Kondensator

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                                                                                        Wels, am 2019-10-10

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Toleranzen sind ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt. Kondensatoren sind toleranzkodiert, wobei die gebräuchlichsten Codes die folgenden sind:

  • ± 20% = M
  • ± 10% = K
  • ± 5% = J
  • ± 2,5% = H
  • ± 2% = G
  • ± 1% = F


Bauelemente analoger Schaltungen
5.2 Kondensatortypen
Kondensatoren werden für zahlreiche Aufgaben eingesetzt und sind in vielen Fällen nicht als ideal zu betrachten.
Die Eigenschaften der Kondensatoren können je nach Anwendung verschiedene Fehler hervorrufen.
Die wichtigsten Aufgaben von Kondensatoren sind:

 * Übertragung von Wechselströmen bei gleichzeitiger Blockierung von Gleichströmen.
In Schaltungen bezeichnet man sie in diesem Fall als Koppelkondensatoren.
 * Ableitung von Wechselstromsignalen, welche Gleichstromsignalen überlagert sind. Sie ist eine häufige Anwendung in Digitalschaltungen, um Störsignale nach Masse zu leiten.
In diesem Fall werden sie als Abblock-Kondensatoren oder Entkoppel-Kondensatoren bezeichnet.
 * Anwendung als Speicher in Abtast- und Halteverstärkerschaltungen (Track & Hold oder Sample & Hold).
 * Aufbau von Filtern beispielsweise im Eingangskreis einer Analog-Digital-Wandlerschaltung.
Einen optimalen Kondensator gibt es nicht. Je nach Anwendung ist mal der eine mal der andere Kondensatortyp besser geeignet.
Die Bezeichnungen der Kondensatoren ergeben sich aus ihrem Dielektrikum.
Das Dielektrikum ist der Isolator zwischen den Kondensatorplatten.
Einige Kondensatoren wie die Elektrolyt-Kondensatoren (Elkos) und die Papier- und Kunststoff-Kondensatoren (Polystyrol ...) bestehen aus zwei aufgerollten Metallfolien und besitzen dadurch eine hohe Eigeninduktivität.
Daher sind sie für den Einsatz als Entkoppel-Kondensatoren in höherfrequenten Schaltungen (MHz) nicht geeignet. In diesem Fall verwendet man daher Keramik-Kondensatoren.
Ein wichtiges Kriterium für die Wahl eines Kondensatortyps ist sein Reststrom.
Dies ist besonders in Abtast- und Halteverstärker-Schaltungen, bei denen der Kondensator maßgeblich die Eigenschaften der Schaltung bestimmt, zu beachten.
In diesen Schaltungen ist außerdem auf eine möglichst niedrige dielektrische Absorption zu achten.
Polypropylen- oder Teflon-Kondensatoren sind hierfür am besten geeignet. Besser ist es natürlich, wenn der Haltekondensator bereits im Baustein integriert ist.
Der Reststrom ist bei Tantal-Kondensatoren geringer als bei Aluminium-Kondensatoren. Beide Typen sind polarisiert und benötigen daher eine Bias-Spannung (Vorspannung).
Durch Verpolen der Kondensatoren erhöhen sich nicht nur die Restströme, sondern der Kondensator kann auch zerstört werden.
Tantal-Kondensatoren reagieren oft empfindlich auf eine Verpolung und bilden dann einen Kurzschluß. Werden hohe Kapazitätswerte (> 10 µF) benötigt, ist man jedoch auf polarisierte Kondensatoren angewiesen.
Generell sollte in digitalen Schaltungen direkt am jeweiligen Baustein ein Abblock- oder Entkoppel-Kondensator angebracht werden.
Er sorgt für eine Ableitung von Störungen auf der Versorgungsspannung zur Masse.
Wichtig ist, daß der Kondensator wirklich direkt am Baustein sitzt, denn lange Anschlußdrähte erhöhen die Induktivität, so daß der Kondensator nichts bewirkt und unter Umständen das Ergebnis sogar noch verschlechtert.
Ein Keramik-Kondensator eignet sich für das »Abblocken« besonders gut, weil er eine relativ geringe Eigeninduktivität besitzt.
Zur Entkopplung eines analogen Bausteins ist es am besten, einen Tantal und einen Keramik-Kondensator parallel zu schalten.
Die Schaltung ist damit sowohl für eine hohe als auch für eine niedrige Frequenz entkoppelt. Störungen auf der Versorgungsspannung können in einer analogen Schaltung noch gravierendere Folgen haben als in einer digitalen.
Der analoge Baustein arbeitet scheinbar normal, die Ergebnisse sind jedoch außerhalb der Spezifikation.
Damit die Spezifikationen von Kondensatoren in den Datenblättern besser beurteilt werden können, sind die wichtigsten Definitionen im folgenden angegeben.
Die Tabelle 5.2 zeigt die Vor- und Nachteile der gebräuchlichsten Kondensatoren.

Kapazitätstoleranz
Die Kapazitätstoleranz ist die zulässige Abweichung des Kapazitätswertes vom Nennwert der Kapazität bei Anlieferung und Bezugstemperatur. Der Nennwert der Kapazität ist der angegebene Kapazitätswert bezogen auf eine bestimmte Temperatur (meist 20 oder 25 Grad).

Reststrom
Als Reststrom wird der bei anliegender Gleichspannung durch den Kondensator fließende Dauergleichstrom bezeichnet. Er ist temperatur-, spannungs- und zeitabhängig und dient der Aufrechterhaltung der Oxidschicht des Dielektrikums. Häufig wird der Abnahmereststrom angegeben. Das ist der Reststrom, der 5 Minuten nach Anlegen der Nennspannung bei 20 °C gemessen wird.

Verlustfaktor
Der Verlustfaktor (tang 5) ist das Verhältnis der Wirkleistung eines Kondensators zu seiner Blindleistung. Er ist von der Temperatur, der Frequenz, der Kapazität und von der Art des Dielektrikums abhängig. Häufig wird der Wert für die Frequenz 1 kHz bei 20 °C angegeben.

Scheinwiderstand
Der Scheinwiderstand eines Kondensators ergibt sich aus der geometrischen Summe des Blindwiderstands xc = 1/2 * 2 pi * f * c und des Serienwiderstands Resr



Dielektrische Absorption
Wird ein Kondensator schnell aufgeladen oder entladen, ändert sich nicht sofort seine elektrische Ladung. Dieser Umstand wird als dielektrische Absorption bezeichnet. Wenn der Kondensator entladen wurde, kann er nach einiger Zeit einen Teil seiner Ladung wieder aufbauen. Ein sehr guter Wert für die dielektrische Absorption ist 0,001%, wie sie mit Polystyrol- oder Polypropylen-Kondensatoren erreicht werden kann. Ein relativ hoher Wert ist 0,1% bei einem Keramik-Kondensator.

In der Tabelle 5.2 wird die dielektrische Absorption mit DA bezeichnet.


Kondensator                            Vorteil                                                      Nachteil
Tantal                                         hohe DA                                                  polarisiert,
                                                   mittlere Eigen induktivität                     Elektrolyt  Stabilität und Genauigkeit eher mäßig
                                                   geringe Abmessungen                         relativ teuer
       
Keramik                                   sehr stabil                                                  DA relativ hoch
                                                  geringe Eigen induktivität      
                                                  relativ preiswert   
                                                 großer Wertebereich   

Teflon                                      geringe DA                                                     relativ teuer
                                                 hohe Stabilität                                              hohe Eigeninduktivität
                                                 großer Wertebereich                                 große Bauform

Polystyrol/ Polypropylen      geringe DA                                                   große Bauform                             
                                                 hohe Stabilität                                              hohe Eigeninduktivität
                                                relativ preiswert    
                                                 großer Wertebereich                   

Polycarbonat/ Polysulfon    gute Stabilität                                                    DA relativ hoch
                                                 relativ preiswert                                               hohe Eigeninduktivität
                                                 großer Temperaturbereich

Aluminium- Elektrolyt          hohe DA                                                             polarisiert
Elko                                        hohe Strom- und Spannungsfestigkeit        Stabilität und Genauigkeit eher mäßig
                                               kleine Bauform                                                    hohe Eigeninduktivität
                                                                                                                            
Glimmer                               geringe DA                                                         große Bauform
                                               hohe Stabilität  
                                               kleine Toleranzen
                                               geringe Induktivität und HF-Verluste  

Tabelle 5.2: Gebräuchliche Kondensatortypen


https://www.electronics-tutorials.ws/de/kondensatoren/kondensator-typen.html
https://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_(Elektrotechnik)
https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/ausblick/bauformen-von-kondensatoren
http://www.elektronikinfo.de/strom/kondensatortypen.htm
https://rn-wissen.de/wiki/index.php/Kondensator
http://www.radiomuseum-bocket.de/wiki/index.php/Kondensator-Wechsel_und_Betriebssicherheit_an_einem_R%C3%B6hrenradio



Anbei eine kleine Auflistung der Einsatzgebiete der entsprechenden Typen.


Ungepolte Kondensatoren:

Keramikkondensator
Anwendung: Temperaturkompensation in frequenzstabilisierten Schwingkreisen

Metallpapierkondensator
Anwendung: Entstörkondensator

Kunststofffolienkondensator
Anwendung: in Filterschaltungen

Blockkondensator
Anwendung: Spannungsstabilisierung bei schnellschaltenden ICs

Gepolte Kondensatoren:
Aluminiumelektrolytkondensator

Anwendung: Energiespeicher, Sieb-, Koppel- und Glättungskondensator

Tantalelektrolytkondensator
Anwendung: überall dort, wo kleine Bauformen, lange Lebensdauer und kleine Temperaturabhängigkeit gefragt sind

Variable Kapazitäten:
Drehkondensator
Anwendung: Veränderung der Resonanzfrequenz in Schwingkreisen ( z.B. in Empfangsteilen wie Tuner, Receiver etc. )

Trimmkondensator




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