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1.2 इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र

इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर में प्रयुक्त डाइइलेक्ट्रिक एल्यूमीनियम ऑक्साइड होता है, जो एल्यूमीनियम के क्षरण से बनता है। इसका डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक 8 से 8.5 होता है और कार्यशील डाइइलेक्ट्रिक सामर्थ्य लगभग 0.07 V/A (1 µm = 10000 A) होती है। हालांकि, इतनी मोटाई प्राप्त करना संभव नहीं है। एल्यूमीनियम परत की मोटाई इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर के कैपेसिटेंस फैक्टर (विशिष्ट धारिता) को कम कर देती है, क्योंकि अच्छी ऊर्जा भंडारण विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए एल्यूमीनियम ऑक्साइड फिल्म बनाने के लिए एल्यूमीनियम पन्नी को एच करना पड़ता है, जिससे सतह पर कई असमान सतहें बन जाती हैं। दूसरी ओर, इलेक्ट्रोलाइट की प्रतिरोधकता कम वोल्टेज के लिए 150 Ω सेमी और उच्च वोल्टेज (500 V) के लिए 5 kΩ सेमी होती है। इलेक्ट्रोलाइट की उच्च प्रतिरोधकता इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर द्वारा सहन की जा सकने वाली RMS धारा को सीमित करती है, जो आमतौर पर 20 mA/µF तक होती है।

इन्हीं कारणों से इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर को अधिकतम 450V वोल्टेज के लिए डिज़ाइन किया जाता है (कुछ निर्माता 600V के लिए भी डिज़ाइन करते हैं)। इसलिए, उच्च वोल्टेज प्राप्त करने के लिए कैपेसिटर को श्रृंखला में जोड़ना आवश्यक है। हालांकि, प्रत्येक इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर के इन्सुलेशन प्रतिरोध में अंतर के कारण, श्रृंखला में जुड़े प्रत्येक कैपेसिटर के वोल्टेज को संतुलित करने के लिए प्रत्येक कैपेसिटर के साथ एक प्रतिरोधक जोड़ना आवश्यक है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर ध्रुवीकृत उपकरण होते हैं, और जब लगाया गया विपरीत वोल्टेज 1.5 गुना Un से अधिक हो जाता है, तो एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया होती है। यदि लगाया गया विपरीत वोल्टेज लंबे समय तक बना रहता है, तो कैपेसिटर पिघल जाता है। इस घटना से बचने के लिए, उपयोग करते समय प्रत्येक कैपेसिटर के पास एक डायोड लगाना चाहिए। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर का वोल्टेज सर्ज प्रतिरोध आमतौर पर 1.15 गुना Un होता है, और अच्छे कैपेसिटर 1.2 गुना Un तक पहुंच सकते हैं। इसलिए, डिज़ाइनरों को इनका उपयोग करते समय न केवल स्थिर-अवस्था कार्यशील वोल्टेज बल्कि सर्ज वोल्टेज पर भी विचार करना चाहिए। संक्षेप में, फिल्म कैपेसिटर और इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर के बीच निम्नलिखित तुलना तालिका बनाई जा सकती है, चित्र 1 देखें।

2. अनुप्रयोग विश्लेषण

फ़िल्टर के रूप में DC-लिंक कैपेसिटर के लिए उच्च धारा और उच्च क्षमता वाले डिज़ाइन की आवश्यकता होती है। इसका एक उदाहरण चित्र 3 में दर्शाए गए नए ऊर्जा वाहन का मुख्य मोटर ड्राइव सिस्टम है। इस अनुप्रयोग में कैपेसिटर एक डीकपलिंग भूमिका निभाता है और सर्किट में उच्च परिचालन धारा होती है। फिल्म DC-लिंक कैपेसिटर में उच्च परिचालन धाराओं (Irms) को सहन करने की क्षमता का लाभ होता है। 50~60kW के नए ऊर्जा वाहन के मापदंडों को उदाहरण के तौर पर लें, तो वे इस प्रकार हैं: परिचालन वोल्टेज 330 Vdc, रिपल वोल्टेज 10Vrms, रिपल धारा 150Arms@10KHz।

न्यूनतम विद्युत क्षमता की गणना इस प्रकार की जाती है:

फिल्म कैपेसिटर डिजाइन के लिए इसे लागू करना आसान है। यदि इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर का उपयोग किया जाता है और 20mA/μF को ध्यान में रखा जाता है, तो उपरोक्त मापदंडों को पूरा करने के लिए इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर की न्यूनतम धारिता की गणना इस प्रकार की जाती है:

इस धारिता को प्राप्त करने के लिए समानांतर क्रम में कई इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर को जोड़ना आवश्यक है।

लाइट रेल, इलेक्ट्रिक बस, सबवे आदि जैसे ओवर-वोल्टेज अनुप्रयोगों में, यह मानते हुए कि ये बिजली आपूर्ति लोकोमोटिव पैंटोग्राफ से पैंटोग्राफ के माध्यम से जुड़ी होती है, परिवहन यात्रा के दौरान पैंटोग्राफ और पैंटोग्राफ के बीच संपर्क रुक-रुक कर होता है। जब दोनों संपर्क में नहीं होते हैं, तो बिजली आपूर्ति डीसी-लिंक कैपेसिटर द्वारा समर्थित होती है, और जब संपर्क बहाल होता है, तो ओवर-वोल्टेज उत्पन्न होता है। सबसे खराब स्थिति डीसी-लिंक कैपेसिटर के पूरी तरह से डिस्चार्ज होने की होती है, जहां डिस्चार्ज वोल्टेज पैंटोग्राफ वोल्टेज के बराबर होता है, और जब संपर्क बहाल होता है, तो परिणामी ओवर-वोल्टेज रेटेड ऑपरेटिंग यूनिट के लगभग दो गुना होता है। फिल्म कैपेसिटर के लिए, डीसी-लिंक कैपेसिटर को अतिरिक्त विचार के बिना संभाला जा सकता है। यदि इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर का उपयोग किया जाता है, तो ओवर-वोल्टेज 1.2 यूनिट होता है। शंघाई मेट्रो को एक उदाहरण के रूप में लें। यूनिट = 1500Vdc, इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर के लिए विचार करने योग्य वोल्टेज है:

इसके बाद छह 450V कैपेसिटर को श्रृंखला में जोड़ा जाना है। यदि फिल्म कैपेसिटर डिज़ाइन का उपयोग किया जाता है, तो 600Vdc से 2000Vdc या यहाँ तक कि 3000Vdc तक का वोल्टेज आसानी से प्राप्त किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, कैपेसिटर के पूरी तरह से डिस्चार्ज होने की स्थिति में ऊर्जा दो इलेक्ट्रोड के बीच एक शॉर्ट सर्किट डिस्चार्ज बनाती है, जिससे डीसी-लिंक कैपेसिटर के माध्यम से एक बड़ा इनरश करंट उत्पन्न होता है, जो आमतौर पर इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए अलग होता है।

इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर की तुलना में, डीसी-लिंक फिल्म कैपेसिटर को बहुत कम ईएसआर (आमतौर पर 10mΩ से कम, और यहां तक ​​कि <1mΩ से भी कम) और स्व-प्रेरकत्व एलएस (आमतौर पर 100nH से कम, और कुछ मामलों में 10 या 20nH से भी कम) प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। इससे डीसी-लिंक फिल्म कैपेसिटर को सीधे IGBT मॉड्यूल में स्थापित किया जा सकता है, जिससे बस बार को डीसी-लिंक फिल्म कैपेसिटर में एकीकृत किया जा सकता है। इस प्रकार, फिल्म कैपेसिटर का उपयोग करते समय एक समर्पित IGBT अवशोषक कैपेसिटर की आवश्यकता समाप्त हो जाती है, जिससे डिज़ाइनर को काफी बचत होती है। चित्र 2 और 3 में C3A और C3B उत्पादों के कुछ तकनीकी विनिर्देश दिखाए गए हैं।

3. निष्कर्ष

शुरुआती दिनों में, लागत और आकार संबंधी विचारों के कारण डीसी-लिंक कैपेसिटर ज्यादातर इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर होते थे।

हालांकि, इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर वोल्टेज और करंट सहन करने की क्षमता से प्रभावित होते हैं (फिल्म कैपेसिटर की तुलना में इनका ESR काफी अधिक होता है), इसलिए उच्च क्षमता प्राप्त करने और उच्च वोल्टेज उपयोग की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए कई इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर को श्रृंखला और समानांतर में जोड़ना आवश्यक है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के वाष्पीकरण को ध्यान में रखते हुए, इसे नियमित रूप से बदलना चाहिए। नई ऊर्जा अनुप्रयोगों में आमतौर पर उत्पाद का जीवनकाल 15 वर्ष होता है, इसलिए इस अवधि के दौरान इसे 2 से 3 बार बदलना पड़ता है। इसलिए, पूरी मशीन की बिक्री के बाद की सेवा में काफी लागत और असुविधा होती है। मेटलाइज़ेशन कोटिंग तकनीक और फिल्म कैपेसिटर तकनीक के विकास के साथ, सुरक्षा फिल्म वाष्पीकरण तकनीक का उपयोग करके अल्ट्रा-थिन OPP फिल्म (सबसे पतली 2.7µm, यहां तक ​​कि 2.4µm) के साथ 450V से 1200V या इससे भी अधिक वोल्टेज वाले उच्च क्षमता वाले DC फिल्टर कैपेसिटर का उत्पादन संभव हो गया है। दूसरी ओर, डीसी-लिंक कैपेसिटर को बस बार के साथ एकीकृत करने से इन्वर्टर मॉड्यूल का डिज़ाइन अधिक कॉम्पैक्ट हो जाता है और सर्किट के आवारा प्रेरकत्व को काफी हद तक कम कर देता है, जिससे सर्किट का अनुकूलन होता है।