Kondensatoren, Spulen

Otto Zinke Hans Seither Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe Zweite, neubearbeitete und erweiterte Auflage Mit 275 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1982

Dr.-Ing. habil. Otto Zioke em. o. Professor, Technische Hochschule Darmstadt Dr.-Ing. Haos Seither Leiter Zentrale Entwicklungsaktivitaten BaueIemente Standard-Elektrik-Lorenz AG, Stuttgart CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Zinke,Olto: Widerstande, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe 1 Olto Zinke ; Hans Seither. - 2., neubearb. u. erw. AuI!. ISBN 978-3-540-11334-8 DOI 10.1007/978-3-642-50981-0 ISBN 978-3-642-50981-0 (ebook) NE: Seither, Hans: Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrukkes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe aufphotomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenvcrarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergti~ tungsanspriiche des 54, Abs. 2 UrhG werden durch die,verwertungsgesellschaft Wort', Miinchen, wahrgenommen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1982 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1982 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenzeichen llsw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dafi solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wăren und daher von jedennann benutzt werden diirften. 2060/3020-543210

Vorwort zur zweiten Auflage Die lebhafte Entwicklung der aktiven elektronischen Bauelemente brachte auch eine Weiterentwicklung und Anpassung der passiven Bauelemente mit sich. Dies bezieht sich sowohl auf die Technologie (z. B. Aufdampftechnik, Dickschichttechnik) als auch auf ihre Konstruktion. Andererseits verlangt sowohl in der Energietechnik wie in der Nachrichtentechnik der Umgang mit höheren Spannungen, Strömen, Leistungen und Temperaturen vom Ingenieur eingehende Kenntnisse der passiven Bauelemente. Wesentlich war es auch, neuere Normen und Prüfverfahren zu berücksichtigen. Der Unterzeichnete hat daher im Einvernehmen mit dem Springer Verlag Herrn Dr.-Ing. Hans Seither gebeten, mit einigen seiner Mitarbeiter im Hause Standard Elektrik Lorenz (SEL), Stuttgart, bei der Vorbereitung der 2. Auflage dieses Bauelementebuches mitzuwirken und einige Abschnitte neu zu gestalten. Diese Herren sind auch im Inhaltsverzeichnis namentlich genannt. Im Kapitel "Widerstände und ihre Werkstoffe" verfaßte Herr Ing. F. Kuhn dankenswerterweise die Abschnitte "Bauformen und Normen von Widerständen" (1.11), "Nichtlinearität von Widerständen" (1.12), "Prüfungen an Widerständen und Zuverlässigkeit" (1.13) sowie "Einige Anwendungsrichtlinien" (1.14). Außerdem erfuhr das 1. Kapitel Erweiterungen in den Abschnitten "Kaltleiter" (1.2), "Heißleiter" (1.3), "Magnetfeldabhängige Bauelemente" (1.5), "Varistoren" (1.6.1) sowie "Supraleitfahigkeit" (1.9). Das Kapitel2 "Kondensatoren und Isotierstoffe (dielektrische Werkstoffe)" konnte durch die Mitarbeit der Herren Dipl.-Phys. U. Grössler und Dipl.-Phys. K. Lehner erweitert werden. Ihnen sind vor allem die Abschnitte über dielektrische Werkstoffe und ihre Anwendungen bei Kondensatoren, 2.6 (Papier), 2.7 (Kunststoffe), 2.8 (Keramik, Glimmer, Quarz und Glas), 2.9 (Elektrolyt-Kondensatoren), 2.10 (Prüfungen an Kondensatoren und Zuverlässigkeit) sowie 2.11 (Anwendungsrichtlinien) zu verdanken. Das 3. Kapitel "Spulen und magnetische Werkstoffe" der ersten Auflage wurde wesentlich erweitert durch Aufnahme der Übertrager und Sparübertrager, ihre Ersatzschaltbilder und Kurven des Übertragungsmaßes für verschiedene Streuung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit technischer Spulen. Der Abschnitt 3.3 über Spulen mit magnetischem Kern behandelt jetzt auch geklebte Kernblechpakete, abgleichbare Spulenkerne und Festinduktivitäten. Der Abschnitt 3.6 über magnetisch weiche Werkstoffe wurde ergänzt durch Tabellen über Elektrobleche, Werkstoffe für Übertrager und weichmagnetische Ferrite unter Berücksichtigung der neueren Normen. Alle genannten Erweiterungen verdanke ich Herrn Dipl.-Ing. R. Hörndlein. Am Anfang des Kapitels 3 sind die Grundbeziehungen für die Induktivität

VI Vorwort zur zweiten Auflage durch zwei neue Abschnitte über "Spule und Kondensator als duale Schaltelemente" und "Kapazitätsbelasteter Gyrator als Induktivität" ergänzt worden. Den Schluß bildet ein Anhang über die "Grundlagen der Zuverlässigkeitsanalyse und -synthese", den ich Herrn Prof. DrAng. A. Vlcek (Technische Hochschule Darmstadt) verdanke. Herr Dipl.-lng. V. Kluge las das gesamte Manuskript mit dem Ziel, vor allem Formelzeichen zu vereinheitlichen und der DIN-Norm 1304 sowie den Bezeichnungen der IUPAP (International Union ofpure and Applied Physics) anzupassen. Die Erweiterungen des Manuskripts schrieben freundlicherweise an der Technischen Hochschule Darmstadt Frau E. Notboagel und Frau U. Steckenreuter. Die zahlreichen neuen Zeichnungen fertigten sorgfältig Frau B. Häussler und Herr K. Dertinger im Hause SEL. Allen Mitarbeitern an der 2. Auflage danke ich herzlich. Dem Springer-Verlag gebührt mein Dank für die vorzügliche Ausstattung. Darmstadt im Februar 1982 Otto Zinke

Vorwort zur ersten Auflage Von jedem Studenten der Elektrotechnik auf Hochschulen und Höheren Technischen Lehranstalten werden heute vertiefte Kenntnisse auf dem Gebiete der Bauelemente erwartet. Das vorliegende Buch will eine Einführung in das Gebiet der wichtigsten passiven Bauelemente, der Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihrer Werkstoffe geben. Obwohl hier eine Reihe von wichtigen Tatsachen mitgeteilt wird, ist es vor allem mein Ziel gewesen, auf Zusammenhänge hinzuweisen, Erklärungen zu geben und- so oft wie möglich- durch sinnvolle Normierung vielfältige Gesetze auf einen Nenner zu bringen. Vollständiges Tatsachenmaterial darzubieten, muß den Handbüchern und Spezialwerken überlassen bleiben. Der Leser findet in Kapitel 1 über Widerstände und ihre Werkstoffe die Grundgesetze über den Verlauf des spezifischen Widerstandes von unmagnetischen und magnetischen Leiter-Werkstoffen in einem sehr weiten Temperaturbereich, ferner Kalt- und Heißleiter sowie die Grundgesetze über Erwärmung, Temperaturgleichgewicht und Höchsttemperatur von Widerständen. Bei der Besprechung der Festwiderstände wird die Bedeutung der DIN-Normblätter für dieses Gebiet deutlich. Varistoren und Photowiderstände dienen als Beispiele für Spannungs- und Lichteinfluß auf den Leitwert. Der Frequenzabhängigkeit von Widerständen durch unvermeidliche Induktivitäten und Kapazitäten sowie dem Skineffekt ist ein größerer Abschnitt vorbehalten. Die Supraleitfähigkeit wird als Skineffekt bei Gleichstrom dargestellt. Das thermische Rauschen und das Stromrauschen von Widerständen beschließen das I. Kapitel. Im Kapitel2 (Kondensatoren und Isolierstoffe) findet man neben den grundlegenden Bauformen von Fest- und Drehkondensatoren eine genauere Darstellung der Randfeldstärken bei verschiedenen Abrundungen der Platten sowie Kurven zum Paschen-Gesetz und seinen Ausnahmen. Der technische Kondensator mit seinen Verlusten wird eingehend analysiert. Hierbei hat die Darstellung der komplexen Dielektrizitätskonstante bei Polarisationsverlusten durch Debye- und Cole Kreise die gleiche Bedeutung wie die Darstellung der komplexen Permeabilität magnetischer Werkstoffe mit Nachwirkungs-und Wirbelstromverlusten. Nach einer Übersicht über Gase und Flüssigkeiten als Isoherstoffe werden die festen Isolierstoffe in zwei Gruppen unterteilt: wickelbare bzw. biegsame lsolierstoffe (Papier, Metalloxidschichten, Kunststoffolien) und andererseits harte Isolierstaffe (Duroplaste, Quarze, Glas Glimmer, Keramik mit niedriger und hoher Dielektrizitätskonstante (e' > 200)). Kapitel 3 über Spulen und magnetische Werkstoffe bringt einige Grundbeziehungen für die Berechnung magnetischer Feldstärken und lnduktivitäten bei Draht-

VIII Vorwort zur ersten Auflage ringen, dem Helmholtz-Spulenpaar, ferner optimalen Zylinderspulen, Flachspulen, Spulen mit quadratischem Wickelraum und Spulen mit geringem Streufeld. Die technischen Spulen mit den verschiedenen Verlusten von Blechkernen, Bandkernen, Pulver- und Ferritkernen werden dargestellt. Eine Übersicht über die verschiedenen magnetischen Erscheinungen einschließlich Antiferromagnetismus, Ferrimagnetismus und Metamagnetismus dient als Einführung in die Eigenschaften magnetisch weicher und harter Werkstoffe und Legierungen. Bei der Fertigstellung dieses Bandes konnte ich mich der Mitarbeit und kritischen Sichtung durch die Herren Dipl.-lng. Eberhard Hoefer, Dipl.-lng. Kar! Hoffmann, Dipl.-lng. Günter Landvogt und Dipl.-lng. Alfons Kessler erfreuen. Insbesondere hat Herr Hoefer den Abschnitt 3.5 verfaßt Die Zeichnungsunterlagen wurden von Fr!. Ute Kessler sauber hergestellt und das Manuskript sorgfältig von Frau Brigitte Schneider mit Maschine geschrieben. Allen Mitarbeitern danke ich herzlich für ihre Hilfe. Dem Springer-Verlag gebührt mein Dank für die vorzügliche Ausstattung. Darmstadt, im November 1964 Otto Zinke

Inhaltsverzeichnis Formelzeichen......................... XVI I 1 Widerstände und ihre Werkstoffe................. 1.1 Spezifischer Widerstand und Temperaturkoeffizient von Metallen, Widerstandslegierungen und Halbleitern....... 1.1.1 Deutung der Leitfähigkeit und Grundbegriffe.. 1.1.1.1 Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes unmagnetischer Metalle 4 1.1.2 Unmagnetische Legierungen mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten......... 8 1.1.2.1 Anwendung bei Dehnungsmeßstreifen (H. Seither) 9 1.1.3 Temperaturabhängigkeit des Widerstandes reiner ferromagnetischer Werkstoffe............ 13 1.1.4 Temperaturabhängigkeit des Widerstandes von Halbleitern 14 1.2 Kaltleiter (Leiter mit positivem Temperaturkoeffizienten, PTC-Widerstände).......... 18 1.2.1 Metallische Kaltleiter............ 19 1.2.2 Keramische Kaltleiter (DIN 44 080)...... 19 1.2.2.1 Statische Kennlinien keramischer Kaltleiter 20 1.2.2.2 Anwendungen keramischer Kaltleiter 24 1.3 Heißleiter (Leiter mit negativem Temperaturkoeffizienten, NTC-Widerstände) (DIN 44 070).......... 1.3.1 Meß- und Kompensations-Heißleiter sehr geringer Eigenerwärmung..... 1.3.2 Fremdgeheizte Heißleiter.......... 1.3.3 Regelheißleiter, direkt geheizt........ 1.3.4 Anlaßheißleiter mit Eigenerwärmung innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit............. 1.4 Erwärmung, Temperaturgleichgewicht und Wärmewiderstand 1.4.1 Erwärmung und Wärmezeitkonstante 1.4.2 Temperaturgleichgewicht und Leistung 1.4.2.1 Wärmeabgabe durch Konvektion und 27 30 31 32 32 33 34 35 Wärmestrahlung................ 35 1.4.2.2 Wärmeabgabe durch Wärmeleitung........ 37 1.4.2.3 Bedeutung des Wärmewiderstandes und seine Messung (F. Kuhn)................... 40

X Inhaltsverzeichnis 1.5 Magnetfeldabhängige Bauelemente (Hall-Generatoren, Feldplatten) (H. Seither; 0. Zinke)...... 42 1.5.I Der Hall-Effekt................... 42 1.5.2 Hall-Generatoren (H. Seither)............. 43 1.5.3 Magnetisch steuerbare Widerstände, Feldplatten, kontaktlose Potentiometer und Schalter (H. Seither) 45 1.6 Widerstände mit veränderlichem Leitwert 47 1.6.1 Spannungsabhängige Widerstände (Varistoren) 47 1.6.1.1 Varistoren für Spannungen unter I V 48 1.6.1.2 Varistoren für Spannungen über I V 49 I.6.I.3 Varistoren für Spannungen über I 0 V 52 1.6.2 Lichtempfindliche Widerstände (Photowiderstände) 55 I. 7 Frequenzabhängigkeit von Widerständen 56 1.7.1 Einfluß der Blindwiderstände.......... 57 1.7.2 Einfluß der Größe des Widerstandswerts..... 59 1.7.2.1 Induktivitätsarme Wicklungen für Widerstände kleiner als 200 Q............. 60 1.7.2.2 Wicklungen für Widerstände größer als I kq 6I 1.7.3 Abnahme des Wirkwiderstandes bei Widerständen größer als I kq durch verteilte Kapazitäten..... 62 1.7.3.1 Abnahme des Wirkwiderstandes durch Parallelkapazitäten........ 62 1.7.3.2 Abnahme des Wirkwiderstandes durch Erdkapazitäten 64 1.8 Widerstandserhöhung durch Stromverdrängung (Skineffekt) 66 I.8.1 Ableitung der Beziehung zwischen magnetischer F eidstärke und Stromdichte................. 68 1.8.1.1 Großer Skineffekt............. 7I 1.8.2 Einfluß der Querschnittsform auf die Stromverteilung in einem Leiter............. 74 I.9 Supraleitfähigkeit (Skineffekt bei Gleichstrom) 75 1.9.I Supraleitende Elemente und Verbindungen 78 1.9.2 Anwendungen der Supraleiter 78 1.10 Rauschen von Widerständen 79 l.i O.I Thermisches Rauschen 79 1.10.1.1 Größe der Rauschleistung 79 1.10.1.2 Ersatzschaltungen rauschender Widerstände 80 1.10.2 Stromrauschen................ 8I l.ii Bauformen und Normen von Widerständen (F. Kuhn; 0. Zinke) 83 1.11.1 Feste Drahtwiderstände (DIN 44 I85) (F. Kuhn) 84 1.11.1.1 Normen und Allgemeines.... 84 1.11.1.2 Aufbau von Drahtwiderständen 85 I.II.I.3 Belastbarkeit von Drahtwiderständen 86 I.II.2 Schichtwiderstände (DIN 44 050) (F. Kuhn) 87 1.11.2.1 Normen und Allgemeines 87 I.II.2.2 Kohleschichtwiderstände (DIN 44 05I/052/053/055) 88

Inhaltsverzeichnis XI 1.11.2.3 Kohlegemisch-Schichtwiderstände (DIN 44 054) 88 1.11.2.4 Massewiderstände (MIL-R-11)..... 89 1.11.2.5 Metallschichtwiderstände (DIN 44 061).. 89 1.11.2.6 Metalloxidschichtwiderstände (DIN 44 063) 89 1.11.2.7 Metallglasurwiderstände (DIN 44 064) 90 1.11.2.8 Belastbarkeit und Änderungsverhalten 91 1.11.2.9 Ebene Dick- und Dünnschichtwiderstände 93 1.11.3 Veränderbare Widerstände (F. Kuhn)..... 95 1.11.3.1 Schichtdrehwiderstände und Schiebewiderstände (DIN 41 450, IEC 393 und 190)....... 95 1.11.3.2 Drahtdrehwiderstände und Spindelwiderstände 96 1.12 Nichtlinearität von Widerständen (F. Kuhn) 96 97 98 1.13.1.1 Dauerprüfung mit elektrischer Belastung 98 1.13.1.2 Überlastprüfung bei Schichtwiderständen 98 1.13.1.3 Spannungsprüfung der Isolierung 98 1.13.1.4 Messung des Isolationswiderstands der Isolierung 98 1.13.2 Umweltprüfungen (DIN 40 046 und IEC 68) 98 1.13.3. Zuverlässigkeit und Ausfallverhalten 99 1.13.3.1 Zuverlässigkeit... 99 1.13.3.2 Ausfallverhalten..... 99 1.13.3.3 Prüfung der Zuverlässigkeit. 100 1.13 Prüfungen an Widerständen und Zuverlässigkeit (F. Kuhn) 1.13.1 Elektrische Prüfungen............ (DIN 44 050/44 185)........ 1.14 Einige Anwendungsrichtlinien, Auswahl für die Praxis (F. Kuhn) 1.14.1 Kohleschichtwiderstände 1.14.2 Metallschichtwiderstände 1.14.3 Drahtwiderstände 1.14.4 Veränderbare Widerstände 1.14.5 Impulsbelastbarkeit... 100 100 101 102 102 102 2 Kondensatoren und IsoHerstoffe (dielektrische Werkstoffe) 2.1 Kapazität und elektrisches Feld....... 2.1.1 Methoden zur Bestimmung der Kapazität 2.1.1.1 Überschlagsrechnung 2.1.1.2 Exakte analytische Methoden 2.1.1.3 Algemeine analytische Näherungsmethode (Computer-Methode)....... 2.1.1.4 Graphische Methoden....... 2.1.2 Spezifische Kapazität (Kapazität pro Volumen) 2.1.3 Abrundung des Randes und Randfeldstärke 2.2 Bauform und Kapazität von Kondensatoren 2.2.1 Festkondensatoren....... 2.2.1.1 Wickelkondensatoren und ihre Kontaktierung (U. Grössler; 0. Zinke) 2.2.1.2 Zylinderkondensatoren. 103 103 104 104 104 107 112 113 115 117 117 117 118

XII Inhaltsverzeichnis 2.2.1.3 Topfkondensatoren....... 2.2.1.4 Scheibenkondensatoren (U. Grössler) 2.2.1.5 Schichtkondensatoren (U. Grössler) 2.2.1.6 Meßkondensatoren (K. Lehner) 2.2.1.7 Trimmkondensatoren.... 2.2.2 Drehkondensatoren......... 2.2.2.1 Vergleich der verschiedenen Plattenschnitte 2.3 Der technische Kondensator............. 2.3.1 Einfluß der Induktivität auf die wirksame Kapazität (Lage der Resonanzfrequenzen)........ 2.3.2 Güte, Verlustfaktor und Ersatzschaltungen 2.3.3 Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors und des Scheinwiderstandes (U. Grössler; 0. Zinke)... 2.3.4 Strom- und Spannungsbelastbarkeit bei verschiedenen Frequenzen......... 2.3.5 Impulsbelastbarkeit (U. Grössler) 120 120 120 120 123 124 126 126 127 130 2.4 Die Verluste des Dielektrikums und die komplexe Permittivität 140 2.4.1. Die Polarisationsverluste............. 140 2.4.1.1 Polare und nichtpolare Isoherstoffe..... 140 2.4.1.2 Frequenzabhängigkeit der komplexen Permittivität bei polaren Stoffen (Beziehungen zwischen Permittivitätszahl und Verlustfaktor...... 141 2.4.1.3 Temperaturabhängigkeit der komplexen Permittivität 145 2.4.2 Verluste durch ohmsehe Leitfähigkeit des Dielektrikums (Beziehung zwischen der Kapazität und dem inneren Isolationswiderstand)............... 146 2.4.3 Frequenzabhängigkeit der komplexen Permittivitätszahl bei Polarisations- und Leitfähigkeitsverlusten....... 148 2.5 Gasförmige und flüssige dielektrische Werkstoffe für Kondensatoren 149 2.5.1 Gase als Isoherstoffe..... 149 2.5.1.1 Preßgas-Kondensatoren 150 2.5.1.2 Vakuum-Kondensatoren 152 2.5.2 Flüssige Isoherstoffe..... 152 2.5.2.1 Isoheröle...... 153 2.5.2.2 Isoherflüssigkeiten mit hohem e' und Wasser 153 2.5.2.3 Imprägnier- und Tränkungsmittel (K. Lehner) 155 2.5.2.4 Flüssigkristalle (U. Grössler)..... 156 2.6 Papier für Kondensatoren............. 158 2.6.1 Eigenschaften von Kondensatorpapier (K. Lehner) 158 2.6.2 Papier-Kondensatoren (U. Grössler)...... 158 2.6.3 Metallisierte Papier-Kondensatoren (MP) (U. Grössler) 158 2.7 Kunststoffe für Kondensatoren............. 159 2. 7.1 Celluloseacetat............. 159 2.7.1.1 Eigenschaften von Celluloseacetat (CA) (K. Lehner) 159 2.7.1.2 MKU-Kondensatoren (U. Grössler)....... 160 135 138 139

Inhaltsverzeichnis XIII 2.7.2 Polystyrol 161 2.7.2.1 Eigenschaften von Polystyrol (PS) (K Lehner) 161 2.7.2.2 Polystyrolfolie-Kondensatoren (KS) (U. Grössler) 162 2.7.3 Polypropylen 163 2.7.3.1 Eigenschaften von Polypropylen (PP) (K. Lehner) 163 2.7.3.2 Polypropylen-Kondensatoren (KP) (U. Grössler) 164 2.7.3.3 Metallisierte Polypropylen-Kondensatoren (MKP) (U. Grössler) 164 2.7.4 Polyethylenterephthalat 165 2.7.4.1 Eigenschaften von Polyethylenterephthalat (PETP) (K. Lehner) 165 2.7.4.2 Polyethylenterephthalat-Kondensatoren (KT) (U. Grössler) 166 2. 7.4.3 Metallisierte Polyethylenterephthalat-Kondensatoren (MKT) (U. Grössler) 166 2.7.5 Polycarbonat 167 2.7.5.1 Eigenschaften von Polycarbonat (PC) (K. Lehner) 167 2.7.5.2 Polycarbonat-Kondensatoren (KC) (U. Grössler) 168 2.7.5.3 Metallisierte Polycarbonat-Kondensatoren (MKC) (U. Grössler) 168 2.7.6 Sonderdielektrika aus Kunststoffen und ihre Anwendung (K. Lehner) 169 2.7.6.1 Polytetrafluorethylen (PTFE) 169 2.7.6.2 Polysulfon (PSU) 170 2.7.6.3 Silicone (SI) 170 2.7.6.4 Polyvinylchlorid (PVC) 171 2.7.6.5 Polyimid (PI) 171 2.7.7 Gehäuse, Vergußmittel und Überzüge für Kondensatoren (U. Grössler; K. Lehner) 172 2.7.7.1 Metallgehäuse 172 2.7.7.2 Kunststoffumhüllungen 173 2.8 Keramik, Glimmer, Quarz und Glas für Kondensatoren 173 2.8.1 Eigenschaften von NDK-Massen (e'~ 200) 173 2.8.1.1 Gruppe 100. Aluminiumsilicate (Porzellane) 173 2.8.1.2 Gruppe 200. Magnesiumsilicate (Steatite) 174 2.8.1.3 Gruppe 300. Titandioxid-Massen (Rutilhaltige Magnesiumsilicate) 175 2.8.1.4 Gruppe 400. Magnesium-Aluminium-Silicate 176 2.8.1.5 Gruppe 500. Poröse Aluminiumsilicate 176 2.8.1.6 Gruppe 600. Aluminiumoxid-Keramik 176 2.8.1.7 Gruppe 700. Reine Oxidkeramik 176 2.8.1.8 Besondere Silicate 176 2.8.2 Keramik-Kondensatoren der Klasse 1 (NDK) (U. Grössler) 176 2.8.2.1 Rohrkondensatoren 177 2.8.2.2 Scheibenkondensatoren 177 2.8.2.3 Keramik-Vielschichtkondensatoren 181

XIV Inhaltsverzeichnis 2.8.3 Eigenschaften von HDK-Massen (e'> 200), Ferroelektrizität (K. Lehner; 0. Zinke).... 2.8.4 Keramik-Kondensatoren der Klasse 2 (HDK) (U. Grössler) 2.8.4.1 Scheibenkondensatoren (U. Grössler) 2.8.4.2 Vielschichtkondensatoren (U. Grössler) 2.8.5 Andere Anwendungen der ferroelektrischen Keramiken (Piezokeramik) (U. Grössler)........... 2.8.6 Sperrschichtkondensatoren (Keramik-Kondensatoren der Klasse 3) (U. Grössler)...... 2.8.7 Eigenschaften von Glimmer (0. Zinke)..... 2.8.8 Glimmer-Kondensatoren (U. Grössler)....... 2.8.9 Eigenschaften von Quarz und Gläsern für Kondensatoren (0. Zinke).. 2.8.9.1 Quarz........ 2.8.9.2 Gläser 2.8.10 Glas-Kondensatoren (U. Grössler) 2.9 Elektrolyt-Kondensatoren (U. Grössler) 2.9.1 Eigenschaften von Metalloxiden (Al 2 0 3 und Ta 2 0 5 ) 2.9.2 Nasse Elektrolyt-Kondensatoren....... 2.9.2.1 Nasse Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren 2.9.2.2 Nasse Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren 2.9.3 Trockene Elektrolyt-Kondensatoren....... 2.9.3.1 Trockene Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren 2.9.3.2 Trockene Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren 2.10 Prüfungen an Kondensatoren und Zuverlässigkeit (U. Grössler) 2.1 0.1 Elektrische Messungen und Prüfungen 2.10.1.1 Messung der Kapazität 2.10.1.2 Verlustfaktor 2.1 0.1.3 Isolationswiderstand 2.10.1.4 Reststrom 2.10.1.5 Scheinwiderstand 2.10.1.6 Induktivität (nach IEC 384-5) 2.10.1.7 Temperaturabhängigkeit der Kapazität 2.10.1.8 Spannungsprüfung 2.10.1.9 Feuchte-Wärme-Prüfung 2.10.1.10 Dauerspannungsprüfung 2.1 0.1.11 Lade- und Entladeprüfung und Spitzenspannungsprüfung 2.10.2 Zuverlässigkeit und typisches Ausfallverhalten 2.11 Anwendungsrichtlinien für Kondensatoren (U. Grössler) 2.11.1 Auswahlkriterien für die Praxis... 2.11.2 Kapazitätsbereiche bei Kondensatoren 182 184 187 188 189 189 190 191 192 192 192 193 193 194 194 194. 201. 201. 201. 205. 206. 207. 207. 207. 208. 208. 208. 208. 209. 209. 209. 209. 210. 211. 214. 214. 215 3 Spulen, Übertrager und magnetische Werkstoffe 3.1 Grundbeziehungen für die Induktivität. 217. 217

3.1.1 Spule und Kondensator als duale Schaltelemente 3.1.2 Kapazitätsbelasteter Gyrator als Induktivität Inhaltsverzeichnis 3.2 Induktivität einfacher Leiterformen....... 3.2.1 Induktivität der Koaxialleitung...... 3.2.2 Induktivität der Streifenleitung (Bandleitung, Bifilarband) 3.2.3 Induktivität der Doppelleitung aus Runddrähten 3.2.4 Induktivität eines Drahtringes.......... 3.2.5 Induktivität und Gegeninduktivität von zwei koaxialen Kreisringen.................. 3.2.6 Zwei Windungen bzw. Spulen mit homogenem Axialfeld (Helmholtz-Spulenpaar)............. 3.2.7 Spulen mit drei Windungen............ 3.2.8 Induktivität von enggewickelten Zylinder- und Flachspulen 3.2.9 Spezifische Induktivität. Optimale einlagige Zylinderspulen 3.2.10 Optimale Spulen mit quadratischem Wickelraum 3.2.11 Spulen mit geringem Außenfeld....... 3.2.11.1 Toroidspulen (Ringkernspulen).... 3.3 Spulen mit magnetischem Kern (R. Hörndlein; 0 Zinke) 3.3.1 Blechkerne für den Niederfrequenzbereich 3.3.1.1 Geschichtete Blechkerne....... 3.3.1.2 Geklebte Kernblechpakete (R. Hörndlein) 3.3.2 Gewickelte Bandkerne aus hochpermeablem Material 3.3.3 Eisenpulverkerne mit Isolierstoff......... 3.3.4 Ferritkerne.................. 3.3.5 Verminderung und Linearisierung der Permeabilität durch Luftspalte................... 3.3.6 Abgleichbare Spulenkerne (R. Hörndlein)..... 3.3.7 Festinduktivitäten (HF-Drosselspulen) (R. Hörndlein) 3.4 Eigenschaften technischer Spulen (R. Hörndlein; 0. Zinke) 3.4.1 Einfluß der Eigenkapazität............ 3.4.1.1 Resonanzwellenlänge von Flach- und Zylinderspulen 3.4.2 Einfluß der Verluste.......... 3.4.3 Belastbarkeit von technischen Spulen......... 3.4.4 Übertrager-Ersatzschaltbilder (R. Hörndlein)...... 3.4.5 Einfluß des Streuflusses beim Übertrager; Streuinduktivität (R. Hörndlein).............. 3.4.5.1 Übertrager mit getrennten Wicklungen 3.4.5.2 Angezapfte Spule (Spartransformator) 3.4.6 Lebensdauer und Zuverlässigkeit technischer Spulen (R. Hörndlein)................ 3.5 Eigenschaften des Kernmaterials........... 3.5.1 Einteilung der Stoffe nach magnetischen Eigenschaften 3.5.1.1 Magnetisch neutrale Stoffe 3.5.1.2 Diamagnetismus 3.5.1.3 Paramagnetismus 3.5.1.4 Ferromagnetismus XV. 219. 220. 223. 223. 224. 224. 225. 228. 230. 231. 232. 235. 238. 239. 240. 243. 243. 244. 244. 245. 246. 247. 248. 250. 253. 254. 254. 256. 257. 260. 261. 265. 265. 270. 274. 280. 280. 280. 281. 282. 283

XVI Inhaltsverzeichnis 3.5.1.5 Antiferromagnetismus. 287 3.5.1.6 Ferrimagnetismus. 289 3.5.1.7 Metamagnetismus. 290 3.5.2 Ferromagnetische Stoffe in Wechselfeldern, komplexe Permeabilität. 291 3.5.2.1 Wirbelströme...... 292 3.5.2.2 Hysterese...... 296 3.5.2.3 Magnetische Nachwirkung. 301 3.5.2.4 Resonanzerscheinungen. 303 3.5.2.5 Trennung der Verlustanteile (R. Hörndlein). 306 3.6 Magnetische Werkstoffe (R. Hörndlein; 0. Zinke). 307 3.6.1 Magnetisch weiche Werkstoffe mit kleinen Ummagnetisierungsverlusten............ 308 3.6.1.1 Ferromagnetische Werkstoffe (Metallegierungen) (R. Hörndlein)....... 308 (a) Eisen-Silicium-Legierungen 312 (b) Eisen-Nickel-Legierungen 312 ( c) Sonstige Legierungen 314 (d) Amorphe Metalle. 314 3.6.1.2 Ferrimagnetische Werkstoffe (Metallmischoxide). 315 (a) Mangan-Zink-Ferrite (R. Hörndlein). 318 (b) Nickel-Zink-Ferrite (R. Hörndlein). 318 (c) Hexagonale Ferrite (R. Hörndlein). 318 3.6.1.3 Legierungen nichtferromagnetischer Metalle. 319 3.6.2 Magnetisch weiche Werkstoffe mit rechteckiger Hystereseschleife........... 319 3.6.2.1 Ferromagnetische Legierungen. 320 3.6.2.2 Ferrimagnetische Werkstoffe. 320 3.6.3 Magnetisch harte Werkstoffe für permanente magnetische Felder (Dauermagnetwerkstoffe).... 321 3.6.3.1 Ferromagnetische Legierungen..... 321 3.6.3.2 Ferrimagnetische Werkstoffe..... 322 3.6.3.3 Legierungen nichtferromagnetischer Metalle 322 Anhang. Grundlagen der Zuverlässigkeitsanalyse und -synthese (A. Vlcek) 323 I. Begriffsbestimmungen........ 323 2. Zuverlässigkeitsanalyse und -synthese 326 3. Ermittlung von Zuverlässigkeitsparametern. 329 Literatur. 331 Kapitel I. Widerstände und ihre Werkstoffe.. 331 Kapitel2. Kondensatoren und Isoherstoffe (dielektrische Werkstoffe). 333 Kapitel 3. Spulen, Übertrager und magnetische Werkstoffe. 338 Anhang. Grundlagen der Zuverlässigkeitsanalyse und -synthese. 340 Sachverzeichnis. 342

Formelzeichen A a B b C c D d E Eg e F f G Gth g H h I J K k L I M m N n nn np P P q p Q q R Rth Fläche; Koeffizient; Abstand Dämpfungsmaß; Koeffizient; Abstand, Dicke magnetische Induktion; Blindleitwert; B = Egl2k, Temperatur Breite; Phasenmaß elektrische Kapazität; Koeffizient; Abstand Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum; spezifische Wärmekapazität; Koeffizient elektrische Flußdichte, elektrische Verschiebung; Durchmesser Durchmesser; Dicke, Abstand; Koeffizient elektrische Feldstärke; elektrische Urspannung (EMK) Bandabstand Elementarladung Kraft; Koeffizient Frequenz elektrischer Leitwert; Wirkleitwert Wärmeleitwert Ausbreitungsmaß magnetische Feldstärke Plancksches Wirkungsquantum; Hysteresebeiwert elektrische Stromstärke elektrische Stromstärke elektrische Stromdichte Koeffizient; Bezugstemperatur Boltzmann-Konstante; Klirrfaktor; Kopplungsgrad; Koeffizient Induktivität; Lorentz-Konstante Länge Magnetisierung; Gegeninduktivität Masse Windungszahl; Atomzahldichte; Anzahl Teilchenzahldichte; Nachwirkungsbeiwert; Windungszahlverhältnis Elektronenzahldichte Lochzahldichte Leistung, Wirkleistung Blindleistung Druck elektrische Ladung; Gütefaktor elektrische Ladung elektrischer Widerstand Wärmewiderstand

XVIII r S s T t U u ü V v W w X Y Z Z Formelzeichen Radius; Verlust-Widerstand Energiestromdichte; Poynting-Vektor; Steilheit; Koeffizient Weglänge; Abstand (thermodynamische) Temperatur; Zeitkonstante Zeit elektrische Spannung elektrische Spannung Übersetzungsverhältnis Volumen; spezifischer Verlust; Breitenverhältnis Geschwindigkeit; Verstärkungsfaktor Energie; bandbreitenbezogene Rauschleistung Energiedichte; Wirbelstrombeiwert Blindwiderstand, Reaktanz (komplexe) Admittanz (komplexe) Impedanz Wellenwiderstand a Temperaturkoeffizient; Winkel; Dämpfungskoeffizient; Koeffizient ß Winkel; Phasenkoeffizient; Koeffizient y elektrische Leitfähigkeit; Ausbreitungskoeffizient; gyromagnetischer Koeffizient; Exponent 15 Verlustwinkel; Leitschichtdicke, Eindringtiefe e Permittivität e 0 elektrische Feldkonstante er Permittivitätszahl 17 dynamische Viskosität ()D Debye-Temperatur ()H Hall-Winkel 9 Celsius-Temperatur A freie Weglänge A. Wellenlänge; Wärmeleitfähigkeit J1. Permeabilität; Beweglichkeit; Poisson-Zahl Jl.o magnetische F eidkonstante Jl.r Permeabilitätszahl ~ Kohärenzlänge Q spezifischer elektrischer Widerstand; Radius Qm (Massen-)Dichte a Streufaktor; Stefan-Boltzmann-Konstante r Zeitkonstante qj magnetischer Fluß; elektrisches Potential qjo Flußquant rp Phasenwinkel Xe elektrische Suszeptibilität Xm magnetische Suszeptibilität 'P elektrischer Fluß w Kreisfrequenz