Grundbegriffe: d d. Kondensator im Gleichstromkreis:

Transkript

1 .3. von Franz Werner Kondensatoren: Grundbegriffe: Kondensatoren bestehen in ihrer Grundform aus gegeneinander isolierten ausgedehnten Elektroden (z.b. Platten). Mit dem nlegen einer Spannung U nimmt der Kondensator die elektrische Ladung Q auf und speichert in seinem elektrischen Feld die Energie W. Es gilt: Q = U und bei konstantem Faktor W = 5. U Die Kapazität als wichtigste Kenngröße des Kondensators ist abhängig von der Geometrie des Kondensators sowie vom Dielektrikum zwischen den Platten. Die Eigenschaften des Dielektrikums werden erfasst in der relativen Dielektrizitätskonstanten ε r. Sie hat den Wert für Luft und liegt bei den meisten festen oder flüssigen Stoffen unter. =εrε d d Kondensator im Gleichstromkreis: Wird ein Kondensator über einen Vorwiderstand R von einer Spannungsquelle aufgeladen, steigt die Spannung am Kondensator nach einer Exponentialfunktion bis zum Wert der Quellenspannung an. Uc τ τ, R=kΩ U =V Uc 3 6 s τ = R = Ω = ms V Uc = U e t τ ( ),8,6,4,,4,8, Die eingetragene nfangstangente hat die Steigung U/τ, wobei mit U die Quellenspannung und mit τ die Zeitkonstante der Schaltung bezeichnet wird. Verbindet man die Pole eines aufgeladenen Kondensators mit einem Widerstand, so entlädt er sich. Dabei nimmt die Spannung am Kondensator exponentiell ab. Es fließt ein abklingender Entladestrom in umgekehrter Richtung wie bei der ufladung. Durch diesen Entladestromstoß wird die vorher gespeicherte Energie im Widerstand in Wärme umgewandelt. Ein offener Kondensator entlädt sich mit der Zeit über seinen Isolationswiderstand. Diese Selbstentladezeit ist abhängig vom Dielektrikum und beträgt normalerweise zw. und sec.,6,4,8 3, 3,6 4 4,4 4,8

2 Kondensator im Wechselstromkreis: Legt man an einen Kondensator eine sinusförmige Wechselspannung u = û sin ωt, so ergibt sich beim verlustfreien Kondensator ein um 9 voreilender Strom i = î cos ωt. Da wegen der nicht vollkommenen Isolierung der Elektroden und der ständig wechselnden Polarisierung des Dielektrikums auch eine Verlustleistung auftritt, ist der Strom im realen Fall kein reiner Blindstrom, sondern er ist gegen die 9 Lage um den Verlustwinkel δ versetzt.(gestrichelt). Somit ordnet man dem realen Kondensator ein Ersatzschaltbild mit einem Parallelwiderstand zu. U R p X c tanδ = = R ωr p p u z = idt In den meisten Fällen ist der Verlustfaktor kleiner als,das heißt der Verlustwiderstand R p ist mindestens mal größer als der kapazitive Widerstand Xc. Der Strom I wird dann praktisch nur noch durch den kapazitiven Widerstand bestimmt. Die kleine Wirkkomponente im Strom führt aber zu einer Erwärmung des Kondensators beim Betrieb an Wechselspannung. Es gilt für die Verlustleistung: U PV = = U ω tanδ Rp Bei einem Betrieb im Hochfrequenzbereich ist zu beachten, dass sich die Zuleitung und auch teilweise die Platten mit einem magnetischen Feld umgeben. Jedem Kondensator kann man also eine Eigeninduktivität L zuordnen. ufgrund dieser Induktivität nimmt der Scheinwiderstand mit der Frequenz nicht ständig ab, sondern steigt meist im MHz-Bereich wieder an. Daraus ergibt sich folgendes Hochfrequenzersatzschaltbild: L R p U

3 rten von Kondensatoren: ) Papierkondensator: Dieser Kondensator besteh aus Metallfolien die voneinander durch getränkte Papiereinlagen isoliert sind. Papier hat als Dielektrikum allerdings viele ungünstige Eigenschaften und wird daher von Kunststoff verdrängt. Vorteil: Bei gleicher Kapazität und Spannungsfestigkeit können Papierkondensatoren kleiner gebaut werden. ) Metall-Papierkondensator: Will man große Kapazitäten pro Volumseinheit bei einer bestimmten Spannungsfestigkeit erreichen, so wird man versuchen die Belagdicke möglichst gering zu halten. Daher werden beim Metall-Papierkondensator die Metallbeläge auf das Dielektrikum aufgedampft. Man erzeugt Schichtdicken von etwa,5µm. Die erforderliche Dicke des papiers hängt von der gewünschten Nennspannung ab. Kommt es bei diesem Kondensator zu einem Durchschlag zwischen den Beiden Platten, so entsteht in der Umgebung des Durchschlagpunktes eine so hohe Stromdichte, dass die dünne Metallschicht verdampft (selbstheilung). Durch das kurzzeitige bsinken der Spannung am Kondensator wärend des usheilvorganges kann es allerdings zu Störimpulsen in der nachfolgenden Schaltung kommen. 3) Metall-Kunststoffkondensator: Prinzipieller ufbau wie beim Metall-Papierkondensator allerdings erhält man größere Kapazitäten pro Volumseinheit. Selbstheilung ist bei dieser Type möglich. 4) Keramikkondensator: Bei Keramikkondensatoren werden keramische Massen als Dielektrikum verwendet Man teilt sie in zwei Gruppen ein: ) Keramische Masse hat ein geringes ε r (6-45): Diese Type eignet sich wegen der guten Temperaurstabilität und der sehr guten Kapazitätskonstanz zur Herstellung von Schwingkreiskondensatoren. ) Keramische Masse hat ein hohes ε r (7-5): Diese Type zeichnet sich durch große Kapazitäten pro Volumseinheit aus. llerdings sie sehr temperaturabhängig und haben große dielektrische Verluste. 5) Elektrolytkondensatoren: Bei diesem Kondensator besteht ein Kondensatorbelag aus einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt). Da sich die Flüssigkeit den Konturen der anderen Elektrode anpasst erhält man eine größere Oberfläche und somit auch eine höhere Kapazität. Man unterscheidet auch hier wieder zwischen verschiedenen Typen: ) luminiumelektrolytkondensatoren: Hier besteht eine Kondensatorplatte aus luminium welches mit einer Oxydschicht überzogen ist. Die Oxydschicht ist ein Nichtleiter und dient somit als Dielektrikum. Trotz der geringen Dicke der Oxydschicht hat dieser Kondensator eine hohe Spannungsfestigkeit (V Nennspannung entsprechen,5µm Oxydschichtdicke)

4 Wird die luminium-folie aufgerauht, so entsteht wieder eine größere Oberfläche wodurch sich die Kapazität weiter erhöht. Nachteil: Diese rt von Kondensatoren darf nur gepolt betrieben werden. Wobei die luminiumschicht den negativen Pol bildet. Wir der Kondensator mit Spannungen über V falsch gepolt betrieben, so baut sich die Oxydschicht ab und das Elektrolyt erwärmt sich. Diese Erwärmung führt zur Blasenbildung in dem Elektrolyt, was wiederum zur Explosion des Kondensators führen kann. ) Tantal-Elektrolytkondensatoren: ls nodenfolie dient eine Tantalfolie mit aufgerauhter Oberfläche. ls Dielektrikum dient Tantalpentoxyd (ε r von ca 7)! hohe Kapazitätswerte pro Volumseinheit. Sehr geringe Reströme und kleiner Verlustfaktor. 3) Tantal-Elektrolytkondensator mit Sinteranode und flüssigem Elektolyten: Um eine möglichst große Oberfläche zu erhalten wird Tantalpulver zu einer rt Metallschwamm gesintert. Der flüssige Elektrolyt dringt in die Poren des Metalls ein. Durch die ausserordendlich große Oberfläche erhält man sehr gut Kapazitäten pro Volumseinheit. 4) Tantal-Elektrolytkondensator mit Sinteranode und festem Elektolyten: Funktioniert gleich wie oben, allerdings wird anstelle des flüssigen Elektrolyten Mangandioxyd verwendet. Hier wird eine Manganverbindung in die Poren des Tantal- Sinterkörpers gedrückt, wo es in Mangandioxyd umgewandelt wird. Vorteil: Kondensatoren dieser Bauart sind besonders robust. Das Elektrolyt kann nicht auslaufen, ausdunsten, einfrieren etc. Nachteil: Empfindlich gegen große Stromstärken auch wenn sie nur kurzzeitig auftreten. 5) Einstellbare Kondensatoren: Die Kapazität eines Kondensators kann verändert werden indem man die Überlappungsfläche der beiden Elektroden ändert. ( =ε ). rε Je weiter sich die eine Platte von ihrem ursprünglichem d Platz gegenüber der anderen verschiebt, desto kleiner wird die Kapazität. In der Praxis kann diese Kapazitätsänderung dadurch Bewerkstelligt werden, dass ein drehbares Plattenpaket in ein feststehendes kammartig eingedreht wird. Früher wurden Einstellbare Kondensatoren häufig zur bstimmung von Rundfunkgeräten verwendet. Dies geschieht heute mit Kapazitätsdioden.

5