Basics - Bauteile - Kondensatoren

von AK, 19.11.04.

Status des Themas:
Es sind keine weiteren Antworten möglich.
  1. AK

    AK HCA Bass/Elektronik HCA

    Im Board seit:
    01.06.04
    Zuletzt hier:
    25.03.16
    Beiträge:
    1.508
    Ort:
    Burladingen
    Zustimmungen:
    125
    Kekse:
    13.267
    Erstellt: 19.11.04   #1
    Basics - Bass-Schaltungen - Bauteile

    Kondensatoren

    1. Funktionsweise
    1.1 Grundprinzip
    In seiner einfachsten Form besteht ein Kondensator aus zwei leitenden Platten, die sich in geringem Abstand gegenüber stehen. Zwischen den Platten befindet sich Luft oder ein anderes isolierendes Material. Dieses Material, sei es nun Luft oder z.B. Kunststoff wird Dielektrikum genannt.
    [​IMG]

    Bei Anlegen von Spannung baut sich zwischen den Platten ein elektrisches Feld auf, im ersten Moment fließt dabei ein großer Strom, so lange bis das Feld aufgebaut ist. Danach fließt kein Strom mehr und sprich davon, daß der Kondensator geladen ist er hat Ladung in Form von Elektronen gespeichert. Nimmt man nun die Spannungsquelle weg, bleibt diese Ladung im Kondensator gespeichert, theoretisch so lange bis sie abfließen kann. In der Realität ist es so, daß das Dielektrikum - die erwähnte Isolationsschicht - nicht ideal isoliert, d.h. immer etwas leitet und somit sich der Kondensator mit der Zeit selbst entlädt.
    Wieviel Ladung ein Kondensator speichern kann wird durch die Kapazität ausgedrückt - das ist auch der Wert der bei Kondensatoren angegeben wird.
    Die Kapazität wird durch die physikalischen Dimensionen des Kondensators bestimmt. Je größer die Fläche der Platten und je besser die Isolationsfähigkeiten des Dielektrikums sind, desto größer wird die Kapazität - kann man sich leicht vorstellen bei größerer Fläche baut sich ein größeres Feld auf und bei besserer Isolation kann sich das Feld besser halten.
    Ein weiterer Faktor ist der Plattenabstand - wird dieser größer muß das Feld eine "längere Strecke" überbrücken und hat es somit schwerer, d.h je kleiner der Abstand umso größer wird die Kapazität.
    Dafür gibt's auch eine Formel:

    C = ε0 * ε R * A / a

    Hier finden sich alle unsere einzelnen Faktoren wieder:

    ε0 ist die Dielektrizitätskonstante mit dem Wert 8,854 * 10-12 AS/Vm
    ε R ist die Dielektrizitätszahl und beschreibt wie gut ein Material isoliert, also je höher je besser
    A ist die Plattenfläche
    a ist der Plattenabstand

    Beim Einsatz von Kondensatoren muß man sich über solche Dinge natürlich weniger Gedanken machen. Die Hersteller nehmen einem die Arbeit ab und man kauft Kondensatoren einfach nach gewünschtem Wert.

    1.2 Verschaltung
    Beim Verschalten von Kondensatoren hilft uns das einfache Plattenmodel zu verstehen was im Einzelnen passiert.

    Reihenschaltung
    Wir stellen uns zwei der Plattenkondensatoren hintereinander vor. Die Fläche bleibt dieselbe, ebenso das Isoliermaterial - aber die Abstände vergrößern sich , wir haben ja nun zweimal den Abstand:
    [​IMG]


    Parallelschaltung
    Wieder denken wir an unsere Plattenkondensatoren. Der Abstand bleibt derselbe, ebenso das Isoliermaterial - aber die Fläche verdoppelt sich:
    [​IMG]


    1.3 Spannungsfestigkeit
    Neben der Kapazität, die wir ja bereits kennengelernt haben, gibt es noch einen weiteren wichtigen Faktor bei Kondensatoren. Wenn man an die Kondensatorplatten Spannung anlegt und diese immer größer macht, wird ein Punkt erreicht, wo das Feld so groß ist, das es zu einem Durchschlag kommt d.h. der Kondensator wird zum Kurzschluß und entlädt sich.
    Bei realen Kondensatoren hat dies meist eine Zerstörung zur Folge. Deshalb wird bei Kondensatoren immer eine sogenannte Nennspannung angegeben, die im Betrieb nicht überschritten werden darf.
    Angegeben wird dies für Gleich- und Wechselspannung.
    Ist nur ein Wert aufgedruckt gilt dieser für Gleichspannung in diesem Fall muß man schon Wissen, daß eine sinusförmige Wechselspannung mit z.B. 10V einen maximalen Wert von ca 15V erreichen kann.

    1.4 Betriebsarten des Kondensators
    Bei Gleichspannung:
    Wie schon beschrieben lädt sich ein Kondensator bei Gleichspannung auf und speichert seine Ladung. Diesen Effekt nutzen wir bei Baß-Schaltungen zur Stabilisierung von Gleichspannungen. Ein Kondensator parallel zu unserer Spannungsversorgung glättet die Spannung, unterdrückt Störungen und verhilft uns zu einem stabilen Betrieb der Schaltung.
    Man unterscheidet hier zwischen Glättung und Entstörung. Glättung wir mit sehr großen Kondensatoren realisiert vor allem in Netzteilen, Endstufen oder aber auch in unseren Effekten und Bässen zur Säuberung der Spannung nachdem sie z.B. über eine lange Zuleitung gelaufen ist.
    Zur Entstörung werden kleinere Kondensatoren eingesetzt um an verschiedenen Stellen in einer Schaltung Störeinflüsse zu unterdrücken.

    Bei Wechselspannung:
    Bei Betrieb mit Wechselspannung wirkt der Kondensator wie ein Widerstand, genauer gesagt wie ein frequenz-abhängiger Widerstand.
    Je höher die Frequenz ist, desto niedriger wird der Widerstand. Wir erinnern uns, daß bei Gleichspannung (das sind flapsig gesagt 0 Hz) nach der Aufladung kein Strom mehr fließt, d.h. der Kondensator hat einen sehr hohen Widerstand. Wird die Frequenz nur erhöht sinkt der Widerstand immer mehr und zwar nach folgender Formel:
    [​IMG]

    Es gibt vor allem zwei Anwendungen in Baß-Schaltungen. Zum einen werden Kondensatoren in Filtern eingesetzt, zum anderen als Koppelkondensatoren. In beiden Fällen wird der Kondensator als frequenz-abhängiger Widerstand betrieben. Im Fall des Filters um bestimmte Frequenzen besser passieren zu lassen als andere, im Fall des Koppelns nutzt man den Effekt das nur Wechselspannungen den Kondensator "passieren" können - Gleichspannungen nicht - das sind dann die Eingangs- und Ausgangskondensatoren an Baß-Schaltungen.
    Man kann nun auch - wie ich hoffe - verstehen, daß es schon darauf ankommt wie groß solche Koppelkondensatoren sind. Sind die Kapazitätswerte zu klein, dann werden niedrige Frequenzen schlechter durchgelassen, das kann vor allem für Baß-Signale fatale Folgen haben - man unterdrückt sozusagen die tiefen Frequenzen.
    Wenn man Gitarren-Schaltungen auf Baß adaptiert muß man vor allem solche Dinge berücksichtigen und gegebenenfalls anpassen.


    2. Technische Ausführung
    In der Realität werden Kondensatoren zwar auch nach dem Plattenprinzip gebaut, man versucht jedoch durch konstruktive Maßnahmen die Baugröße so klein als möglich zu gestalten. Die vorher beschriebenen Platten werden zu flachen leitenden Folien zwischen denen wiederum isolierende Folien liegen. Das Ganze wird dann noch aufgewickelt und es entstehen die bekannten kompakten Bauteile.
    [​IMG]

    Kondensatoren gibt es in sehr vielen verschiedenen Bauformen. Für Baß-Schaltungen kommen nur bestimmte Typen zum Einsatz, deshalb werden im Folgenden nur diese Ausführungen beschrieben.

    2.1 Kapazitätswerte und Kennzeichnung
    Die Kapazitätsangabe erfolgt in der Einheit Farad. Der technisch realisierbare Wertebereich erstreckt sich von 1pF bis zu einigen Milli-Farad.
    Das Farad ist eine recht große Einheit, und die meisten Kondensatoren sind um ein Vielfaches kleiner. Deshalb sind folgende Einheiten in Gebrauch:

    1 Millifarad = 1mF = 0,001 F = 1000 μF
    1 Mikrofarad = 1μF = 0,001 mF = 1000nF
    1 Nanofarad = 1nF = 0,001 μF = 1000pF
    1 Picofarad = 1pF = 0,001 nF


    Kondensatoren werden wie Widerstände nur in bestimmten Werten gefertigt. Es gibt sogenannte Normreihen aus denen sich diese Werte ableiten:
    E6: 1,0 - 1,5 - 2,2 - 3,3 - 4,7 - 6,8
    E12: 1,0 - 1,2 - 1,5 - 1,8 - 2,2 - 2,7 - 3,3 - 3,9 - 4,7 - 5,6 - 6,8 - 8,2
    E24: 1,0 - 1,1 - 1,2 - 1,3 - 1,5 - 1,6 - 1,8 - 2,0 - 2,2 - 2,4 - 2,7 - 3,0 -
    3,3 - 3,6 - 3,9 - 4,3 - 4,7 - 5,1 - 5,6 - 6,2 - 6,8 - 7,5 - 8,2 - 9,1

    Ausser dem gibt es noch die Reihen E48 und E96
    Je feiner die Reihe, desto genauer sind die Werte der Kondensatoren, d.h. die größte Toleranz eines Werte muß noch unterhalb der niedrigsten Toleranz des nächsten Wertes der Reihe liegen.

    Auf Kondensatoren haben sich Kennzeichnungsarten durchgesetzt:

    100nF, 0,22μF Komplette Angabe mit Wert und Einheit

    10p, 47n, 22μ nur der Wert, man geht davon aus, das jeder weiß, daß es sich um einen Kondensator handelt und verzichtet auf das F

    2n2, μ33 nur Wert, man benutzt das Kurzzeichen als Komma 2n2 =2,2nF
    μ33 = 0,33μF

    0.1, 0.022 absolute Sparversion! Man läßt alles außer dem Wert weg. In diesem Fall ist die Einheit μF.

    Weitere Abkürzungsform: 473, 271 für viele absolut verwirrend in diesem Fall ist die Einheit pF, die ersten beiden Ziffern stehen für den Wert, die dritte für die Anzahl der Nullen. 473 = 47000pF = 47nF oder 271 = 270pF.

    Für die Angabe der Spannungsfestigkeit gibt es folgende Kennzeichnung:

    63V-, 160V~ Angabe im Klartext
    25-, 63-, 160~ Angabe ohne Voltzeichen
    Farbtupfer z.B. braun =100V, rot =200V

    Kann man beim besten Willen keinen Wert identifizieren braucht man ein spezielles Kapazitäts-Meßgerät. Es gibt einige Mulitmeter die auch Kapazitätsmeßbereiche haben. Beim Kauf sollte man auf so was achten - diese Geräte sind zwar nicht besonders genau, reichen aber für den normalen Anwendungsfall völlig aus.
    Die Spannungsfestigkeit kann man nur sehr schlecht prüfen und man sollte wenn man nicht sicher ist den Kondensator lieber wegschmeißen.


    2.2 Keramik-Kondensatoren
    Bei Keramik-Kondensatoren ist das Dielektrum - wie könnte es anders sein - aus Keramikwerkstoffen. Es gibt keine Wicklung, sondern tatsächlich nur die "Platten" natürlich in sehr kleiner Bauform.
    Dadurch können nur sehr kleine Kapazitätswerte generiert werden 1pF bis ca. 100nF.
    Da diese Kondensatoren nicht besonders Frequenzstabil sind und auch recht hohe Verlustfaktoren haben (d.h. die gespeicherte Ladung geht relativ schnell verloren) werden sie vor allem für Koppelkondensatoren und Entstörkondensatoren eingesetzt.
    [​IMG]
    Verschiedene Keramikkondensatoren von 4.7pF nis 47nF


    2.3 Folien-Kondensatoren
    Folienkondensatoren gibt es vielen Varianten. Die leitenden Folien sind meist aus Metall die isolierenden aus Kunststoff oder Papier. Beispiele sind MKT, MKS, MKU, der letzt Buchstabe steht dabei für die Art des Kunststoffes. Häufig eingesetzt werden MKTs.
    Der Wertebereich liegt so zwischen 100pF und 10μF. Die gewickelten oder geschichteten Folien nehmen relativ viel Platz ein und größere Werte haben schon recht große Abmessungen. Vorteile sind geringe Verlustfaktoren und gute Temperaturstabilität. MKT-Kondensatoren sind sehr universell und können für fast alle Anwendungen eingesetzt werden.
    [​IMG]
    Verschiedene Folienkondensatoren MKS, MKT in den drei linken Spalten, dann Styroflex-Kondensatoren für extrem gutes Frequenzverhalten und ganz rechts ein Folienkondensator für 250V Netzspannung


    2.4 Elektrolyt-Kondensatoren
    Auch Elkos genannt handelt es sich um Kondensatoren, bei denen eine "Platte" aus leitender Elektrolyt-Flüssigkeit besteht, das Dielektrikum ist aus einer Metalloxidschicht die sich nur unter richtig gepolter Gleichspannung aufbauen kann. Mit dieser Bauart kann man sehr hohe Kapazitätswerte erreichen der Bereich liegt zwischen ca. 0,1μF und einigen mF. Die Hauptanwendung ist die Glättung von Spannungen. Man unterscheidet zwei Varianten der "normale" Elko ist gepolt d.h. er ist nur für Gleichspannung geeignet, die auch nur auf eine ganz bestimmte Art angeschaltet werden darf. Bei diesen Elkos sind die Plus- und Minuspole gekennzeichnet.
    Hier gilt entweder steht im Klartext + und/oder - an den Anschlüssen, oder es ist eine Markierung aufgedruckt - in diesem Fall ist immer der Minus-Pol markiert.
    Werden Elkos bei mehr als 2-3V verpolt d.h. falsch herum angeschlossen baut sich die Oxidschicht ab und das Elektrolyt erwärmt sich bis zur Explosion mit einem Knall und fürchterlichem Gestank. Also Vorsicht.
    Eine Ausnahme bietet der Einsatz als Koppelkondensator - hier kann auch ein Elko unter Berücksichtigung einiger Punkte (mehr als 2-3V haben gekoppelte Spannungen in der Regel nicht) eingesetzt werden.

    Eine zweite Variante ist der bipolare Elko - er kann für Wechselspannung eingesetzt werden, man braucht die Polung nicht zu beachten. Hauptanwendung sind Frequenzweichen
    [​IMG]
    Verschiedene Elkos, linke Spalte stehende Ausführungen von 1 bis 47μF, stehende Ausführungen in der rechte Spalte - und wie immer je größer die Kapazität oder je größer die Spannungsfestigkeit desto größer die Bauform


    2.5 Tantal-Kondensatoren
    Eine häufig in aktiven Baß-Elektroniken eingesetzter Typ ist der Tantal-Kondensator. Er hat ähnliche Eigenschaften wie der Elko ist also auch gepolt. Vorteile sind der sehr gute Verlustfaktor und eine sehr stabiles Frequenzverhalten, was ihn für Audio-Anwendungen empfiehlt.
    [​IMG]
    Verschiedene Tantalkondensatoren in Form von Perlen, man sieht die Kennzeichnung mit + und - ein anderer Hinweis ist der längere Pin er ist immer +

    Näheres zum Einsatz von Kondensatoren bei den Baß-Schaltungen
     
  2. AK

    AK Threadersteller HCA Bass/Elektronik HCA

    Im Board seit:
    01.06.04
    Zuletzt hier:
    25.03.16
    Beiträge:
    1.508
    Ort:
    Burladingen
    Zustimmungen:
    125
    Kekse:
    13.267
    Erstellt: 20.11.04   #2
    Noch ein kleiner Nachtrag zum Thema - die Funktionsbeschreibung des Kondensators wurde von mir teilweise stark vereinfacht dargestellt um auch weniger physikalisch und elektrotechnisch beschlagenen Menschen dieses Gebiet zu eröffnen.
    Ein Beispiel sei genannt - die Eigenschaften der für das Dielektrikum verwendeten Material beschränken sich nicht nur auf die isiolierende Wirkung, das ist nur die am offensichtlich verständlichste Facette. Dielektrika haben bedingt durch ihren molekularen Aufbau die Eigenschaft mittels Dipolen die Wirkung des Feldflusses zu verstärken.
    An die Physiker deshalb der Hinweis - nehmt das Ganze als den Versuch mit einfachen Mitteln einen Sachverhalt zu erklären. :)
     
Die Seite wird geladen...

Status des Themas:
Es sind keine weiteren Antworten möglich.
mapping