Benutzer Diskussion:Elcap/Kondensator (Elektrotechnik)/ReviewJan2007

Dielektrische Absorption

Die ungerichteten permanenten molekulare Dipole in einem Dielektrikum (oben) richten sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes aus (unten)

Exponentielle Relaxation einer Größe $f(t)$ vom Ausgangswert $f_{0}$ zum Gleichgewichtswert $f_{\infty }$ im Fall $f_{\infty }>f_{0}$.

Schaltungsmodell zur Erklärung eines zeitverzögerten Spannungsaufbaus durch parallel geschaltete RC-Zeitglieder

Die dielektrischen Absorption (lateinisch absorbere „absaugen, aufsaugen“) beschreibt die dielektrischen Eigenschaften eines Nichtleiters als Funktion der Frequenz. In elektronischen Schaltungen mit handelsüblichen Kondensatoren ist der Effekt einerseits für die dielektrischen Verluste bei Wechselspannungsbetrieb und andererseits für Fehlverhalten zeitbestimmender Schaltungsteile verantwortlich . Außerdem kann das Auftreten einer Spannung an einem Kondensator nach dem Abschalten und Entladen zur Gefährdung der Umwelt führen.

Die dielektrische Absorption tritt beim Anlegen einer Wechselspannung an einen Kondensator auf. Das zwischen den Elektroden entstehende elektrischen Wechselfeld richtet die ungeordneten permanenten elektrischen Dipole im Dielektrikum durch Polarisation zur jeweiligen Feldrichtung aus. Die Polarisation der Dipole hat dielektrische Verluste zur Folge und geht mit einer Erwärmung des Kondensators einher. Die dielektrische Absorption saugt bildlich gesehen die zur Polarisation benötigte Energie in sich auf. Dielektrische Absorption und dielektrische Verluste sind an sich synonym. Bei vielen Kondensatoren ist die dielektrische Absorption damit die wesentliche Quelle für elektrische Verluste und bestimmt – unter Vernachlässigung der Zuleitungsverluste - den Verlustfaktor, ESR oder Gütefaktor des Kondensators.

Diese Eigenschaften werden im niederfrequenten Bereich von ca. 0.01 Hz bis 100 MHz, in dem handelsübliche Kondensatoren gewöhnlich betrieben werden, bestimmt durch eine materialabhängige Relaxationszeitkonstante, die gegenüber dem Raumladungsprozess des Kondensators zu einer zeitlich verzögerten Ausrichtung der polarisierten permanenten molekularen Dipole im Dielektrikum führt. Diese Zeitkonstante ist Erklärung für die Frequenzabhängigkeit der relativen Permittivität $\varepsilon _{r}$ vieler Dielektrika für Kondensatoren. Da im genannten Frequenzbereich die Dipole überwiegend durch eine Orientierungspolarisation polarisiert werden, bei der die dielektrische Relaxation weitgehend mit der dielektrische Absorption übereinstimmt, wird die dielektrische Absorption auch oft dielektrische Relaxation genannt. Die materialabhängige Relaxationszeitkonstante bewirkt auch, dass nach einem vollständigen Entladen eines Kondensators eine materialabhängige Anzahl molekularer Dipole in Feldrichtung polarisiert sind, ohne dass zunächst noch eine Spannung an den Anschlüssen messbar ist. Die verbleibende Polarisation im Dielektrikum relaxiert allerdings im Laufe der Zeit spontan, wodurch dann an den Elektroden des Kondensators wieder eine Spannung in der Polarität der vorher angelegt gewesenen Spannung entsteht, sozusagen „nachgeladen“ wird. . In älteren Veröffentlichungen wird die dielektrische Absorption deshalb auch als Nachladeeffekt beschrieben.

Die Spannung durch den Nachladeeffekt baut sich langsam, ähnlich einer e-Funktion auf. Bis zum Entladen aller Dipole kann es materialabhängig Tage bis Wochen dauern. Die „nachgeladene“ Spannung kann sich bei den hohen Isolationswiderständen heute üblicher Kondensatordielektrika – auch bei „Elkos“ – monatelang halten. Das Entladen mit anschließender Nachladung lässt sich mehrfach wiederholen.

Das Messverfahren für für den Nachladeeffekt der dielektrische Absorption wird in DIN EN 60384-1 festgelegt: Der Kondensator wird 60 Minuten mit Nennspannung geladen, dann über einen 5  Ω Entladewiderstand 10 Sekunden lang entladen. Nach Entfernen des Entladewiderstandes wird nach einer 15 minütigen Erholungszeit die entstandene Spannung gemessen. Die Größe der durch die dielektrische Absorption entstehenden Spannung wird im Verhältnis zur ursprünglich angelegten Spannung in Prozent angegeben und hängt von dem verwendeten Dielektrikum ab. Sie wird bei vielen Herstellern in den Datenblättern spezifiziert.

Kondensatortyp	Dielektrische Absorption
Luft- und Vakuumkondensatoren	nicht messbar
Klasse-1-Keramikkondensatoren, NP0	0,6 %
Klasse-2- Keramikkondensatoren, X7R	2,5 %
Polypropylen-Folienkondensatoren (PP)	0,05 bis 0,1 %
Polyester-Folienkondensatoren (PET)	0,2 bis 0,5 %
Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren (PPS)	0,05 bis 0,1 %
Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren (PEN)	1,0 bis 1,2 %
Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten	2 bis 3 % , 10 %
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten	?
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten	etwa 10 bis 15 %
Doppelschichtkondensatoren	?

Bei den heute üblichen Kondensatoren hat dieser Effekt zwei Auswirkungen. Die durch die dielektrische Absorption entstehende Spannung an den Anschlüssen kann unter Umständen in der Funktion einer Schaltung zu Problemen führen. Bei empfindlichen Analogschaltungen wie beispielsweise Sample-and-Hold-Schaltungen, Integratoren, oder Messverstärkern kommen dann Klasse 1-Keramik- oder Polypropylen-Kondensatoren anstatt Klasse 2-Kerkos, Polyester-Folienkondensatoren oder Elkos zum Einsatz. In der überwiegenden Anzahl der meisten Schaltungen, insbesondere wenn die Kondensatoren zur Siebung unerwünschter Frequenzen eingesetzt werden, hat aber diese oft minimale elektrische Nachladespannung keine Auswirkungen auf die elektrische Funktion.

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten kann jedoch die durch den Nachladeeffekt entstehende Spannung für noch nicht eingebaute Bauelemente eine Gefährdung der Umwelt darstellen. Es können durch diese Spannung, die bei 400 V-Elkos durchaus 50 V betragen kann, beim Einbau in die Schaltung Schäden an Halbleitern oder Funkenbildung während des Einbaus verursacht werden. Größere Aluminium-Elektrolytkondensatoren, aber auch Hochspannungs- und Leistungskondensatoren, werden daher kurzgeschlossen transportiert bzw. geliefert.

Die zweite Auswirkung des Effektes der dielektrischen Absorption ist erst seit kurzem bekannt und ist auf die erheblich verbesserten Eigenschaften moderner Kondensatoren zurück zu führen. Bei der genaueren Betrachtung des zeitlichen Verlaufes des Reststromes von Tantal-Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten nach dem Anlegen einer Spannung konnte herausgefunden werden, dass der Strom auf einen Wert ansteigt, der größer als der eigentliche Reststrom ist. Die Differenz wird mit dem Energiebedarf erklärt, die benötigt wird, um die zeitlich verzögerte spontane Ausrichtung der molekularen Dipole im Dielektrikum der Feldrichtung anzupassen. Dieser Strom ist somit ein Teil des Reststromes, kann aber durch getrennte Betrachtungen von ihm getrennt werden.

Für Doppelschichtkondensatoren gibt es keine von Herstellern abgesicherte Werte zur Größe der dielektrische Absorption, deshalb kann in der obigen Tabelle kein Zahlenwert angegeben werden.

Siehe auch

Dielektrische Spektroskopie

Versuche

Stabilitätsklassen von Polypropylen-Folienkondensatoren mit Metallbelägen nach IEC/EN 60384-13

Stabilitäts- klasse	Temperaturkoeffizient (α) und Toleranz in ppm pro Grad Kelvin 10-6/K					Zulässige Änderung der Kapazität Obere Kategorietemperatur
	-80	-100	-125	-160	-250	85 °C	100 °C
1	±40	±50	±60	±80	±120	±(0.5 %+0.5 pF)	±(1 %+0.5 pF)
2	-	±100	±125	±160	±250	±(1 %+1 pF)	±(1 %+1 pF)
3	-	-	-	±160	±250	±(2 %+2 pF)	±(5 %+2 pF)

Diese Tabelle gilt nur für Kapazitätswerte größer als 50 pF

Stability classes of polypropylene film/foil capacitors referring to IEC/EN 60384-13

Stability class	Temperature coefficient (α) and tolerance in parts per million per degree Kelvin 10-6/K					Permissible change of capacitance Upper category temperature
	-80	-100	-125	-160	-250	85 °C	100 °C
1	±40	±50	±60	±80	±120	±(0.5 %+0.5 pF)	±(1 %+0.5 pF)
2	-	±100	±125	±160	±250	±(1 %+1 pF)	±(1 %+1 pF)
3	-	-	-	±160	±250	±(2 %+2 pF)	±(5 %+2 pF)

Class 1-ceramic capacitors
Some temperature coefficients α, α tolerances
and letter codes for α
referring to IEC/EN 60384-8/21 and EIA-RS-198

Ceramic names	Temperature coeffizient α 10−6 /K	α-Tolerance 10−6 /K	Sub- class	IEC/ EN- letter code	EIA letter code
P100	100	±30	1B	AG	M7G
NP0	0	±30	1B	CG	C0G
N33	−33	±30	1B	HG	H2G
N75	−75	±30	1B	LG	L2G
N150	−150	±60	1B	PH	P2H
N220	−220	±60	1B	RH	R2H
N330	−330	±60	1B	SH	S2H
N470	-470	±60	1B	TH	T2H
N750	−750	±120	1B	UJ	U2J
N1000	−1000	±250	1F	QK	Q3K
N1500	−1500	±250	1F	VK	P3K

Verlustwinkel

Ersatzschaltbild eines Kondensators bei höherer Frequenz (oben); Darstellung der zugehörigen Impedanz und des Verlustwinkels δ als Zeigerdiagramm in der komplexen Ebene (unten)

Dies ist ein Versuch 

• Basics of film capacitors
• 
  Film/foil and metallized construction principles of film capacitors
• 
  Construction principle of plastic film capacitors
• 
  Flatted winding of a film capacitor with the view onto the collateral metal contact layer (schoopage) and the soldered terminals

• Basics of film capacitors
• 
  Film/foil and metallized construction principles of film capacitors
• 
  Construction principle of plastic film capacitors
• 
  Flatted winding of a film capacitor with the view onto the collateral metal contact layer (schoopage) and the soldered terminals

• Different styles of film capacitors for general purpose and industrial applications
• 
  SMD style for PCB surface mounting
• 
  Axial style for small high mounting
• 
  Radial style (single ended) for solder mounting on PCB’s with standardized pitches
• 
  Film capacitors with broader and larger terminals for "snubber" applications with high pulse loads

• Power film capacitors with screw terminals for applications in power systems, electrical installations and plants
• 
  Power snubber capacitor with screw terminals
• 
  Power film capacitor for power factor control AC application
• 
  Power film capacitor in cubic housing

Dielectric foils: chemical names, their abbriviations, trade names and quantitative market share

Dielectric foil	Abbriviation	Trade name	Market share
Polypropylene	PP	Treofan®	~50 %
Polyethylen terephthalate, Polyester	PET	Hostaphan®, Mylar®	~40 %
Polyphenylene sulfide	PPS	Torelina®	~3 %
Polyethylen naphthalate	PEN	Kaladex®	~1 %
Polytetrafluoroethylene	PTFE	Teflon®	~1 %
Polystyrene	PS	Styroflex	~1 %
Polycarbonate	PC	Makrofol®	~1 %
Paper	MP	-	~3 %

Characteristics of plastic film materials for film capacitors

		Film material, short names
Film caracteristics		PET	PEN	PPS	PP
Relative permittivity at 1 kHz		3,3	3,0	3,0	2,2
Min. film thickness (µm)		0,7	0,9	1,2	3,0
moisture absorption (%)		low	0,4	0,05	<0,1
Dielectric strength (V/µm)		580	500 (?)	470	650
DC voltage range (V)		50…1000	16…250	16…100	40…2000
capacitance range		100 pF…22 µF	100 pF…1 µF	100 pF…0,47 µF	100 pF…10 µF
Application temperature range (°C)		-55…+125 /+150	-55…+150	-55…+150	-55…+105
ΔC/C versus temperature range (%)		±5	±5	±1,5	±2,5
Dissipation factor (•10-4)
	at 1 kHz	50…100	42…80	2…15	1…5
	at 10 kHz	110…150	54…150	2,5…25	2…8
	at 100 kHz	170…300	120…300	12…60	2…25
	at 1 MHz	200…350	–	18…70	4…40
Time constant RIso•C (s)	at 25 °C	≥10000	≥10000	≥10000	≥100000
	at 85 °C	1.000	1.000	1.000	10.000
Dielectric absorption ( %)		0,2…0,5	1…1,2	0,05…0,1	0,01…0,1
specific capacitance (nF•V/mm3)		400	250	140	50

Overview about the standards of film capacitors

Standard number	Film short name	Capacitor construction	Terminals	Voltage	Standard description
IEC/EN 60384-2	PET	metallized	leaded	DC	Fixed metallized polyethylene-terephthalate film dielectric d.c. capacitors
IEC/EN 60384-11	PET	film/foil	leaded	DC	Fixed polyethylene-terephthalate film dielectric metal foil d.c. capacitors
IEC/EN 60384-13	PP	film/foil	leaded	DC	Fixed polypropylene film dielectric metal foil d.c. capacitors
IEC/EN 60384-16	PP	metallized	leaded	DC	Fixed metallized polypropylene film dielectric d.c. capacitors
IEC/EN 60384-17	PP	metallized	leaded	AC	Fixed metallized polypropylene film dielectric a.c. and pulse
IEC/EN 60384-19	PET	metallized	SMD	DC	Fixed metallized polyethylene-terephthalate film dielectric surface mount d.c. capacitors
IEC/EN 60384-20	PP	metallized	SMD	DC	Fixed metalized polyphenylene sulfide film dielectric surface mount d.c. capacitors
IEC/EN 60384-23	PEN	metallized	SMD	DC	Fixed metallized polyethylene naphthalate film dielectric chip d.c. capacitors

Overview of the abbriviations for film capacitors

Dielectric	Chemical abbrivation	Film capacitor abbriviation
		film/foil construction	Metallized construction
Papier	(P)	–	(MP)
Polyethylen terephthalate, Polyester	PET	(F)KT	MKT; MKS
Polyethylen naphtalate	PEN	(F)KN	MKN
Polyphenylene sulfide	PPS	(F)KI	MKI
Polypropylene	PP	(F)KP	MKP
Polytetrafluoroethylene	PTFE	–	–
Polystyrene	PS	KS
Polycarbonate	PC	(F)KC	MKC