Benutzer Diskussion:Elcap/Kondensator (Elektrotechnik)/ReviewJan2007

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Dielektrische Absorption

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Die ungerichteten permanenten molekulare Dipole in einem Dielektrikum (oben) richten sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes aus (unten)
Exponentielle Relaxation einer Größe vom Ausgangswert zum Gleichgewichtswert im Fall .
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 [1]. 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 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. [2] 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. [3] [4] [5] [6]


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 % [7], 10 % [8]
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, [9] 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. [10] 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. [11]

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

Dielektrische Spektroskopie

Fußnoten und Einzelhinweise

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  1. K. Kundert, Modeling Dielectric Absorption in Capacitors [1]
  2. Elliot sound products, 2.1 - Dielectric Absorption [2]
  3. WIMA, Characteristics of Metallized Film Capacitors in Comparison with Other Dielectrics[3]
  4. Film Capacitors, TDK Epcos, General technical information [4]
  5. AVX, Dielectric Comparison Chart [5]
  6. Holystone, Capacitor Dielectric Comparison, Tecnical Note 3 [6]
  7. KEMET, POLYMER TANTALUM CHIP CAPACITORS [7]
  8. AVX, ANALYSIS OF SOLID TANTALUM CAPACITOR LEAKAGE CURRENT [8]
  9. National Semiconductors, Understand Capacitor Soakage to Optimize Analog Systems [9]
  10. Gefährdung durch Dielektrische Absorption (in Englisch)
  11. AVX, ANALYSIS OF SOLID TANTALUM CAPACITOR LEAKAGE CURRENT [10]
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

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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 




Dielectric foils: chemical names, their abbriviations, trade names and quantitative market share[1]
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



  1. Paumanok Publications, PCInewsletterOct2007cmp Paumanok Publications, Inc.