepsilon_0 \ vaصepsilon_ص أ}{د}$$

أين:

• $ج$ = السعة (فارادس ، و)

• $\vaصepsilon_0$ = سمرة المساحة الحرة ( $8.854 \tiمes 10^{-12}$ و/م)

• $\varepsilon_r$ = السماحية النسبية للمواد العازلة

• $A$ = مساحة اللوحات (م²)

• $د$ = المسافة بين اللوحات (م)

مثال الحساب : للحصول على مكثف كهربائي باستخدام عزل كهربائي أكسيد ( $\ varepsilon_r = 8.5$ ) ، مع مساحة صفيحة $10^{-4} \, \text{م}^2$ وفصل $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$ج = \وrac{8.854 \times 10^{-12} \times 8.5 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 7.53 \times 10^{-9} \, \text{و} = 7.53 \, \text{Nو}$$

لمكثف فيلم باستخدام البولي بروبيلين ( $\ varepsilon_r = 2.2$ ) ، نفس مساحة اللوحة ، وسمك العزل الكهربائي $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

كما يوضح الحساب ، توفر المكثفات الكهربائية سعة أعلى بكثير لمنطقة اللوحة نفسها وسمك العازلة بسبب السماحية النسبية العليا لمادة الأكسيد.

3. مقاومة سلسلة مكافئة (هقص)

• المكثفات الكهربائية :

  تميل المكثفات الكهربائية إلى أعلى مقاومة سلسلة مكافئة (هقص) مقارنة بمكثفات الأفلام. يمكن حساب هقص على النحو التالي:

$$ESR = \وrac{1}{2 \pi و C س}$$

أين :

• $f$ = تردد التشغيل (هرتز)

• $C$ = السعة (و)

• $س$ = عامل الجودة

غالبًا ما يكون للمكثفات الكهربائية قيم ESR في حدود 0.1 إلى عدة أوم بسبب مقاومتها الداخلية وخسائر المنحل بالكهرباء. يجعلها ESR الأعلى هذه أقل كفاءة في تطبيقات التردد العالي ، مما يؤدي إلى زيادة تبديد الحرارة.

• المكثفات السينمائية :

  عادةً ما تحتوي المكثفات الأفلام على ESR منخفضة للغاية ، غالبًا في نطاق MillioHM ، مما يجعلها فعالة للغاية لتطبيقات التردد العالي ، مثل تصفية وتبديل إمدادات الطاقة. يؤدي انخفاض ESR إلى الحد الأدنى من فقدان الطاقة وتوليد الحرارة.

مثال ESR :
لمكثف كهربائي $C = 100 \ ، \ mu f$ ، العمل على تواتر $f = 50 \, \text{هرتز}$ وعامل الجودة $س = 20$ :

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

بالنسبة لمكثف فيلم له نفس السعة وتردد التشغيل ولكن عامل جودة أعلى $س = 200$ :

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

هذا يدل على أن مكثفات الأفلام لديها ESR أقل بكثير ، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتطبيقات عالية الأداء وعالية التردد.

4. تموج التيار والاستقرار الحراري

• المكثفات الكهربائية :
  من المعروف أن المكثفات الكهربائية لديها قدرات معالجة التيار محدودة. يولد تيار Ripple الحرارة بسبب ESR ، ويمكن أن يتسبب التموج المفرط في تبخر المنحل بالكهرباء ، مما يؤدي إلى فشل المكثف. يعد تصنيف تيار التموج معلمة مهمة ، خاصة في إمدادات الطاقة ودوائر محرك السيارات.

  يمكن تقدير تيار التموج باستخدام الصيغة:

$$ص_{\text{خسارة}} = أنا_{\text{تموج}}^2 \times ESR$$

أين:

• $ص_{\text{خسارة}}$ = فقدان الطاقة (واط)

• $I_{\text{ripple}}$ = تيار تموج (amperes)

إذا كان تيار التموج في مكثف كهربائي 100 µF مع ESR من 0.1 أوم هو 1 أ:

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

• المكثفات الأفلام:

  يمكن أن تتعامل المكثفات السينمائية ، مع انخفاض ESR ، مع تيارات تموج أعلى مع الحد الأدنى من توليد الحرارة. هذا يجعلها مثالية لتطبيقات AC ، مثل دوائر Snubber ومكثفات تشغيل المحركات ، حيث تحدث تقلبات التيار الكبيرة.

5. تصنيف الجهد والانهيار

• المكثفات الكهربائية:
  تحتوي المكثفات الكهربائية عمومًا على تصنيفات جهد أقل ، تتراوح عادة من 6.3 فولت إلى 450 فولت. يمكن أن تؤدي الجهد الزائد إلى انهيار العزل الكهربائي والفشل في نهاية المطاف. إن بنائهم يجعلهم أكثر عرضة للدوائر القصيرة إذا تضررت طبقة الأكسيد.

• المكثفات الأفلام:
  يمكن لمكثفات الأفلام ، وخاصة تلك التي تحتوي على عزل البولي بروبيلين ، التعامل مع الفولتية الأعلى بكثير ، وغالبًا ما تتجاوز 1000 فولت. هذا يجعلها مناسبة للتطبيقات عالية الجهد ، مثل دوائر الوصلات DC ، حيث يكون استقرار الجهد أمرًا بالغ الأهمية.

6. العمر المتوقع والموثوقية

• المكثفات الكهربائية:
  يتأثر متوسط ​​العمر المتوقع للمكثف الكهربائي بدرجة الحرارة وتيار التموج والجهد العاملة. القاعدة العامة للإبهام هي أنه لكل 10 درجة مئوية في درجة الحرارة ، انخفض متوسط ​​العمر المتوقع. هم أيضا عرضة ل مكثف الشيخوخة ، كما يجف المنحل بالكهرباء مع مرور الوقت.

• المكثفات الأفلام:
  المكثفات الأفلام موثوقة للغاية مع حياة تشغيلية طويلة ، وغالبًا ما تتجاوز 100000 ساعة في الظروف المقدرة. إنها مقاومة للشيخوخة والعوامل البيئية ، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الطويلة الأجل والموثوقية.

7. التطبيقات

• المكثفات الكهربائية:

  • تصفية إمدادات الطاقة

  • دوائر الصوت (تجانس الإشارة)

  • دوائر بدء المحرك

  • تخزين الطاقة في دوائر الجهد المنخفض

• المكثفات الأفلام:

  • دوائر AC/DC عالية الجهد

  • دوائر snubber لحماية الطفرة

  • المكثفات تشغيل المحرك

  • قمع EMI/RFI

لذا، أي مكثف للاختيار؟

يعتمد الاختيار بين المكثفات الكهربائية ومكثفات الأفلام على الاحتياجات المحددة للتطبيق. توفر المكثفات الكهربائية سعة عالية بحجم مضغوط وفعالة من حيث التكلفة للتطبيقات منخفضة الجهد. ومع ذلك ، فإن ارتفاع ESR ، وأقصر العمر المتوقع ، والحساسية لدرجة الحرارة يجعلها أقل مثالية لتطبيقات التردد العالي والموثوقية عالية.

تفضل مكثفات الأفلام ، مع موثوقيتها الفائقة ، وانخفاض ESR ، والتعامل مع الجهد العالي ، في التطبيقات التي تتطلب الأداء العالي والمتانة ، مثل دوائر محرك AC ، ومحولات الطاقة ، والضوابط الصناعية.

من خلال فهم الاختلافات الرئيسية وأداء الحسابات التقنية اللازمة ، يمكنك اتخاذ قرارات أكثر استنارة لتصميم الدائرة الخاص بك .