Différences entre les condensateurs électrolytiques et les condensateurs de films

Les condensateurs sont des composants cruciaux dans divers circuits électroniques et électriques, jouant un rôle fondamental dans le stockage d'énergie, la stabilisation de la tension et le filtrage. Parmi les différents types de condensateurs, condensateurs électrolytiques et condensateurs de films sont largement utilisés, mais ils diffèrent considérablement en termes de construction, de performance et d'applications. Dans ce blog, nous explorerons non seulement les principales différences, mais nous plongerons également dans certains calculs techniques pour mieux comprendre leur comportement dans les circuits.

1. Construction et matériaux diélectriques

• Condensateurs électrolytiques:
  Les condensateurs électrolytiques sont construits en utilisant deux plaques conductrices (généralement en aluminium ou en tantale), avec une couche d'oxyde servant de diélectrique. La deuxième plaque est généralement un électrolyte liquide ou solide. La couche d'oxyde offre une capacité élevée par unité de volume en raison de sa structure extrêmement mince. Ces condensateurs sont polarisés, nécessitant une polarité correcte dans le circuit.

• Condensateurs de films:
  Les condensateurs du film utilisent des films plastiques minces (comme le polypropylène, le polyester ou le polycarbonate) comme matériau diélectrique. Ces films sont enroulés ou empilés entre deux couches métallisées, qui agissent comme les plaques. Les condensateurs de film sont non polaires, les rendant utilisables dans les circuits UNC et CC.

2. Calcul de la capacité

La capacité ( $C$ ) d'un condensateur de plaques parallèles, qui s'applique aux condensateurs électrolytiques et de film, est donné par la formule:

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

Où:

• $C$ = capacité (Farads, F)

• $\varepsilon_0$ = permittivité de l'espace libre ( $8.854 \times 10^{-12}$ F / m)

• $\varepsilon_r$ = permittivité relative du matériau diélectrique

• $A$ = zone des plaques (m²)

• $d$ = distance entre les plaques (m)

Exemple de calcul : Pour un condensateur électrolytique utilisant un diélectrique d'oxyde ( $\ varepsilon_r = 8.5$ ), avec une zone de plaque de $10^{-4} \, \text{m}^2$ et une séparation de $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Pour un condensateur de film utilisant du polypropylène ( $\ varepsilon_r = 2.2$ ), la même zone de plaque et une épaisseur diélectrique de $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

Comme le montre le calcul, les condensateurs électrolytiques offrent une capacité significativement plus élevée pour la même zone de plaque et l'épaisseur diélectrique en raison de la permittivité relative plus élevée du matériau d'oxyde.

3. Résistance en série équivalente (ESR)

• Condensateurs électrolytiques :

  Les condensateurs électrolytiques ont tendance à avoir plus Résistance en série équivalente (ESR) par rapport aux condensateurs de films. ESR peut être calculé comme:

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

Où :

• $f$ = fréquence de fonctionnement (HZ)

• $C$ = capacité (f)

• $Q$ = facteur de qualité

Les condensateurs électrolytiques ont souvent des valeurs ESR dans la plage de 0,1 à plusieurs ohms en raison de leur résistance interne et de leurs pertes d'électrolyte. Cet ESR plus élevé les rend moins efficaces dans les applications à haute fréquence, conduisant à une dissipation de chaleur accrue.

• Condensateurs de films :

  Les condensateurs du film ont généralement une ESR très faible, souvent dans la gamme Milliohm, ce qui les rend très efficaces pour les applications à haute fréquence, telles que les alimentations de filtrage et de commutation. L'ESR inférieur entraîne une perte de puissance minimale et une génération de chaleur.

Exemple ESR :
Pour un condensateur électrolytique avec $C = 100 \, \ mu f$ , opérant à une fréquence de $f = 50 \, \text{Hz}$ et un facteur de qualité $Q = 20$ :

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

Pour un condensateur de film avec la même capacité et la même fréquence de fonctionnement mais un facteur de qualité supérieure $Q = 200$ :

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

Cela montre que les condensateurs de film ont une ESR beaucoup plus faible, ce qui les rend plus adaptés aux applications haute performance et haute fréquence.

4. Courant d'ondulation et stabilité thermique

• Condensateurs électrolytiques :
  Les condensateurs électrolytiques sont connus pour avoir des capacités limitées de manipulation du courant d'ondulation. Le courant d'ondulation génère de la chaleur due à l'ESR, et une ondulation excessive peut provoquer l'évaporation de l'électrolyte, conduisant à une défaillance du condensateur. La cote de courant d'ondulation est un paramètre important, en particulier dans les alimentations et les circuits d'entraînement du moteur.

  Le courant d'ondulation peut être estimé à l'aide de la formule:

$$P_{\text{perte}} = je_{\text{ondulation}}^2 \times ESR$$

Où:

• $P_{\text{perte}}$ = perte de puissance (watts)

• $I_{\text{ripple}}$ = courant d'ondulation (ampères)

Si le courant d'entraînement dans un condensateur électrolytique de 100 µF avec un ESR de 0,1 ohms est de 1 A:

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

• Condensateurs de films:

  Les condensateurs de films, avec leur faible ESR, peuvent gérer des courants d'ondulation plus élevés avec une génération de chaleur minimale. Cela les rend idéaux pour les applications AC, telles que les circuits de snobber et les condensateurs de moteur, où de grandes fluctuations de courant se produisent.

5. Évaluation et panne de tension

• Condensateurs électrolytiques:
  Les condensateurs électrolytiques ont généralement des cotes de tension plus faibles, variant généralement de 6,3 V à 450 V. La surtension peut entraîner une rupture diélectrique et une défaillance éventuelle. Leur construction les rend plus sujets aux courts circuits si la couche d'oxyde est endommagée.

• Condensateurs de films:
  Les condensateurs de films, en particulier ceux avec du polypropylène diélectrique, peuvent gérer des tensions beaucoup plus élevées, dépassant souvent 1 000 V. Cela les rend adaptés aux applications à haute tension, telles que les circuits de liaison DC, où la stabilité de la tension est critique.

6. Espérance de vie et fiabilité

• Condensateurs électrolytiques:
  L'espérance de vie d'un condensateur électrolytique est affectée par la température, le courant d'entraînement et la tension de fonctionnement. La règle générale est que pour chaque augmentation de la température de 10 ° C, l'espérance de vie est divisée par deux. Ils sont également soumis à vieillissement de condensateur , comme l'électrolyte sèche avec le temps.

• Condensateurs de films:
  Les condensateurs de films sont très fiables avec une longue durée de vie opérationnelle, dépassant souvent 100 000 heures dans des conditions nominales. Ils résistent au vieillissement et aux facteurs environnementaux, ce qui les rend idéaux pour des applications à long terme et à haute fiabilité.

7. Applications

• Condensateurs électrolytiques:

  • Filtrage d'alimentation

  • Circuits audio (lissage du signal)

  • Circuits de démarrage du moteur

  • Stockage d'énergie dans les circuits à basse tension

• Condensateurs de films:

  • Circuits AC / CC à haute tension

  • Circuits de snubber pour la protection des surtensions

  • Condensateurs à moteur

  • Suppression EMI / RFI

Donc, Quel condensateur choisir?

Le choix entre les condensateurs électrolytiques et cinématographiques dépend des besoins spécifiques de l'application. Les condensateurs électrolytiques offrent une capacité élevée dans une taille compacte et sont rentables pour les applications à basse tension. Cependant, leur ESR plus élevé, leur espérance de vie plus courte et leur sensibilité à la température les rendent moins idéaux pour les applications à haute fréquence et à haute fiabilité.

Les condensateurs cinématographiques, avec leur fiabilité supérieure, leur faible ESR et leur manipulation haute tension, sont préférés dans des applications qui exigent des performances et une durabilité élevées, telles que les circuits moteurs AC, les onduleurs de puissance et les contrôles industriels.

En comprenant les principales différences et en effectuant les calculs techniques nécessaires, vous pouvez prendre des décisions plus éclairées pour la conception de votre circuit.