Kondensatoren für passive Frequenzweichen

Allgemeines zum Kondensator und dessen Funktionsweise 

Der Kondensator
Ein Kondensator besteht quasi aus zwei gleich großen Metallplatten (Beläge),
welche sich in einem gewissen Abstand gegenüberstehen.
Zwischen diesen Platten befindet sich ein Isolator (Dielektrikum), welcher die Platten voneinander trennt.
Wird eine Gleichspannung angelegt, laden sich die Platten gegenpolig auf und dazwischen entsteht
ein Elektrisches Feld.

Bei Gleichstrom lässt der Kondensator im geladenen Zustand keine Elektronen von einer Platte zur anderen.
Im geladenen Zustand also ein unendlich großer Widerstand.
Ungeladen stellt der Kondensator hingegen einen Kurzschluss dar.
(Beispiel Endstufe, welche den Automaten beim ersten Einschalten rauswirft)

Bei Wechselstrom entsteht eine Wechselwirkung, ähnlich als würden die Ladungsträger durch das Dielektrikum fließen.
Der Widerstand ist abhängig von der Frequenz, bildet also eine Impedanz (Hohe Frequenz = niederiger Widerstand).
Hierbei wird die Phase zwischen Strom und Spannung um 90° verschoben.

Die Stärke der Beläge hat keinen Einfluss auf die Kapazität, jedoch erhöht man damit
die Belastung eines Kondensators.
Größere Bauform bei gleichem Typ & Wert, heißt idR. höhere Spannungsfestigkeit.



Selbstheilung:
Selbstheilung vom Kondensator
Kondensatoren mit aufgedampften Elektroden haben die Fähigkeit sich selbst zu heilen.
Bei einem Durchschlag (zu hohe Spannung) entsteht ein Loch im Dielektrikum,
damit es nicht zum Kurzschluss kommt, wird die Metallschicht um das Loch weggebrannt.
Dieser Prozess dauert nur einige µs und macht sich als kleiner Störimpuls bemerkbar.
Bei jeder Selbstheilung verliert der Kondensator an Kapazität (circa 1% pro 1000 Vorgängen).



Verlustfaktor und ESR:

Ersatzschaltbild vom  Kondensator

Der Verlustfaktor ist der Quotient aus Wirk- und Blindanteil des Scheinwiderstandes.
Die Verluste entstehen hauptsächlich im Dielektrikum (Da es kein idealer Isolator ist),
sind aber auch von der Leitfähigkeit der Beläge abhängig und den Übergangswiderständen zu den Anschlussdrähten.
Parallel zum Dielektrikum liegt der Isolationswiderstand, welcher bei niedrigen Frequenzen den Verlustfaktor beeinflusst.
R Dielektrikum und R Isolationswiderstand = Rp
Beläge, Überganswiderstände etc = Rs

Ein großer Verlustfaktor kann zur Erwärmung und verkürzter Lebensdauer führen.
Der Äquivalente Serienwiederstand (ESR) ist, wie der Verlustfaktor, Frequenz- und Kapazitätsabhängig 
und kann über den Verlustfaktor errechnet werden.

Um so dicker das Dielektrikum, um so geringer die Kapazität, dafür steigt der Verlustfaktor.
Um so höher der Abstand zwischen den Platten, um so spannungsfester wird ein Kondensator,
demnach steigt unser Isolationswiderstand.
Hiergegen hilft dann die Fläche zu vergrößern = Größerer Kondensator.

Also, um so höhere Spannungsfestigkeit und/oder geringer der Verlustfaktor, um so größer wird der Kondensator von seinen Ausmaßen.

 

Kondensatortypen 

Papierkondensatoren:
Dielektrikum: Papier (gepreßte Zellulose)

Vorteil: Papier ist ein guter Isolator
Nachteil: Verändert seine Dicke mit der Zeit , somit ändert sich ebenfalls auch die Kapazität.
Ebenfalls ist dieser Prozess von der anliegenden Spannung abhängig, was heißt,
dass die Kapazität mit höherer Spannung ansteigt, ebenfalls ist die Kapazität frequenzabhängig.


Öl-Papier-Kondensatoren:
Dielektrikum: In Öl getränktes Papier.

Vorteil: Das Öl füllt die Hohlräume im Papier aus und wirkt als Dielektrikum. Höhere Spannungsfestigkeit.
Nachteil: Werden recht groß, da da der Wickel im Ölgefüllten Gehäuse "schwimmt". Das Öl kann gesundheitsschädlich sein.
Da das Papier hier oft größere Poren hat, ist dieser noch mehr von Spannung und Frequenz abhängig als der Papierkondensator.


Metallpapier:
Dielektrikum: Papier mit aufgedampfte Metallschichten (Elektroden)

Vorteil: Selbstheilend als auch kleiner als Papierkondensatoren
Nachteil: Ähnlich denen der Papierkondensatoren.


Bipolare Elektrolytkondensatoren (ELKO):
Er besteht quasi aus 2 in Reihe geschalteten (gepolten) Elkos.
Innen Alufolie (Kathode), dann das Dielektrikum (Oxidschicht auf Alufolie). 
Der 2te Kondensator wird aus dem Elektrolyt und der äußeren Alufolie (Anode) gebildet, das Dielektrikum ist ebenfalls die Oxidschicht auf der Alufolie.
Die Folie kann glatt, als auch aufgeraut sein.
Besonderheit: Nur ein Belag besteht hier aus Metall (Alufolie), der andere bildet das elektrisch leitende Elektrolyt.

Dielektrikum: Oxidschicht auf der Alufolie

Vorteil: hohe Kapazität bei kleiner Bauform, kostengünstig.
Nachteil: Belastbarkeit, Alterung (Trocknet mit der Zeit aus, um so größer die Bauform um so schneller).
Bei gleicher Größe wie gepolte Elkos, nur halbe Kapazität. Die Oxidschicht reagiert mit dem Elektrolyt und baut sich langsam ab,
was die Spannungsfestigkeit als auch Kapazität beeinflusst.
Um so geringer die angelegte Spannung, um so länger die Haltbarkeit.
Recht große Toleranzen, große Leckströme & temperaturempfindlich.


(Kunststoff-)Folienkondensatoren:
2 Metallfolien, meißt aus Alu.
Dazwischen ist das Dielektrikum, hierauf wird Papier (MP)- oder Kunststoff (MK)
gewickelt (FK/FP) oder aufgedampft (MK/MP). Der Wickel bekommt die Anschlüsse.
Dies alles sitzt in einen Becher (aus Kunststoff, Keramik, Papier oder Metall) und wird dicht vergossen.
 
Papier hat viele ungünstige Eigenschaften, wie hohe Feuchtigkeitsaufnahme und mechanische Schrumpfung.
Kunststoffe können dagegen bei gleicher Kapazität und gleicher Spannungsfestigkeit kleiner gebaut werden.


Metall-Kunststoff-Kondensator (MK-Kondensator)
Bei Metall-Kunststoff-Kondensatoren werden die Metallbeläge auf die Kunststofffolie aufgedampft.
Die Folie wird dann zu Rund- oder zu Flachwickeln gerollt.
Manchmal werden die Folienstücke aber auch aufeinander geschichtet.
Eine Selbstheilung wie bei Metall-Papier-Kondensatoren ist ebenfalls möglich.

Um die Größe bei einem Folienkondensator zu verringern, werden die Metallfolien einfach gewickelt, dazwischen wird eine Isolierfolie angebracht.
Das hat den Vorteil, dass sich die Kapazität verdoppelt, sofern identische Folien verwendet werden,
hat aber den Nachteil, dass dies wie eine Spule wirkt und der Kondensator so eine Induktivität aufweist.
Werden diese Windungen gegeneinander kurzgeschlossen, wird dieser Spuleneffekt fast eliminiert.

Dielektrikum
: Papier oder Kunststoff, gewickelt oder aufgedampft

Vorteil: Größere Durchschlagfestigkeit als der Papierkondensator, somit deutlich kleinere Bauform.
Kapazität nicht abhängig von der angelegten Spannung.


MKT
Dielektrikum:
Metallisierte Polyester-Folie (aufgedampftes Aluminium)

Vorteil: hoher Verlustfaktor & großer ESR im Vergleich zu MKP, selbstheilend, hoher Isolationswiderstand, hohe Durchschlagsfestigkeit, kleinere Abmessungen als MKP
Nachteil: temperatur- und frequenzabhängig, höherer Verlustfaktor als auch ESR als MKP. Größer als Elkos


MKP
Dielektrikum: Metallisierte Polypropylen-Folie (aufgedampftes Aluminium oder Zinnfolie)

Vorteil: kleiner Verlustfaktor, kleiner ESR, selbstheilend, sehr hoher Isolationswiderstand, langzeitstabil, hohe Impuls-, Spannungs- und Stromfestigkeit, verkraftet hohe Spannungsspitzen, sehr geringe Frequenzabhängigkeit.
Nachteil: temperaturempfindlich ab 85 °C. Größer als Elkos oder auch MKT

 



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