Kondensatoren leicht gemacht auf Hackaday-Art

Nov 03, 2023

Wenn Sie regelmäßig elektronische Schaltkreise bauen, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass Sie schon oft Kondensatoren verwendet haben. Sie sind zusammen mit dem Widerstand eine Standardkomponente, deren Werte ohne Bedenken von der Stange genommen werden. Wir verwenden sie zur Glättung und Entkopplung der Stromversorgung, zur DC-Blockierung, für Zeitschaltkreise und viele weitere Anwendungen.

Beginnen Sie am besten mit den Grundlagen und beschreiben Sie die Kapazität zunächst einmal, bevor Sie sich echte Kondensatoren ansehen. Ein idealer Kondensator besteht aus zwei leitenden Platten, die durch ein nicht leitendes Dielektrikum getrennt sind. Auf den Platten kann sich Ladung ansammeln, aber aufgrund der isolierenden Beschaffenheit des Dielektrikums kann sie nicht zwischen ihnen fließen. Somit kann der Kondensator die Ladung speichern.

Die Kapazität wird in Farad gemessen: Ein Ein-Farad-Kondensator hält eine Spannung von einem Volt aufrecht, wenn er eine Ladung von Coulomb enthält. Ein Farad hat, wie so viele SI-Einheiten, eine eher unpraktische Größe. Außerhalb des engen Bereichs der Superkondensatoren, die den Rahmen dieses Artikels sprengen würden, ist es daher wahrscheinlicher, dass Sie auf Mikro-, Nano- oder Pikofarad stoßen. Sie können die Kapazität eines beliebigen Kondensators aus seinen Abmessungen und den Eigenschaften seines Dielektrikums mithilfe einer Formel ableiten, für die es sich bei Interesse wahrscheinlich lohnt, sie an Wikipedia zu senden. Sie müssen es nicht auswendig lernen, es sei denn, Sie lernen für eine Physikprüfung an der High School, aber es verbirgt einen wichtigen Punkt, den Sie mitnehmen sollten. Die Kapazität ist proportional zur Dielektrizitätskonstante εr des verwendeten Dielektrikums, was zu einer Vielzahl kommerziell erhältlicher Kondensatoren geführt hat, die unterschiedliche dielektrische Materialien verwenden, um höhere Kapazitätsbereiche oder bessere Spannungsverarbeitungseigenschaften zu erreichen.

Die Verwendung dielektrischer Materialien in einem Kondensator ist mit einem Haken verbunden, und neben den wünschenswerten Eigenschaften eines Dielektrikums gibt es auch eine Reihe störender Nebenwirkungen. Alle realen Kondensatoren haben interne parasitäre Widerstände und Induktivitäten, und obwohl sie winzig sind, können sie manchmal Auswirkungen auf den Betrieb des Kondensators haben. Die Dielektrizitätskonstanten können je nach Temperatur oder Spannung, Piezoelektrizität oder Rauschen variieren. Verschiedene Arten von Kondensatoren können besorgniserregende Fehlerarten aufweisen oder einfach nur unglaublich teuer sein. Und so kommen wir zum Hauptteil dieses Artikels, dem Abschnitt, in dem wir Sie durch einige der Kondensatortypen führen, denen Sie möglicherweise begegnen, und Ihnen ihre verschiedenen guten und schlechten Eigenschaften erläutern. Wir erheben nicht den Anspruch, alle möglichen Kondensatortechnologien abzudecken, gehen jedoch die gängigen Kondensatortechnologien durch und untersuchen alle Untertypen, die Sie möglicherweise finden.

Praktische Elektrolytkondensatoren haben die Form eines Aluminiumfolien-Sandwichs, das zu einem Zylinder gerollt und in einer Aluminiumdose untergebracht ist. Sie haben eine angegebene Betriebsspannung, die von der Tiefe der Eloxalschicht abhängt.

Elektrolytkondensatoren haben die höchste Kapazität aller im normalen Gebrauch vorkommenden Typen und liegen zwischen etwa 0,1 und mehreren tausend µF. Aufgrund der eng gewickelten elektrochemischen Zelle weisen sie eine hohe äquivalente Serieninduktivität auf und sind daher nicht für den Einsatz bei hohen Frequenzen geeignet. Typischerweise werden sie zur Glättung und Entkopplung der Stromversorgung sowie zur Kopplung bei Audiofrequenzen verwendet.

Tantalkondensatoren sind mit Werten von etwa 0,1 bis mehreren hundert µF erhältlich. Sie haben einen viel geringeren Leckwiderstand und einen äquivalenten Serienwiderstand als ihre Aluminium-Gegenstücke, sodass Sie sie in der Test- und Messtechnik, im High-End-Audiobereich und in anderen Anwendungen finden, bei denen diese Eigenschaften vorteilhaft sind.

Bei Tantal-Kondensatoren muss man auf einen Fehlermodus achten, denn sie haben den Ruf, Feuer zu fangen. Amorphes Tantaloxid ist ein gutes Dielektrikum, während die kristalline Form von Tantaloxid ein guter Leiter ist. Eine unsachgemäße Behandlung eines Tantalkondensators, indem beispielsweise zu viel Einschaltstrom an ihn angelegt wird, kann dazu führen, dass sich das Dielektrikum von einer Form in die andere ändert, was zu einem enormen Anstieg des Stroms durch den Kondensator führt. Glücklicherweise sind jedoch nicht alle Nachrichten schlecht, denn der Ruf, Brände zu verursachen, geht auf eine viel frühere Generation von Tantalkondensatoren zurück, und verbesserte Herstellungstechniken haben zu einem viel zuverlässigeren Produkt geführt.

Polypropylen Kondensatoren werden in Schaltkreisen eingesetzt, die eine gute Temperatur- und Frequenzstabilität erfordern. Sie finden sie auch in Netzunterdrückungs- und anderen Stromkreisen in speziell ausgelegten Versionen für den Hochspannungs-Wechselstrom-Einsatz.

Polyester Kondensatoren verfügen nicht über die Temperatur- und Frequenzeigenschaften von Polypropylen, sind jedoch kostengünstig und halten den erhöhten Temperaturen beim SMD-Löten stand. Daher werden sie als Allzweckkondensatoren in unkritischen Anwendungen eingesetzt.

PolyethylennaphthalatKondensatoren haben wiederum keine stabilen Temperatur- und Frequenzeigenschaften, können aber viel höheren Temperaturen und Spannungen standhalten als Polyester.

PolyphenylensulfidKondensatoren verfügen über die gleiche Temperatur- und Frequenzstabilität wie Polypropylen und können außerdem hohen Temperaturen standhalten.

Möglicherweise stoßen Sie auch daraufPolycarbonatUndPolystyrolKondensatoren in älteren Geräten, diese beiden Dielektrika werden heute jedoch nicht mehr häufig verwendet.

Bei der Betrachtung von Keramikkondensatoren ist es am besten, sie anhand des verwendeten keramischen Dielektrikums zu betrachten, da sie von diesem ihre Eigenschaften ableiten. Keramische Dielektrika werden mit einem dreibuchstabigen Code klassifiziert, der ihren Temperaturbereich und ihre Temperaturstabilität angibt. Anhand dieser Codes beziehen wir uns hier auf die gebräuchlichsten.

C0G Dielektrika weisen die beste Kapazitätsstabilität in Bezug auf Temperatur, Frequenz und Spannung auf. Sie finden C0G-Kondensatoren, die in resonanten Hochfrequenz- und anderen Hochleistungsschaltungen verwendet werden.

X7R Dielektrika weisen nicht die Temperatur- oder Spannungseigenschaften von COG auf und werden daher in weniger kritischen Anwendungen eingesetzt. Typischerweise werden sie zur Entkopplung und für allgemeine Anwendungen verwendet.

Y5V Dielektrika ergeben eine viel höhere Kapazität als X7R, jedoch mit schlechteren Temperatureigenschaften und einer niedrigeren Maximalspannung. Sie finden sie wie X7R in Allzweck- und Entkopplungsschaltungen.

Da Keramik oft auch piezoelektrisch ist, weisen einige Keramikkondensatoren auch Mikrofonie auf. Wenn Sie mit hohen Spannungen und hörbaren Frequenzen arbeiten, beispielsweise in der Welt der Röhrenverstärker oder der Elektrostatik, können Sie diesen Effekt manchmal in Aktion hören, da ein Kondensator „singen“ kann. Wenn Sie einen piezoelektrischen Kondensator verwenden, um für Frequenzstabilität zu sorgen, stellen Sie möglicherweise fest, dass dieser durch die Vibration seiner Umgebung moduliert wird.

Wie bereits erwähnt, versucht dieser Artikel nicht, alle Kondensatortechnologien abzudecken. Ein kurzer Blick in einen Katalog für elektronische Verbrauchsmaterialien zeigt Ihnen einige Technologien, die hier nicht erwähnt werden, und es gibt zahlreiche andere, die veraltet sind oder deren Nische so klein ist, dass Sie sie selten sehen werden. Stattdessen hoffen wir, dass wir einige der gängigen Typen, die Sie möglicherweise sehen, entmystifiziert haben und Ihnen bei der Auswahl bei der Erstellung Ihrer eigenen Designs behilflich sind. Wenn wir Ihren Appetit auf weitere Komponentenübersichten geweckt haben, können wir Sie vielleicht auf unseren Artikel über Induktoren aufmerksam machen.