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aus der Roederstein Broschüre von 1966 - ein Artikel von Egon Götz

Die allgemeine technische Entwicklung, besonders auf dem Gebiet der elektronischen Regelung, Steuerung, Messung, Berechnung und Überwachung von Betriebsabläufen und Versuchsanordnungen, brachte einen steigenden Bedarf an Präzisionsbauelementen mit sich.

Hierzu gehören neben aktiven Bauelementen u. a. auch Präzisionswiderstände und Präzisionskondensatoren, die diversen Spezialanforderungen genügen müssen.

Werden z. B. hohe Anforderungen bezüglich Temperaturbereich gestellt, sind Luft, Glimmer oder auch Teflon das geeignete dielektrische Material.

Sind diese Anforderungen nicht vorhanden, können unter Umständen billigere Materialien mit anderen, z. T. sogar besseren Eigenschaften verwendet werden.

Kondensatoren, bei denen das Dielektrikum aus Luft oder Gas - gegebenenfalls auch bei Unterdruck - besteht, weisen in speziellen Bereichen die weitaus günstigsten elektrischen Eigenschaften auf.

Werden die Elektroden zudem aus Materialien mit geringer Wärmeausdehnung und hoher Alterungsbeständigkeit gefertigt (Invar), so ergeben sich Normalkondensatoren höchster Konstanz und Zuverlässigkeit. Geringe Spannungsfestigkeit (kV/mm) und die kleine relative Dielektrizitätskonstante [z = 1) bedingen aber große Abmessungen. Der Kapazitätsbereich bleibt daher im allgemeinen auf einige Tausend pF beschränkt.

Dieser Ausführung am nächsten kommen Glimmerkondensatoren. Das „geologische Alter" des Dielektrikums in Verbindung mit geeigneten Elektroden machen den Glimmerkondensator zu einem äußerst stabilen Kondensator mit hoher Langzeitkonstanz.

Da seine Verluste auch bei höherer Frequenz sehr gering sind (Verlustfaktor z. B. <3 x 10"-4 bei 1uF und 1000 Hz), ist er ein idealer Wechselstromkondensator.

Ähnliche Eigenschaften weist Teflon auf bzw. für geringeren Temperaturbereich (-20°C bis +60°C) das weit billigere Polystyrol.

Polystyrol genügt in den meisten Fällen den Temperaturanforderungen und hat sich als ausgezeichnetes Dielektrikum bewährt. Da es in dünnen Folien herstellbar ist, wird es zusammen mit Belagfolien aus Aluminium oder Zinn aufgewickelt.

Es lassen sich dadurch hohe Kapazitätswerte bei guter Raumnutzung erzielen. Durch besondere Behandlung ist es möglich, Werte höchster Güte bei nahezu allen elektrischen Eigenschaften zu erreichen. Noch zu erwähnen sind andere Kunststoff-Materialien wie Polykarbonat, Polyäthylen usw. sowie Papier in Sonderimprägnierung, die allein, oder in Mischung mit einem anderen Dielektrikum, zu Präzisionskondensatoren verarbeitet werden.

Nach langjähriger Erfahrung in der Herstellung von Präzisionskondensatoren auf Polystyrolbasis wird nunmehr von der Firma Ernst Roederstein ein Programm dieser Präzisionskondensatoren vorgestellt. Allen Ausführungsformen gemeinsam ist der völlig dichte Einbau in Metallgehäuse mit Herausführung der Anschlüsse durch hochisolierende Glas- oder Keramikdurchführungen. Da aber je nach Verwendungszweck verschiedene Anforderungen gegeben sind, können nicht alle erzielbaren Werte gleichzeitig erreicht werden.

Demzufolge wird im allgemeinen die Ausführung von Präzisionskondensatoren nach Vereinbarung mit dem Kunden auf die jeweilige Anwendung ausgerichtet.

Zur Erleichterung und Information soll hier ein kurzer Überblick über die technischen Werte gegeben werden. Ein Datenblatt, das eine Übersicht über Abmessungen bei den häufigsten Bauformen mit 25, 63 und 160 V Nenngleichspannung Aufschluß gibt, ist in Vorbereitung.

Normal: ±10%, ±5%, ±2,5%, ±1%
Eingeengt: ±0,5%, ±0,25%, ±0,1%

Auf besondere Anfrage: bis ±0,02% für einen bestimmten Kapazitätsbereich.

Sinnvoll wird eine extrem niedrige Auslieferungstoleranz jedoch nur bei genauer Angabe der Bezugstemperatur sowie bei kleinem Temperatur-Koeffizienten und genügender Langzeit-Stabilität der Kapazität.

Die Konstanz von Polystyrol-Kondensatoren kann durch Temperaturbehandlung, mittels künstlicher Alterung und weitere Spezialverfahren bis nahe an diejenige von Glimmer gebracht werden. Es lassen sich Werte <300 x 10"-6 / Jahr erreichen.

Sie liegt im allgemeinen bei -120 ±30 x 10'-6 /°C und kann durch besondere Maßnahmen auf < -100xl0"-6/°C bzw. < ±20xl0"-6/°C gebracht werden.

Polystrol besitzt eine nahezu völlig frequenzunabhängige Dielektrizitätskonstante. Zu niedrigen Frequenzen hin ist infolge der dielektrischen Absorption ein leichter Kapazitätsanstieg festzustellen.

Er ist aber mit <0,1% wesentlich geringer als z. B. bei Glimmer. (Bei Glimmer beträgt die Differenz der Kapazität zwischen der Messung bei 1 kHz und bei Gleichspannung bis zu 3%).

Zu höheren Frequenzen hin sinkt somit der Kapazitätswert, bis der Einfluß der Reiheninduktivität einen mit der Frequenz quadratischen Anstieg bis zur Resonanzfrequenz bewirkt.

Dieser Kapazitätsanstieg ist unabhängig vom Dielektrikum. Er ist eine Funktion der Resonanzfrequenz fo, also allein von der Größe der Kapazität und Induktivität bestimmt. Er kann somit nur durch konstruktive Maßnahmen, die zu einer Verringerung der Induktivität führen, nach höheren Frequenzen verschoben werden.

Durch Polarisation im Dielektrikum wird bei Ladung des Kondensators zusätzliche Ladung aufgenommen und nach der Entladung des Kondensators zum weitaus überwiegenden Teil wieder freigegeben. Diese Polarisation ist u. a. von der Einwirkdauer der Ladespannung abhängig und bewirkt somit eine geringe Frequenzabhängigkeit der Kapazität sowie des Verlustfaktors.

Dieser Vorgang ist bei Frequenzen < 10"-2 Hz von großem Einfluß, wirkt sich jedoch auch bis zu Frequenzen von einigen kHz aus. Für Polystyrol kann die dielektrische Absorption mit < 0,1% angegeben werden.

Der Verlustfaktor eines Kondensators setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen. Bei niedrigen Frequenzen sind die dielektrischen Verluste, verursacht durch Polarisationseffekte, vorherrschend, während es bei höheren Frequenzen die Serienverluste sind, die durch die ohmschen Widerstände der Beläge und Zuleitungen sowie der Kontaktübergänge bestimmt werden.

Der Verlustfaktor-Verlauf über die Frequenz zeigt eine ähnliche Charakteristik wie jener für die Kapazität: erst ein leichtes Absinken durch geringer werdenden Einfluß der dielektrischen Absorption, dann ein steiler Anstieg durch den Einfluß des Serienwiderstandes Rs.

Der Verlustfaktor von Polystyrolkondensatoren kann bis 1uF und 1 kHz mit < 2x10"-4 angegeben werden, sofern die Serienverluste niedrig gehalten werden.

Bei sauberer Verarbeitung liegt der Isolationswiderstand der Kondensatorwickel zum Teil über jenem der Glas- oder Keramikdurchführungen. Bei Becherausführung mit Kapazitätswerten vorwiegend > 1uF sind Zeitkonstanten der Eigenentladung > 5*105 Sek. (Ohm •F) zu erzielen.

Für Rohrausführungen (vorwiegend < 0,5uF) kann als Zeitkonstante > 5 x 10" 5 Sek. jedoch als max. Isolationswiderstand 10" 13 Ohm genannt werden. Eigenentladungsmessungen über lange Zeiträume (6 Monate) zeigten Zeitkonstanten > 10" 7 Sek.

Mit den vorstehenden technischen Angaben wurde ein Herstellungsbereich umrissen, der den derzeitigen Stand (von 1966) aufzeigt. Sicherlich wird die laufende Erfahrung für die zukünftige Entwicklung weitere Möglichkeiten eröffnen, die technischen Werte in der Praxis noch näher an die physikalisch gegebenen Grenzen heranzubringen.