Kondensator: Unterschied zwischen den Versionen

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== Aufbau eines Kondensators ==
== Aufbau eines Kondensators ==
Wie oben beschrieben besteht ein Kondensator imemr aus zwei voneinander isolierten Flächen. Je größer die Fläche, je geringer der Abstand der Flächen, und je "besser" das Dielektrikum, desto höher ist die Kappazität des Bauteiles. Der Einfachste Kondensator besteht aus zwei voneinander isloierten Metallplatten, zwischen denen sich Luft als "Dielektrikum" befindet. Um die Fläche und damit die Kappazität zu vergrößern gibt es verschiedene Möglichkeiten
Wie oben beschrieben besteht ein Kondensator immer aus zwei leitfähigen - voneinander isolierten - Flächen. Je größer die Fläche, je geringer der Abstand der Flächen, und je "besser" das Dielektrikum, desto höher ist die Kapazität des Bauteiles. Der einfachste Kondensator besteht aus zwei voneinander isolierten Metallplatten, zwischen denen sich Luft als "Dielektrikum" befindet. Um die Fläche und damit die Kapazität zu vergrößern gibt es verschiedene Möglichkeiten:


=== Wickelkondensator ===
=== Wickelkondensator ===
Die einfachste Methode die Flächen zu vergrößern ist es, zwei leitfähige Folien mit einem Isolationsmaterial dazwischen aufzuwickeln.  Diese Methode wird für so ziemlich alle Kondensatortypen verwendet. Manchmal wird der Wickel nach der Herstellung flachgepresst, und das Volumen zu optimieren.
Die einfachste Methode die Flächen zu vergrößern ist es, zwei leitfähige Folien mit einem Isolationsmaterial dazwischen aufzuwickeln.  Diese Methode wird für so ziemlich alle Kondensatortypen verwendet. Manchmal wird der Wickel nach der Herstellung flachgepresst, um das Volumen zu optimieren.


=== Schichtkondensator ===
=== Schichtkondensator ===
Diese Aufbauart wird durch "stapeln" der unterschiedlichen Lagen erreicht. Verfahrenstechnisch ist dies oft wieder ein wichel, jedoch meist auf bis zu 2 Meter durchmessenden Wickelrädern. Dieses ursprünglich von Siemens eingesetzt Verfahren wird auch aktuell noch verwendet, hauptsächlich für Folienkondensatoren bis in den mF-Bereich hinein.
Diese Aufbauart wird durch "stapeln" der unterschiedlichen Lagen erreicht. Verfahrenstechnisch ist dies oft wieder ein Wickel, jedoch meist auf bis zu 2 Meter durchmessenden Wickelrädern. Dieses ursprünglich von Siemens eingesetzt Verfahren wird auch aktuell noch verwendet, hauptsächlich für Folienkondensatoren bis in den mF-Bereich hinein. Nach dem Wickeln auf die vieleckigen Räder wird der Folienstapel abgeschnitten und auf die gewünschte Größe = Kapazität geschnitten.


== Kondensatortypen ==
== Kondensatortypen ==
(Vakuum-, Glimmer- und Glaskondensatoren nicht berücksichtigt)
(Vakuum-, Glimmer- und Glaskondensatoren nicht berücksichtigt)
=== Keramik-Kondensator ===
=== Keramik-Kondensator ===
(Titandioxid+Bariumtitanat, Aluminium & Magnesiumsilikate)
Kerkos sind sogenannte "Vielschicht-Kondensatoren" die aus mehreren hundert Lagen einer isolierenden Keramik (Titandioxid+Bariumtitanat), und einer elektrisch leitfähigen Metallisierung bestehen (Aluminium & Magnesiumsilikate)bestehen.
imemr als Schichtkondensator aufgebaut, für höchste Frequenzen geeignet, sehr geringe Baugröße, gute Temperaturstabilität aber piezoelektrische Eigenschaften, Kapazität je nach Typ abhängig von Temperatur und angelegter Spannung.
Dieser Typ ist für höchste Frequenzen geeignet, hat eine sehr geringe Baugröße, eine gute Temperaturstabilität aber piezoelektrische Eigenschaften. Die Kapazität pro mm³ variiert je nach Dielektrikum Z5U, Y5V, X7R, C0 (in abnehmender Kapazitätsdichte) und ist sowohl abhängig von Temperatur als auch der angelegten Spannung.
Z5U, Y5V
 
X7R
C0G


=== Folien-Kondensator ===
=== Folien-Kondensator ===

Version vom 7. April 2014, 18:50 Uhr

==> Dieses Kapitel befindet sich zur Zeit in Überarbeitung, Fertigstellung vermutlich bis Ende Mai 2014

Ein Kondensator ist ein passive Bauteil mit zwei Anschlüssen. Dieses Bauteil besteht aus zwei Flächen aus gut leitfähigem Material, die jedoch voneinander isoliert sind. Das Isolationsmaterial ist ein Dielektrikum, und hat verleiht dem Kondensator je nach Materialauswahl stark unterschiedliche Eigenschaften. Ein Kondensator speichert elektrische Energie in einem elektrischen Feld.

Aufbau eines Kondensators

Wie oben beschrieben besteht ein Kondensator immer aus zwei leitfähigen - voneinander isolierten - Flächen. Je größer die Fläche, je geringer der Abstand der Flächen, und je "besser" das Dielektrikum, desto höher ist die Kapazität des Bauteiles. Der einfachste Kondensator besteht aus zwei voneinander isolierten Metallplatten, zwischen denen sich Luft als "Dielektrikum" befindet. Um die Fläche und damit die Kapazität zu vergrößern gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Wickelkondensator

Die einfachste Methode die Flächen zu vergrößern ist es, zwei leitfähige Folien mit einem Isolationsmaterial dazwischen aufzuwickeln. Diese Methode wird für so ziemlich alle Kondensatortypen verwendet. Manchmal wird der Wickel nach der Herstellung flachgepresst, um das Volumen zu optimieren.

Schichtkondensator

Diese Aufbauart wird durch "stapeln" der unterschiedlichen Lagen erreicht. Verfahrenstechnisch ist dies oft wieder ein Wickel, jedoch meist auf bis zu 2 Meter durchmessenden Wickelrädern. Dieses ursprünglich von Siemens eingesetzt Verfahren wird auch aktuell noch verwendet, hauptsächlich für Folienkondensatoren bis in den mF-Bereich hinein. Nach dem Wickeln auf die vieleckigen Räder wird der Folienstapel abgeschnitten und auf die gewünschte Größe = Kapazität geschnitten.

Kondensatortypen

(Vakuum-, Glimmer- und Glaskondensatoren nicht berücksichtigt)

Keramik-Kondensator

Kerkos sind sogenannte "Vielschicht-Kondensatoren" die aus mehreren hundert Lagen einer isolierenden Keramik (Titandioxid+Bariumtitanat), und einer elektrisch leitfähigen Metallisierung bestehen (Aluminium & Magnesiumsilikate)bestehen. Dieser Typ ist für höchste Frequenzen geeignet, hat eine sehr geringe Baugröße, eine gute Temperaturstabilität aber piezoelektrische Eigenschaften. Die Kapazität pro mm³ variiert je nach Dielektrikum Z5U, Y5V, X7R, C0 (in abnehmender Kapazitätsdichte) und ist sowohl abhängig von Temperatur als auch der angelegten Spannung.


Folien-Kondensator

(M) = metallisierte Folie, (F) = Metallbeläge z.B. Metallfolie

Polypropylen-Folie (PP)Hostalen: (F)KP, MKP, nur bis 105°C verwendbar, sehr geringe Toleranz von ca +/- 1%, geringe Veränderungen über die Frequenz, nur sehr geringe Kapazitätswerte verfügbar, bis ca 100kHz gut anwendbar, selbstheilend impulsbelastbar Polystyren-Folie: sehr geringe Toleranz von ca +/- 1%, geringe Veränderungen über die Frequenz, nur sehr geringe Kapazitätswerte verfügbar, ideal für hohe Frequenzen bis einigen hunterk kHz Metallisierter Polyester Folie Polyester von DuPont Mylar, temperatustabil, geringe Baugröße Metallpapier: Polacarbonat (PC) Makrofol: geringe Temperaturabhängigkeit, hohe Impulsbelastbarkeit Polyethylenterephthalat, Polyester (PET) Mylar, Hostaphan: (F)KT, MKT, bis 125..150°C verwendbar, höhere Toleranz, preiswert, selbstheilend, hohe Impulsbelastbarkeit Polystyrol (PS) Styroflex: Polyethylennaphthalat (PEN): (F)KN, MKN) Kaladex, bis 150°C verwendbar, Polytetrafluorethylen (PTFE) Teflon: Polyphenylensulfid (PPS) Tedur, Ryton: (F)KI, MKI, bis 150°C verwendbar,


Elektrolyt-Kondensator

Kondensator ist gepolt und wird durch verpolen sehr schnell zerstört. Isolator wird durch oxidation der z.B. Aluminiumoberfläche erzeugt, Dieser Vorgang nennt sich "formieren".

Fest-Elektrolyt

(Polymere, Braunstein, ...) Tantal, Niob

Flüssig-Elektrolyt

(Alkohol basierend, Schwefelsäure, Glykol) Elko


Anwendungen

Energiespeicherung

Elko Doppelschichtkondensator (Supercap, Goldcap,...) große Fläche wird durch Aktivkohle erreicht

= Energieversorgung

Netzteil Zwischenkreiskondensator

Schweissen

(CD-Weld)

Impulsfest

Coils shrinker Coilgun Railgun


Filterung

(Abart von Energiespeichern, Beachtung des Xc) Hochferequente Ströme fließen direkt uber/durch den Kondensator Durchführungskondensator als spezielle Bauform zur HF-Ableitung


Kopplung

Entkopplung

Kopplung

Vorwiderstand

Motorkondensator Kondensatornetzteil


Mathematik zum Kondensator

Die Größe eines Kondensators ist seine Kapazität (Formelzeichen C), die als Ladung (Formelzeichen Q) durch Spannung (Formelzeichen U) definiert ist.

[math]\displaystyle{ C=\frac{Q}{U} }[/math]

Die Einheit für die Kapazität ist Farad:

[math]\displaystyle{ [C]=F=\frac{As}{V} }[/math]

Reihenschaltung

Für eine Reihenschaltung von n Kondensatoren gilt:

[math]\displaystyle{ \frac{1}{C_{ges}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\dots+\frac{1}{C_n} }[/math]

[math]\displaystyle{ U_{ges}=U_1+U_2+\dots+U_n }[/math]

[math]\displaystyle{ I_{ges}=I_1=I_2=\dots=I_n }[/math]

Parallelschaltung

Für eine Parallelschaltung von n Kondensatoren gilt:

[math]\displaystyle{ C_{ges}=C_1+C_2+\dots+C_n }[/math]

[math]\displaystyle{ U_{ges}=U_1=U_2=\dots=U_n }[/math]

[math]\displaystyle{ I_{ges}=I_1+I_2+\dots+I_n }[/math]

Gespeicherte Energie

Die in einem Kondensator gespeicherte Energie lässt sich durch die Formel

[math]\displaystyle{ W=\frac{C}{2} \cdot U^2 = \frac{1}{2 \cdot C} \cdot Q^2 = \frac{U}{2} \cdot Q }[/math]

berechnen.

Praxis

Polaritätszeichen

Elektrolytkondensatoren (Elkos) sind (in der Regel) gepolt, d. h. Gleichspannungspegel müssen in einer vorgeschriebenen Polarität angelegt werden, damit das Dielektrikum nicht zerstört wird. Bei Aluminium-Elkos wird dabei generell der Minuspol gekennzeichnet, bei kleinen Bauformen mit einem Strich, bei größeren Bauformen befinden sich u. U. auch noch Minuszeichen in diesem Strich eingebettet. Bei Tantal-Kondensatoren hingegen wird immer der Pluspol gekennzeichnet (nicht nur bei den SMD-Bauformen, aber auch bei diesen).

SMD-Elkos.jpeg

Die gezeigten Elkos haben folgende Werte:

  • 220 µF, Spannungsfestigkeit 6 V
  • 100 µF ([math]\displaystyle{ 10 \cdot 10^7 }[/math] pF), 16 V
  • 22 µF, 10 V
  • 1 µF, 35 V
  • 2,2 µF ([math]\displaystyle{ 22 \cdot 10^5 }[/math] pF), 10 V

Die beim 100-µF-Kondensator zu findende Buchstabenschreibweise für die Spannungsfestigkeit ist wenig gebräuchlich, aber gelegentlich anzutreffen. Die Zuordnung ist:

Buchstabe e G J A C D E V H
Spannungsfestigkeit 2.5V 4 V 6,3 V 10 V 16 V 20 V 25 V 35 V 50 V
Case Code (Bauform) A B C D
Länge (mm) 3,2 3,5 6,0 7,3
Breite (mm) 1,6 2,8 3,2 4,3
Höhe (mm) 1,6 1,9 2,5 2,8
Maßtoleranz (mm) 0,2 0,2 0,3 0,3

Siebkondensator

Der Siebkondensator sitzt hinter einem Gleichrichter und hat die Aufgabe, aus einer gleichgerichteten, pulsierenden Spannung, eine annähernd konstante Gleichspannung mit nur wenig Welligkeit (engl. Ripple) zu machen. Er wird periodisch geladen und muss während der Ladepausen, wenn die Eingangssspannung vor dem Gleichrichter kleiner als die Ausgangsspannung ist, den Ausgang mit Strom versorgen. Man findet ihn in allen klassischen Netzteilen mit 50Hz Trafo. Als Daumenregel kann man sich merken, dass man pro 1A Ausgangsstrom ca. 10mF braucht, um eine Welligkeit von ca. 1Vpp zu erreichen.

Einen Siebkondensator findet man auch am Ausgang von Schaltnetzteilen, seine Aufgabe ist dort die gleiche. Allerdings sind die Schaltfrequenzen deutlich höher, typisch 50-500kHz. Darum muss dieser Kondensator einen besonders kleinen, effektiven Innenwiderstand besitzen (engl. ESR, Equivalent Series Resistance).

Entkoppelkondensator

Der Entkoppelkondensator hat die Aufgabe, die Versorgungsspannung nahe an einem IC für hochfrequente Ströme zu puffern (entkoppeln, engl. decoupling). Schnelle Digital- und Analogschaltungen benötigen vor allem beim Umschalten sehr schnell viel Strom, in der Größenordnung von Nanosekunden bis Mikrosekunden, je nach IC Milliampere bis Ampere. Diese müssen mit möglichst geringem Widerstand und Induktivität geliefert werden. Ein Stromversorgungsnetz auf einer Platine kann das meist nur unzureichend, dazu sind die Leitungen meist zu lang und damit die Induktivität zu hoch. Ein nah am IC platzierter Kondensator liefert diesen Strom für kurze Zeit, ohne dass die Spannung nennenswert einbricht. Die Entkopplung der Stromversorgung geschieht meist mehrstufig, d.h. es werden Kondensatoren verschiedener Arten und Kapazitäten eingesetzt, siehe Stromversorgung für FPGAs.

Praktische Anwendung

  • Jeder Digitalschaltkreis benötigt einen 100nF Keramikkondensator nah (kleiner 20mm) an den Anschlüssen von VCC und GND. Je schneller der IC schalten kann, umso wichtiger ist er.
  • Für jedes Anschlusspaar von VCC und GND eines ICs muss ein Kondensator verwendet werden. Sparen geht hier oft schief!
  • Für die Verbindung der Enkoppelkondensatoren zur Masse- bzw. Versorgungsfläche sollte man möglichst je Kondesator ein VIA benutzen und nicht über ein VIA mehrere Kondensatoren verbinden. Dadurch wird die parasitäre Induktivität vermindert.
  • Schnelle Analogschaltkreise wie Operationsverstärker, Treiber etc. brauchen auch individuelle Entkoppelkondensatoren.
  • Pi mal Daumen gilt: Je größer der Kondensator, umso weiter kann er von dem Verbraucher weg sein, da er auf Grund seines Innenwiderstands weniger HF-tauglich ist. Es ist somit nicht sinnvoll, einen 1000µF Elektrolytkondensator 10mm neben einen Digital-IC setzen zu wollen. Dort gehört der 100nF Keramikkondensator hin. Aber für die Stromversorgung von Motoren, Treibern und H-Brücken sind derartige großen Kondensatoren wichtig und sollten nicht zu weit entfernt sein.

Koppelkondensator

Koppelkondensatoren verbinden Verstärkerstufen. Dabei wird jedoch nur der Wechselanteil übertragen, kein Gleichanteil. Diese Kondensatoren müssen möglichst verzerrungsarm sein, vor allem im Audiobereich. Das wird durch die richtige Wahl des Dielektrikums erreicht.

Forumsbeiträge

Weblinks

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