Nachdem die Widerstände und viel allgemeines Zeug abgehandelt wurden, möchte ich mit den Bauteilen weiterfahren. Und da haben wir uns ja bereits über die Kondensatoren unterhalten
http://damp.byethost33.com/include.php?p...readid=523
ab Beitrag 6 bis 24.
Weiter möchte ich mal auf folgende Seiten verweisen:
http://www.hifi-forum.de/index.php?actio...&thread=78
und
http://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator...rotechnik)
In unseren Beiträgen sind einige Probleme angesprochen worden und auch bei Wikipedia sind diese aufgelistet. Die generelle Frage ist aber, wie stark sind solche Auswirkungen. Und wie lassen sie sich verhindern.
Generell muss man eine Unterscheidung in vier Bereiche treffen.
Da gibt es einmal die Hochfrequenzschaltungen, bei welchen kleine Kondensatoren verwendet werden, welche über ein Dielektrikum verfügen müssen, das bei den vorhandenen hohen Frequenzen geringe Verluste aufweist. Da dies im NF-Bereich kein Thema ist, möchte ich darauf nicht näher eingehen.
Dann gibt es den Bereich der Stromversorgung. Dies ist das klassische Einsatzgebiet der Elkos (Elektrolytkondensator). Sie zeichnen sich bekanntlich durch eine im Verhältnis zur Baugrösse hohe Kapazität aus.
Neben den üblichen Bauformen für Netzteile gibt es noch Sonderformen, etwa solche mit glatter Folie oder bipolare Ausführungen, welche in Lautsprecherweichen und teils auch in Verstärkerschaltungen eingesetzt werden.
Die dritte Gruppe sind Kondensatoren, welche zur Gleichspannungsabtrennung eingesetzt sind und viertens jene in
Filterkonstruktionen.
Und wie wir erfahren haben werden Kondensatoren auch als Beschleunigungssensoren eingesetzt oder in Sonderformen als ?Schwinger?.
Bleiben wir kurz bei letzterem, so ist der Schwingquarz bekannt. Und auf ähnlicher Basis existieren Keramik-Resonatoren. Diese sind z.B. als Bandfilter in Empfangsgeräten im Einstz, können aber auch einen Schwingquarz ersetzen, etwa in sog. HF-Kondensatormikrofonen (Sennheiser). Da wird die Piezoeigenschaft bestimmter Keramikmaterialien ausgenützt. Werden Keramikkondensatoren aber in normalen Schaltungen eingesetzt, wird man mit Sicherheit nicht solche Piezodinger verwenden. Der früher mal gemachte Hinweis auf die Piezo-Eigenschaft sehe ich daher nicht als für uns relevant an, sondern es wäre ein Griff in die falsche Schublade, wenn wir sowas verbauen würden.
Ebenso werden wir keine Beschleunigungssensoren einsetzen. Wenn die Kondensatorplatten fest sind, sich also nicht bewegen lassen, müssten unerhörte Beschleunigungen auf den Kondensator einwirken, bis sich da eine Kapazitätsänderung einstellt. Auch dies ist im normalen Audio-Alltag kein Thema. Ich verweise an dieser Stelle mal auf die Kriegs-Panzer. Wenn diese so richtig durchs Gelände abseits befestigter Strassen brettern, so sind schon recht kräftige Erschütterungen zu verzeichnen. Gleichzeitig muss aber das Geschützrohr ruhig gehalte werden, denn der Panzer muss auch während voller Fahrt mit recht hoher Treffsicherheit schiessen können. Und dazu ist Elektronik im Spiel, die nicht durch ?beschleunigungssensierende? Kondensatoren ins Abseits geht.
Oder die elektronische Zündung und die Motorelektronik eines Rallye-Fahrzeuges. Da ist doch das bisschen mögliches Gewackel eines Kondensators in einem Verstärker mehr als nur vernachlässigbar.
Also, niemand behauptet, dass es einen Piezoeffekt bei Keramikkondensatoren nicht geben könnte, sondern nur, dass er nicht bei allen Keramikmaterialien auftritt und daher bei richtiger Auswahl für uns unerheblich ist. Und ebenso sind Kapazitätsänderungen bei Kondensatoren durch eine Beschleunigung bei den üblichen Konstruktionen zu gering, um irgendwie in Erscheinung zu treten.
Jetzt nehmen wir die Kondensatoren unter die Lupe, welche in Filtern eingesetzt werden.
Ein Filter besteht im Audiobereich meist aus Kondensator und Widerstand. Wir wissen, dass an einem Widerstand Spannung und Strom in Phase sind, bei einem Kondensator aber eine Phasenverschiebung entsteht. Diese ist im Idealfall 90 Grad. Und dies ist dann der Fall, wenn der Kondensator keine Verluste aufweist, also kein Widerstand in Reihe oder parallel liegt.
Wie bereits beim HF-Einsatz erwähnt hängt die Tauglichkeit stark vom Dielektrikum ab, so auch hier. Ein Elko wäre in einem Filter sicher ungeeignet und wird nur dann verwendet (Lautsprecherweiche), wenn die hohe Kapazität kein anderes Bauteil ermöglicht.
Aber zurück zum Filter:
Ich habe die Phasenverschiebung angesprochen. Und es ist logisch, dass es bei einer Kombination von R und C zu einer Reduktion dieser Phasenschiebung kommt. Bei einer Parallelschaltung hat R keinen Einfluss, wenn er unendlich ist, bei einer Serieschaltung, wenn er Null Ohm beträgt. Und den grössten Einfluss hat R, wenn er gleich Xc (Scheinwiderstand) ist. Und da Xc ja frequenzabhängig ist, gibt es folglich am Filter eine Frequenz, wo sich R und C am stärksten auswirken, also dann wenn Xc und R gleich gross sind, was der Grenzfrequenz entspricht oder einer Phasendrehung von 45 Grad oder einem Pegelabfall von 3dB (ist alles das Selbe).
Haben wir es mit hochohmigen Schaltungen und relativ hohen Frequenzen zu tun, wird C entsprechend klein. Und da verwendet man gerne Keramik-Röhrchenkondensatoren. Diese sind zwar von der Bauweise unpraktisch, bieten aber ausgezeichnete Eigenschaften, vergleichbar mit Glimmerkondensatoren. Dabei ist natürlich noch der Temperaturgang zu beachten, denn Präzision bedeutet geringste Verluste, damit die Phasenschiebung auch wirklich eingehalten wird, aber auch gleichbleibende Eigenschaften über den ganzen Frequenzbereich als auch Einhaltung der Daten überTemperatur und Zeit. Dies lässt sich auch mit Polystyrolkondensatoren (Styrofle
erreichen. Sind ?nur? Frequenzen im analogen Audiobereich betroffen, also gute 20 kHz, erreicht man die selben Resultate auch mit Folienkondensatoren, wobei die Unterschiede der verschiedenen Folien in der Praxis kaum ins Gewicht fallen.
Haben wir es mit Schaltungen zu tun, bei welchen der Kondensator lediglich die Gleichspannung abtrennt, so ist die Sache relativ unkritisch.
Nehmen wir einmal an, wir müssten so einen Kondensator berechnen, so müssen wir erst mal die Grenzfrequenz festlegen, bezw. Die zulässige Pegelabsenkung bei einer bestimmten Frequenz. Nehmen wir 20Hz und 0,5dB Abfall, so ergibt dies eine Grenzfrequenz (auf ?3dB bezogen) von 7Hz. Wir müssen also ein Xc einsetzten, das bei diesen 7 Hz gleich gross ist wie die Summe des Ri der vergehenden Schaltung und des Re der nachfolgenden.
Jetzt betrachten wir mal Verlusteinflüsse. Solche Verluste können wie erwähnt im Dielektrikum entstehen und würden sich quasi als Parallelwiderstand zum Kondensator äussern. Oder es könnte Probleme mit den Anschlüssen sein, dann wären dies Seriewiderstände.
Wenn wir das bei einem Filter betrachten, wo R und Xc irgendwann gleich gross sind, hätten Verluste von über 1% einen Einfluss. Sie würden die Güte eines Filters verringern und damit bei bestimmten Schaltungen Auswirkungen haben. Im NF-Bereich werden wir aber normalerweise keine Filter hoher Güte einsetzen und damit ist die Problematik relativ nebensächlich. Und wenn es sich um einen Koppelkondensator handelt, ist der Einfluss eines Verlustes durch das Dielektrikum verschwindend. Hätten wir einen Verlust von 1% und ein Xc von 10k bei 7Hz, so wäre der Verlustwiderstand des Dielektrikums 1M, aber Xc wäre bei 20Hz nur noch 3,5k. Die 1M würden da also kaum etwas ausmachen. Und wenn, so würde die Leitfähigkeit des Kondensators bei tiefen Frequenzen verbessert, was uns eher entgegen kommt als dass es stört.
Jetzt steht bei Wikipedia noch von Unlinearität, also Klirr eines Kondensators. Und zwar in dem Sinne, dass sich die Kapazität aus einer Dielektrikums-Konstante bildet (mit Plattengrösse und ?Abstand), welche je nach anliegender Spannung unterschiedlich ist.
Nehmen wir einen Widerstand und einen Kondensator, beide in Reihe, so liegt sicher am Widerstand eine Spannung an, welche eine Folge der Spannung der vorhergehenden Stufe ist und eine Folge des Eingangswiderstandes der nachfolgenden Stufe. Und am Kondensator liegt ebenfalls eine Spannung an, welche von C und der Frequenz abhängt. Und bei der Grenzfrequenz (7Hz) wären beide Spannungen gleich gross.
Wir hören aber keine Musik mit 7 Hz, sondern z.B. mit 20Hz. Und das bedeutet, dass die Spannung über C wesentlich kleiner geworden ist.
Entstände jetzt ein Klirr an diesem Kondensator von 1%, die Spannung an ihm wäre aber nur 4% dessen, was die vorherige Stufe liefert, so wäre der messbare Klirr nach dem Kondensator auch nur noch 4% von 1% = 0,04%. Und das bei 20Hz, mit steigender Frequenz abnehmend.
Nehmen wir nochmals den Fall des Filters an, dann könnte der Klirr tatsächlich im Maximum 0,7% erreichen, wenn wir diese Vorgaben annehmen.
Verfolgen wir mal die Spuren bei Wikipedia, so steht da, dass die Unlinearität von der Spannung und vom Material des Dielektrikums abhängig ist, Grössenordnungen sind aber nicht angegeben.
Und wenn man die Angaben eines Herstellers betrachtet, so gibt es da Angaben, wie gross der Temperaturgang eines MKT-Kondensators ist, oder wie stark sich die Kapazität als Folge der angelegten Frequenz ändert, aber nicht, wie stark sich die Kapazität als Folge der Spannung ändert oder welche Kapazitätsänderungen als Folge einer Beschleunugung zu registrieren sind.
Da eine Temperaturänderung von 10 Grad eine Kapazitätsänderung von 0,7% ergibt und dies angegeben wird, muss man beim Fehlen solcher Angaben davon ausgehen, dass eine Beschleunigung im normalen Rahmen (wie bei einer Baumaschine oder einem Panzer) Kapazitätsänderungen unter 0,1% erzeugen werden und Spannungsänderungen in der Grössenordnung von 80% der zulässigen Betriebsspannung ebenfalls Kapazitätsänderungen in dieser Grössenordnung von <0,1% verursachen werden.
Oder anders gesagt, wenn es nennenswerte Änderungen gäbe, so müsste man deren Auswirkung im Auge behalten und würde folglich Anhaltspunkte von den Herstellern verlangen. Sind aber keine Herstellerangaben vorhanden, können die Auswirkungen nicht gravierend sein.
Wenn ich also die Kapazitätsänderung bei Folienkondensatoren als Folge der Betriebsspannung betrachte oder jene als Folge der Beschleunigung, so werden diese unter jener der Temperatur oder der angelegten Frequenz liegen und beide sind bei unter 1%.
Und aus einer Kapazitätsänderung von 1% einen Klirr konstruieren zu wollen, ist gerade mal bei der Grenzfrequenz eine Überlegung wert, wäre also bei Filtern diskutabel. Nur kann ich tun und lassen was ich will, ich komme bei Filtern nicht um den Kondensator herum, wie es schon seit eh und je ist.
Bei Koppelkondensatoren würde aber daraus ein deutlich kleinerer Klirr entstehen, weil er ja nur im Bereich der Grenzfrequenz entscheidens werden könnte. Und bisher wurden bei Messungen keine Klirrwerte gemessen, die sich mit vernünftiger Sicherheit hätten den Kondensatoren zuordnen lassen.
Bleibt also noch der Bereich der Stromversorgung.
Dazu erst mal die Idee, kleine Kondensatoren parallel zu grossen zu schalten.
Angenommen, wir haben mit dem Netzteil ein HF-Gerät nennenswerter Leistung zu versorgen, so ist verständlich, dass sich Rückwirkungen ergeben können. Und Elkos sind im HF-Bereich nun alles andere als niederohmig. Da macht es Sinn, kleinere, schnellere Kondensatoren parallel zu schalten ABER:
Diese Kondensatoren werden nicht parallel zum Elko geschaltet, sondern parallel zum Verbraucher. Der Kondenstor ist also an der Röhrenfassung oder beim Leistungstransistor und nicht irgendwo an einer langen Leitung.
Das Parallelschalten bringt nämlich zunächst nichts. Zwei gleichartige Kondensatoren unterschiedlicher Kapazität laden nicht schneller oder langsamer. Dies liegt allenfalls in der unhterschiedlichen Konstruktion begründet. Und wenn der kleine schneller ist, so gibt er laufend seine Ladung an den grösseren ab. Nur wenn man dem Grösseren eine Zuleitungs-Induktivität verpasst, kann man die beiden Dinger entkoppeln. Und bei der Montage am Röhrensockel ergibt die längere Zuleitung zum Netzteil allein schon eine induktive Verzögerung.
Es macht also bei Hochfrequenz (auch Digitalschaltungen) Sinn, die Speisung abzublocken (Kapazitäten unter dem IC-Sockel). Es macht aber so gut wie keinen Sinn, parallel zu einem Elko in einer NF-Schaltung (inkl. Netzelkos) einen kleinen Kondensator hin zu pappen. Und es ist auch Unsinn, eine Kapazität von z.B. 100nF aus 10 x 10nF aufzubauen in der Überlegung, dass die Ladung schneller erfolge.
Und genau so ist es Unsinn, riesige Elkos in die Stromversorgung einer Endstufe zu packen.
Es gibt nämlich eine ganz einfache Rechnung. Ich muss wissen, wie hoch die Speisung an der Endstufe im Maximum sein soll und wie weit sie absinken darf. Dann muss ich wissen, wie hoch der maximale Laststrom sein kann.
Und genau da fängt schon mal das Geschwurbel an. Da ist die Rede von riesiger Stromlieferfähigkeit. Aber rechnen wir mal nach:
Wir haben eine Last von 3 Ohm oder grösser. Und wir haben eine Speisung von +/-30V. Da kann also im Maximum ein Strom von +/- 10A fliessen. Da braucht es keine Sprüche von Netzteil könnte 20A und mehr, wenn nach Ohm und A. Riese nur 10A möglich sind.
Und rechnen wir weiter. Die tiefste Frequenz, die wir aus der Endstufe entnehmen können ist DC. Und nehmen wir an, an den Transistoren müsste keine Spannung abfallen. Und nehmen wir weiter an, dass die 30V Speisung das Minimum wären, das wir da bekommen und wollen.
Das bedeutet also, dass bei einer Belastung mit 10A der Elko vom Maximum bis auf die 30V entladen wird.
Jetzt legen wir noch das Maximum mit 36V fest. Wir haben also eine Brummspannung von 6V bei einem Ladezyklus von 10mS und einem Strom von 10A. Dies ergibt 16'667 Mikrofarad.
Wenn wir den Kondensator grösser machen, reduziert sich der Spannungsabfall theoretisch. Und da der Elko nur geladen wird, wenn die Trafospannung höher ist als die Elkospannung, ist dies bei einem kleineren Spannungsabfall später. Also verringert sich die Ladezeit. Da jetzt in kürzerer Ladezeit die gleiche Leistung zugeführt werden muss, muss ich die Leistung in jedem Ladezyklus erhöhen. Also muss theoretisch der Trafo einen doppelt so hohen Strom liefern können, die Dioden müssen das verkraften und die Ladepeaks am Elko werden wesentlich grösser.
Wenn man das mit idealen Bauteilen durchrechnet ist man recht bald an dem Punkt, wo die Netzzuleitung mit ihrer Induktivität den Strom begrenzt. Und wenn der Strom begrenzt wird, ist die Nachladung in der kurzen Zeit nicht mehr möglich und folglich kann der Elko nicht auf den Scheitelwert geladen werden und die maximale Spannung von 36V wird nicht erreicht.
Oder der Elko explodiert, weil er Ladeströme bekommt, die über jenem Wert liegen welche der Hersteller maximal zu lässt.
Und wenn es nicht die Netzzuleitung ist, so muss halt im Gerät selbst mit Wicklungswiderständen oder Induktivitäten der Ladestrom begrenzt werden und dann ist man nahezu an dem Punkt wie mit kleineren Elkos.
Und noch ein Wort zur Induktivität von Kondensatoren. Da geistet immer die ?Konstruktionszeichnung? vom Wickelkondensator durch die Köpfe. Da ist aber nicht einfach eine lange, aufgewickelte Folie, welche eine ideale Induktivität bildet. Da sind zwei leitende Folien und zwei Isolierfolien. Und alle sind gleich breit.
Die erste Leitfolie legen wir auf den Tisch, dann kommt eine Isolierfolie so, dass die Leitfolie auf einer Seite etwas übersteht. Jetzt die zweite Leitfolie so, dass sie auf der anderen Seite etwas übersteht und jetzt die zweite Isolierfolie wieder mittig, also genau über der ersten Isolation. Und jetzt wird aufgerollt. Am Schluss haben wir einen Wickel an welchem auf jeder Seite Leitfolie raus schaut. Jetzt pressen wir diese Leitfolienlagen zusammen. Damit machen alle untereinander kontakt. Also haben wir auf jeder Seite die Windungen einer Leitfolie untereinander verbunden, die Windungen also kurzgeschlossen. Und genau durch diesen ?Generalkurzschluss? haben wir die Induktivität des Wickels aufgehoben. Auf diese flachen Kontaktstellen bringen wir noch einen Anschlussdraht, als Schnecke geformt, und fertig ist (nach dem Vergiessen) der Kondensator, der nur noch eine Induktivität als Folge der Anschlussdrähte hat.
, wobei sicher noch nicht alles davon bekannt is; 
