전해 커패시터와 필름 커패시터의 차이점

커패시터는 다양한 전자 및 전기 회로의 중요한 구성 요소로서 에너지 저장, 전압 안정화 및 필터링에서 기본적인 역할을 합니다. 다양한 종류의 커패시터 중에서, 전해 콘덴서 그리고 필름 커패시터 널리 사용되지만 구성, 성능 및 적용 측면에서 크게 다릅니다. 이 블로그에서는 주요 차이점을 탐구할 뿐만 아니라 회로에서의 동작을 더 잘 이해하기 위해 몇 가지 기술적인 계산도 자세히 살펴보겠습니다.

1. 건축 및 유전체 재료

• 전해 커패시터:
  전해 커패시터는 유전체 역할을 하는 산화물 층과 함께 두 개의 전도성 판(보통 알루미늄 또는 탄탈륨)을 사용하여 구성됩니다. 두 번째 판은 일반적으로 액체 또는 고체 전해질입니다. 산화물 층은 매우 얇은 구조로 인해 단위 부피당 높은 정전용량을 제공합니다. 이러한 커패시터는 극성이 있으므로 회로에 올바른 극성이 필요합니다.

• 필름 커패시터:
  필름 커패시터는 얇은 플라스틱 필름(예: 폴리프로필렌, 폴리에스테르 또는 폴리카보네이트)을 유전체 재료로 사용합니다. 이 필름은 판 역할을 하는 두 개의 금속층 사이에 권취되거나 적층됩니다. 필름 커패시터는 무극성이므로 에이기음 및 D기음 회로 모두에서 사용할 수 있습니다.

2. 커패시턴스 계산

용량 ( $기음$ ) 전해 커패시터와 필름 커패시터 모두에 적용되는 평행판 커패시터의 공식은 다음과 같습니다.

$$기음 = \에프아르 자형ac{\va아르 자형epsilon_0 \va아르 자형epsilon_아르 자형 에이}{디}$$

어디:

• $기음$ = 정전용량(패럿, 에프)

• $\va아르 자형epsilon_0$ = 자유 공간의 유전율 ( $8.854 \ti중es 10^{-12}$ 에프/분)

• $\varepsilon_r$ = 유전체 재료의 비유전율

• $A$ = 플레이트 면적(중²)

• $디$ = 플레이트 사이의 거리(중)

계산 예 : 산화물 유전체를 이용한 전해 콘덴서의 경우( $\varepsilon_r = 8.5$ ), 플레이트 면적은 $10^{-4} \, \text{중}^2$ 그리고 분리 $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$기음 = \에프rac{8.854 \times 10^{-12} \times 8.5 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 7.53 \times 10^{-9} \, \text{F} = 7.53 \, \text{nF}$$

폴리프로필렌을 사용한 필름 콘덴서의 경우( $\varepsilon_r = 2.2$ ), 동일한 플레이트 면적 및 유전체 두께 $10^{-6} \, \text{m}$ :

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

계산에서 알 수 있듯이 전해 커패시터는 산화물 재료의 더 높은 비유전율로 인해 동일한 플레이트 면적과 유전체 두께에 대해 훨씬 더 높은 정전 용량을 제공합니다.

3. 등가 직렬 저항(이자형에스아르 자형)

• 전해 콘덴서 :

  전해 콘덴서는 더 높은 경향이 있습니다. 등가 직렬 저항(이자형에스아르 자형) 필름콘덴서와 비교. 이자형에스아르 자형은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

$$ESR = \에프rac{1}{2 \pi 에프 C 큐}$$

어디 :

• $f$ = 작동 주파수(헤르츠)

• $C$ = 정전용량(F)

• $큐$ = 품질 요소

전해 커패시터는 내부 저항과 전해질 손실로 인해 0.1~수 옴 범위의 ESR 값을 갖는 경우가 많습니다. 이렇게 높은 ESR로 인해 고주파 애플리케이션에서는 효율성이 떨어지게 되어 열 방출이 증가하게 됩니다.

• 필름 콘덴서 :

  필름 커패시터는 일반적으로 밀리옴 범위의 매우 낮은 ESR을 가지므로 필터링 및 스위칭 전원 공급 장치와 같은 고주파 애플리케이션에 매우 효율적입니다. ESR이 낮을수록 전력 손실과 발열이 최소화됩니다.

ESR 예 :
전해 콘덴서의 경우 $C = 100\, \mu F$ , 주파수에서 작동 $f = 50 \, \text{Hz}$ 그리고 품질 요소 $큐 = 20$ :

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

정전 용량과 작동 주파수는 동일하지만 품질 계수가 더 높은 필름 커패시터의 경우 $Q = 200$ :

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

이는 필름 커패시터의 ESR이 훨씬 낮아 고성능 고주파 애플리케이션에 더 적합하다는 것을 보여줍니다.

4. 리플 전류 및 열 안정성

• 전해 콘덴서 :
  전해 커패시터는 리플 전류 처리 기능이 제한되어 있는 것으로 알려져 있습니다. 리플 전류는 ESR로 인해 열을 발생시키며, 과도한 리플은 전해질이 증발하여 커패시터 고장으로 이어질 수 있습니다. 리플 전류 정격은 특히 전원 공급 장치 및 모터 구동 회로에서 중요한 매개변수입니다.

  리플 전류는 다음 공식을 사용하여 추정할 수 있습니다.

$$피_{\text{손실}} = 나_{\text{리플}}^2 \times ESR$$

어디:

• $피_{\text{손실}}$ = 전력 손실(와트)

• $I_{\text{ripple}}$ = 리플 전류(암페어)

ESR이 0.1Ω인 100μF 전해 커패시터의 리플 전류가 1A인 경우:

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

• 필름 커패시터:

  ESR이 낮은 필름 커패시터는 열 발생을 최소화하면서 더 높은 리플 전류를 처리할 수 있습니다. 따라서 큰 전류 변동이 발생하는 스너버 회로 및 모터 구동 커패시터와 같은 AC 애플리케이션에 이상적입니다.

5. 전압 정격 및 고장

• 전해 커패시터:
  전해 커패시터는 일반적으로 6.3V~450V 범위의 낮은 전압 정격을 갖습니다. 과전압은 절연 파괴 및 최종 고장을 초래할 수 있습니다. 이들 구조로 인해 산화물 층이 손상되면 단락이 발생하기 쉽습니다.

• 필름 커패시터:
  필름 커패시터, 특히 폴리프로필렌 유전체를 사용하는 커패시터는 종종 1,000V를 초과하는 훨씬 더 높은 전압을 처리할 수 있습니다. 따라서 전압 안정성이 중요한 DC 링크 회로와 같은 고전압 애플리케이션에 적합합니다.

6. 기대 수명 및 신뢰성

• 전해 커패시터:
  전해 콘덴서의 기대 수명은 온도, 리플 전류, 작동 전압의 영향을 받습니다. 일반적인 경험 법칙은 온도가 10°C 올라갈 때마다 기대 수명이 절반으로 줄어든다는 것입니다. 그들은 또한 커패시터 노화 , 시간이 지남에 따라 전해질이 건조되기 때문입니다.

• 필름 커패시터:
  필름 커패시터는 정격 조건에서 종종 100,000시간을 초과하는 긴 작동 수명으로 신뢰성이 높습니다. 이 제품은 노화 및 환경 요인에 대한 저항력이 있어 장기간의 고신뢰성 애플리케이션에 이상적입니다.

7. 응용

• 전해 커패시터:

  • 전원 공급 장치 필터링

  • 오디오 회로(신호 평활화)

  • 모터 시동 회로

  • 저전압 회로의 에너지 저장

• 필름 커패시터:

  • 고전압 AC/DC 회로

  • 서지 보호용 스너버 회로

  • 모터 구동 커패시터

  • EMI/RFI 억제

그래서, 어떤 커패시터를 선택해야 합니까?

전해 커패시터와 필름 커패시터 중에서 선택하는 것은 응용 분야의 특정 요구 사항에 따라 다릅니다. 전해 커패시터는 작은 크기에 높은 정전용량을 제공하며 저전압 애플리케이션에 비용 효율적입니다. 그러나 ESR이 높고 기대 수명이 짧으며 온도에 대한 민감도가 높기 때문에 고주파수 및 고신뢰성 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.

우수한 신뢰성, 낮은 ESR 및 고전압 처리 기능을 갖춘 필름 커패시터는 AC 모터 회로, 전력 인버터 및 산업 제어와 같이 높은 성능과 내구성이 요구되는 응용 분야에서 선호됩니다.

주요 차이점을 이해하고 필요한 기술 계산을 수행함으로써 회로 설계에 대해 더 많은 정보를 바탕으로 결정을 내릴 수 있습니다.