電解コンデンサとフィルムコンデンサの違い

コンデンサは、さまざまな電子回路と電気回路の重要な成分であり、エネルギー貯蔵、電圧安定化、フィルタリングに基本的な役割を果たします。さまざまなタイプのコンデンサの中で、 電解コンデンサ そして フィルムコンデンサ 広く使用されていますが、建設、パフォーマンス、アプリケーションの点で大きく異なります。このブログでは、主要な違いを探求するだけでなく、いくつかの技術的な計算に飛び込み、サーキットでの行動をよりよく理解します。

1。構造と誘電材料

• 電解コンデンサ：
  電解コンデンサは、2つの導電性プレート（通常はアルミニウムまたはタンタル）を使用して構築され、酸化物層が誘電体として機能します。 2番目のプレートは通常、液体または固体電解質です。酸化物層は、その非常に薄い構造のため、単位体積あたりの高い容量を提供します。これらのコンデンサは偏光されており、回路で正しい極性が必要です。

• フィルムコンデンサ：
  フィルムコンデンサは、薄いプラスチックフィルム（ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネートなど）を誘電体として利用します。これらのフィルムは、プレートとして機能する2つの金属層の間に傷または積み重ねられています。フィルムコンデンサは非極性であり、acサーキットとDc回路の両方で使用可能です。

2. 静電容量計算

静電容量（ $c$ ）電解とフィルムのコンデンサの両方に適用される平行プレートコンデンサの式は、式で与えられます。

$$c = \frac{\ varepsilon_0 \ varepsilon_r a}{d}$$

どこ：

• $c$ =静電容量（ファラッド、f）

• $\varepsilon_0$ =自由空間の誘電率（ $8.854 \times 10^{-12}$ f/m）

• $\varepsilon_r$ =誘電体の相対誘電率

• $A$ =プレートの面積（m²）

• $d$ =プレート間の距離（m）

例の計算 ：酸化物誘電体を使用した電解コンデンサの場合（ $\ varepsilon_r = 8.5$ ）、プレート領域があります $10^{-4} \, \text{m}^2$ との分離 $10^{-6} \, \text{m}$ ：

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

ポリプロピレンを使用したフィルムコンデンサの場合（ $\ varepsilon_r = 2.2$ ）、同じプレート領域、およびの誘電体の厚さ $10^{-6} \, \text{m}$ ：

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

計算が示すように、電解コンデンサは、酸化物材料の相対誘電率が高いため、同じプレート面積と誘電体の厚さに対して有意に高い容量を提供します。

3. 同等のシリーズ抵抗（esr）

• 電解コンデンサ ：

  電解コンデンサはより高い傾向があります 同等のシリーズ抵抗（esr） フィルムコンデンサと比較して。 esrは次のように計算できます。

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

どこ ：

• $f$ =動作周波数（Hz）

• $C$ =静電容量（f）

• $Q$ =品質要因

電解コンデンサは、多くの場合、内部抵抗と電解質の損失のために0.1からいくつかのオームの範囲のESR値を持っています。この高いESRにより、高周波アプリケーションでの効率が低下し、熱散逸が増加します。

• フィルムコンデンサ ：

  フィルムコンデンサは通常、MillioHMの範囲で非常に低いESRを持ち、電源のフィルタリングやスイッチングなどの高周波アプリケーションに非常に効率的です。 ESRが低いと、最小限の電力損失と熱生成が発生します。

ESRの例 ：
電気分解コンデンサの場合 $c = 100 \、\ mu f$ 、頻度で動作します $f = 50 \, \text{Hz}$ そして品質要因 $Q = 20$ ：

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

同じ容量と動作周波数を持つが、より高い品質の要因を持つフィルムコンデンサの場合 $Q = 200$ ：

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

これは、フィルムコンデンサがESRがはるかに低いため、高性能の高周波アプリケーションにより適していることを示しています。

4.リップル電流および熱安定性

• 電解コンデンサ ：
  電解コンデンサは、リップル電流処理機能が制限されていることが知られています。リップル電流はESRのために熱を発生させ、過度のリップルは電解質を蒸発させ、コンデンサの故障を引き起こす可能性があります。リップル電流評価は、特に電源とモータードライブ回路で重要なパラメーターです。

  リップル電流は、式を使用して推定できます。

$$p_{\text{損失}} = 私_{\text{波紋}}^2 \times ESR$$

どこ：

• $p_{\text{損失}}$ =パワーロス（ワット）

• $I_{\text{ripple}}$ =リップル電流（アンペア）

0.1オームのESRを持つ100 µF電解コンデンサのリップル電流が1 aの場合：

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

• フィルムコンデンサ：

  ESRが低いフィルムコンデンサは、最小限の熱生成でより高い波紋電流を処理できます。これにより、Snubber回路やモーターランコンデンサなどのACアプリケーションに理想的になり、電流が大きく変動します。

5。電圧の定格と故障

• 電解コンデンサ：
  電解コンデンサは一般に、通常6.3Vから450Vの範囲で、電圧定格が低くなります。過電圧は、誘電体の分解と最終的な障害につながる可能性があります。彼らの構造により、酸化物層が損傷している場合、短絡する傾向があります。

• フィルムコンデンサ：
  フィルムコンデンサ、特にポリプロピレン誘電体を患っているものは、しばしば1,000Vを超えるはるかに高い電圧を処理できます。これにより、電圧の安定性が重要なDCリンク回路などの高電圧アプリケーションに適しています。

6。平均寿命と信頼性

• 電解コンデンサ：
  電解コンデンサの寿命は、温度、リップル電流、および動作電圧の影響を受けます。一般的な経験則では、温度が10°C増加するごとに、平均寿命が半分になるということです。また、その対象となります コンデンサの老化 、電解質が時間の経過とともに乾燥すると。

• フィルムコンデンサ：
  フィルムコンデンサは、長い運用寿命で非常に信頼性が高く、定格条件では100,000時間を超えることがよくあります。それらは、老化および環境要因に耐性があり、長期的で高信頼性のアプリケーションに最適です。

7。アプリケーション

• 電解コンデンサ：

  • 電源フィルタリング

  • オーディオサーキット（シグナルスムージング）

  • モータースタート回路

  • 低電圧回路のエネルギー貯蔵

• フィルムコンデンサ：

  • 高電圧AC/DC回路

  • サージ保護のためのスナバー回路

  • モーターランコンデンサ

  • EMI/RFI抑制

それで、 どのコンデンサを選択しますか？

電解とフィルムのコンデンサを選択することは、アプリケーションの特定のニーズに依存します。電解コンデンサは、コンパクトなサイズで高い静電容量を提供し、低電圧アプリケーションに費用対効果が高くなります。ただし、ESRが高く、平均余命が短く、温度に対する感度により、高周波および高リリエビリティアプリケーションには理想的ではありません。

優れた信頼性、低ESR、および高電圧処理を備えたフィルムコンデンサは、ACモーター回路、パワーインバーター、産業コントロールなど、高性能と耐久性を必要とするアプリケーションで好まれます。

重要な違いを理解し、必要な技術計算を実行することにより、サーキット設計のためにより多くの情報に基づいた決定を下すことができます。