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aus der Roederstein Broschüre von 1966 - ein Artikel von Hans Loth

Elektrolyt-Kondensatoren als Frequenzweichen in Tonfrequenz-Schaltungen
Erschienen im „radio mentor" Heft 4/1966

Es ist bekannt, daß Elektrolyt-Kondensatoren die Eigenschaften haben, daß sie nicht beliebig angeschlossen werden dürfen, vielmehr eine bestimmte Polung, d. h. Polarität der Spannungsquelle, berücksichtigt werden muß.

Elektrolyt-Kondensatoren sind also gepolte Bauelemente. Damit ist ihr Einsatz üblicherweise beschränkt auf solche Fälle, in denen Gleichspannungsbelastung vorliegt.
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Für den Betrieb mit Wechselspannung werden deshalb Spezialausführungen angeboten, die ungepolt (bipolar) aufgebaut sind, und bei denen die Einschränkungen in der Wahl der Spannungsart fortfallen.

Grundsätzlich ist der Einsatz bipolarer Sonderausführungen denkbar bei

• Gleichspannungsbetrieb mit wechselnder Polung, d. h. Einsatz in Geräten, bei denen die Polung periodisch oder zeitlich unbestimmt und wiederholt wechselt. (Reversierbetrieb)
• reiner Wechsellast,
  d. h. in Fällen, in denen z. B. kapazitive Blindleistung notwendig ist. (Kleinphasenschieber)
• "Netzwerken"
  zur Trennung hoher und tiefer Frequenzen aus einem Frequenzgemisch, z. B. Frequenzweichen in Rundfunkgeräten, Musiktruhen usw., bei denen wechselnde Belastung mit verschiedenen Frequenzen gleichzeitig vorliegt.

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Der folgende Beitrag befaßt sich mit den Verhältnissen, die beim Einsatz verschiedener Elektrolyt-Kondensatoren- Konstruktionen in Frequenzweichen mit Tonfrequenzbelastung auftreten.

Um einen bipolaren Kondensator zu erhalten, genügt es an sich, zwei normale, gepolte Kondensatoren in getrennten Gehäusen in ihrer Polarität gegensinnig (back to back) in Serie zu schalten.

Es ergibt sich ein ungepolter Kondensator, der in beiden Richtungen mit Nennspannung belastet werden kann und halbe Kapazität besitzt. Die Anordnung ist in Bild 1 a schematisch gezeigt.

Man kann aber auch beide Teilkondensatoren entsprechend Bild 1 b in einem Gehäuse gemeinsam unterbringen, ohne daß dadurch die elektrischen Werte geändert werden. Der Minusanschluß ist dann gemeinsam und wird, weil man ihn nicht benötigt, nicht angeschlossen.

Daraus ergibt sich die Konsequenz, die negative Stromzuführungsfolie, die ja ohnehin nicht angeschlossen ist, überhaupt fortzulassen. Bild 1 c zeigt diese Vereinfachung. Wenn man berücksichtigt, daß der eigentliche negative Gegenbelag für beide Teilkapazitäten gemeinsam der flüssige Elektrolyt ist, wird verständlich, daß auch durch diesen vereinfachten Aufbau keine Änderung der elektrischen Werte eintritt.
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Wenn Bild 1c zugrunde gelegt wird, besteht kein grundsätzlicher Unterschied zwischen einer bipolaren Sonderausführung und einem normalen Elektrolyt-Kondensator mit Ausnahme davon, daß die auf der Stromzuführungsfolie befindliche Dielektrikumsschicht wesentlich dünner ist als die Schicht der vorformierten Anode.

Auf jeder Stromzuführungsfolie, im allgemeinen einfach „Kathode" genannt, befindet sich eine durch Lagerung an der Luft unvermeidlich entstehende Oxidschicht, die etwa eine Sperrspannung von 2V- aufweist.

Zwar ist sie qualitativ einer aufformierten Anodensperrschicht nicht gleichzusetzen, quantitativ muß ihr Vorhandensein aber berücksichtigt werden.

Der Unterschied zwischen einem normalen Elektrolyt-Kondensator und einem bipolaren liegt also in der Unsymmetrie der Teilkapazitäten und ihrer Kennwerte. Diese Tatsache ist wesentlich; sie wird weiter unten noch ausführlich behandelt.

Im Zusammenhang mit den hier aufgeworfenen Fragen genügt als Ersatzschaltbild eines bipolaren Elektrolyt-Kondensators das Netzwerk gemäß Bild 2a. Es ist durch Messungen leicht nachzuweisen, daß im Frequenz-Bereich 30Hz < f < 20kHz keine Abhängigkeif der gemessenen Kapazität von der Meßwechselspannung vorliegt.

Dieses Verhalten läßt sich nur erklären, wenn berücksichtigt wird, daß die in Bild 2a eingezeichneten Ventile Va und Vk ihre Ventilwirkung durch Ionentransport erhalten. (Dazu ist eine Massebewegung notwendig.)

Die Ventilwirkung tritt also erst mit einer zeitlichen Verzögerung auf. Im betrachteten Frequenzbereich ist die Ventilwirkung als Veränderung der Meßwerfe praktisch nicht mehr festzustellen.

Weiter ist es vertretbar, die beiden parallelen Widerstände Rpa und Rpk zu den Teilkapazitäten Ca und Ck zu vernachlässigen, weil ihr Widerstandswert sehr viel größer als der kapazitive Widerstand der Teilkapazitäten ist. Es ergibt sich damit ein vereinfachtes Ersatzschaltbild nach Bild 2b.

Bei einem bipolar aufgebauten Kondensator ist Ca gleich Ck.
Damit ergibt sich

(Formel 1)

(Formel 2)

dieser Ausdruck gilt für alle Frequenzen.


Durch zahlreiche Versuche und durch Dauerbetrieb ist sichergestellt, daß die Sperrspannung der Kathodenschicht ~2 V beträgt. Man kann daher folgenden Ausdruck ableiten

(Formel 9)

Je nach Aufbau und Nennspannung Un des Kondensators ergeben sich für das Verhältnis zwischen Ur und U unterschiedliche Werte.

Alle Elektrolyt-Kondensatoren, bipolar und nicht bipolar, können mit
Wechselspannung praktisch ohne Polarisationsspannung betrieben werden, doch sind die spannungsmäßigen Belastungsgrenzen je nach Aufbau und Nennspannung verschieden.

Bipolare Kondensatoren, freitragend, die nach den angegebenen Grundsätzen aufgebaut sind, wurden in Tabelle Ia und Ib zusammengestellt. Tabelle Ia zeigt die Abmessungen unter Verwendung aufgerauhter Folie, Ib die Abmessungen mit glatter Folie. Die benötigten Volumen der Typen sind sehr unterschiedlich, ebenso die elektrischen Werte. Dementsprechend ist die Eignung für den hier betrachteten Fall, Betrieb mit Tonfrequenz-Gemisch, ebenfalls verschieden. Um zu einem richtigen Werturteil über die Eignung zu kommen, müssen zunächst die Einsatzbedingungen geklärt werden.

Den hier gegebenen Belastungswerten ist das übliche Netzwerk für Hochton- und Tieftonlautsprecher gemäß Bild 4 zugrunde gelegt. Angenommen ist eine Belastung des Netzwerkes mit 15 Watt Sprechleistung. Es ergeben sich in Abhängigkeit von der Frequenz für den Kondensatorstrom, die Kondensatorspannung und die Kondensatorverlustleistung Kurven gemäß Bild 5a für glatte Folie und 5b für rauhe Folie. Die Unterschiede in der Verlustleistung sind je nach Frequenz zwischen Kondensatoren mit glatter und rauher Folie z. T. erheblich. Da sie wesentlich über die Verwendbarkeit der Kondensatoren zu urteilen gestatten, wurde in Bild 6 das Verhältnis zwischen Verlustleistung Nv und Sprechleistung (Ne) in Abhängigkeit von der Frequenz gesondert dargestellt.

Aus den Belastungswerten ergeben sich für die Eignung von Kondensatoren für Tonfrequenz-Betrieb folgende Forderungen:

1. Spannungsfestigkeit: Die zulässige Tonfrequenzspitzenspannung muß unter der max. zulässigen Wechselspannungsspitze liegen.

2. Eigenerwärmung: Für die Tonfrequenzspannung ergibt sich ein weiterer Grenzwert durch die Eigenerwärmung des Kondensators infolge des durchfließenden Wechselstroms.

3. Sprechleistungsverlust: Um den Verlust an Sprechleistung im Kondensator klein zu halten, muß der Serienwiderstand des Kondensators so klein wie möglich sein.

4. Konstanz: Die Änderung der Kapazitäts- und Scheinwiderstandswerte während der Betriebszeit sollen tragbar sein.

5. Betriebszuverlässigkeit: Mit von entscheidender Bedeutung für die Betriebszuverlässigkeit eines Kondensators ist extreme Kontaktsicherheit. Außerdem müssen die Ubergangswiderstände merklich kleiner als die Serienwiderstände sein.

Im einzelnen dazu folgende Angaben:

Die Kondensator-Nennspannung soll so gewählt sein, daß gemäß Abbildung 3 eine Überlastung ausgeschlossen ist. Deshalb müssen vorher die Belastungswerte, ähnlich wie in Bild 5 a und 5 b, festgelegt sein. Dabei ist zu beachten, daß die Bilder 5 a und 5 b Effektivwerte und nicht Spitzenwerte angeben.

Die Grenzbelastung ist entscheidend durch die wärmeabgebende Becheroberfläche bestimmt. Eine Zusammenstellung darüber enthält Tabelle II. Eine merkliche Eigenerwärmung tritt in der Praxis allerdings nur auf, wenn bei Frequenzen > 5000 Hz mit hoher Leistung längere Zeit gearbeitet wird. Dieser Fall dürfte höchst selten auftreten. Bei Kenntnis von Verlustfaktor oder Serienwiderstand, gemessen bei der höchsten auftretenden Frequenz (im allgemeinen 20kHz) läßt sich die wegen der Eigenerwärmung max. zulässige Wechselspannung bei dieser Frequenz errechnen aus

(Formel 10)

wobei

• Umax max. überlagerte Wechselspg. [Veff]
• Nv zulässige Verlustleistung der jeweiligen Wärme abgebenden Becheroberfläche [mW]
• C Kapazität [uF]
• tan alpha Verlustfaktor bei Frequenz f [%]
• f Frequenz [Hz]

ist.

Als Hilfe zur Festlegung der im Einzelfall auftretenden Rechenwerte dient Tabelle II mit den Angaben über die max. abgegebene Verlustleistung (die Angaben gelten für eine Übertemperatur von +10°C und eine abgegebene Leistung von 2mW je cm2 und grd). Weiter enthält Bild 7 Verlustfaktorwerte in Abhängigkeit der Frequenz und Nennspannung für einige typische Kondensatorkonstruktionen.

Es wird hier auf das wesentlich günstigere Frequenzverhalten des Verlustfaktors hingewiesen, den Kondensatoren mit glatter Folie zeigen. Die Berücksichtigung der Frequenzabhängigkeit der (Meßbrücken-) Kapazität ist nicht notwendig. Sie ist üblicherweise gering und vernachlässigbar. Messungen ergeben z. B. eine Änderung von etwa -3% oder weniger zwischen 100Hz und 10kHz.

Bild 6 zeigt deutlich, mit welch hohem Anteil an Verlust bei hohen Frequenzen zu rechnen ist. Zwangsläufig ergibt sich daraus die Forderung, den Serienwiderstand des Kondensators so klein wie möglich
zu halten. Typische Meßwerte von Serienwiderständen verschiedener Kondensatoren zeigt Bild 8. Damit die Angaben verglichen werden können, beziehen sie sich einheitlich auf 1uF. Es ergibt sich, daß der Serienwiderstand nicht nur bei höherer Nennspannung kleiner wird, sondern es ist außerdem deutlich zu erkennen:

• a) Der Serienwiderstand eines Kondensators mit glatter Folie ist wesentlich kleiner als bei Verwendung rauher Folie, bei der die Höhe der Nennspannung wesentlich stärker eingeht.
• b) Der Serienwiderstand ist stark fallend frequenzabhängig. Dies gilt besonders für glatte Folie.
• c) Übertragungen von Meßwerten bei 50 Hz oder 100 Hz (z. B. tan alpha) auf höhere Frequenzen führt leicht zu Fehlschlüssen.

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Die Berechnung zutreffender Werte ist möglich durch Scheinwiderstandsmessung bei 10 kHz und Errechnung des Serienwiderstandes aus Z (10 kHz) und C (50 Hz). Der dabei gemachte Fehler ist nicht sehr groß. Es sei der Hinweis gestattet, daß die starke Frequenzabhängigkeit des Serienwiderstandes bei Kondensatoren mit glatter Folie als Vorteil gewertet werden kann.

Übrigens haben Messungen ergeben, daß die Serienwiderstände von bipolaren Kondensatoren üblich etwas höher liegen als bei normalen Kondensatoren. Dies ist im Aufbau begründet, weil bipolare Kondensatoren eine doppelte Oxidschicht aufweisen, deren Gesamtstärke höher liegt als die von normalen Kondensatoren.

Grundsätzlich ist die Kapazitätskonstanz von Elektrolyt-Kondensatoren bei Betrieb an Wechselspannung nicht so gut wie bei Gleichspannung. Im allgemeinen neigen bipolare Kondensatoren zur Kapazitätszunahme, normale Kondensatoren zur Kapazitätsabnahme.

Zwar sind diese Veränderungen infolge der geringen Leistungbeanspruchung von Elektrolyt-Kondensatoren bei Tonfrequenzbetrieb nicht stark ausgeprägt, aber nachweisbar. Bei Dauerprüfungen ergaben sich zufriedenstellende Werte.

Die Kapazitätsabweichung geht für bipolare Ausführungen etwa bis +10%, bei normalen Kondensatoren etwa bis -20%. Kondensatoren kleiner Nennspannungen sind etwas empfindlicher als solche mit höherer Nennspannung. Es wird darauf hingewiesen, daß die Nennspannung der Kondensatoren bei Belastung mit Tonfrequenz sorgfältig überprüft werden muß. Besonders nicht bipolar aufgebaute Kondensator-Ausführungen neigen bei Tonfrequenzüberlastung zu starker Kapazitätsabnahme. [Anformierung der Kathode)

Der Scheinwiderstand aller Kondensator-Ausführungen nimmt im Verlauf der Betriebszeit zu. Dabei ist die Zunahme bei bipolaren Kondensatoren früher festzustellen als bei normalen Kondensatoren.

Wichtig ist u. a., daß keine Kontaktfehler auftreten, die einen unzulässigen Einfluß auf die Größe des Serienwiderstandes haben. Außerdem muß die Kontaktierung den zum Teil erheblichen Tonfrequenzströmen gewachsen sein. Es kommen deshalb nur Kondensator-Ausführungen in Frage, bei denen alle Verbindungen geschweißt sind.

Weil jede ungünstige Veränderung der Übergangswiderstände eine Vergrößerung des Serienwiderstandes mit sich bringt, zeigen sich Mängel in der Kontaktierung der Kondensatoren sehr schnell in dumpfer Ton-Wiedergabe.

Wenn alle hier aufgeführten Bedingungen berücksichtigt und dabei die Preisgestaltung und das benötigte Kondensator-Volumen mit in die Überlegungen einbezogen werden, ergibt sich als günstiger Sondertyp für Elektrolyt-Kondensatoren in Frequenzweichen (Belastung mit Tonfrequenzgemisch) die Ausführung mit glatter Folie, freitragend, normal aufgebaut.

Gegenüber dieser Ausführung führt die Verwendung bipolarer Kondensatoren zu erhöhten Volumen und höheren Preis bei nur geringer technischer Überlegenheit.

Kondensatoren mit rauher Folie sind weniger geeignet wegen ihres hohen Serienwiderstandes.

Tabelle III zeigt die Zusammenstellung der Abmessungen für diese Ausführung mit glatter Folie. Sie wird seit einigen Jahren in großen Stückzahlen gefertigt und als Frequenzweiche eingesetzt und hat während dieser Zeit ihre Betriebszuverlässigkeit bewiesen.

Vorteile:

1. kleiner als eine bipolare Ausführung
2. gute Wiedergabe der hohen Töne
3. sehr kleiner Serienwiderstand
4. geringe Eigenerwärmung
5. Lebensdauer gegenüber
6. Kondensatoren mit rauher Folie deutlich höher.

Literaturhinweise:
F. Oehme - Die Erwärmung von Elektrolyt-Kondensatoren im Wechselstromkreis. Elektroanzeiger 8/63

William H. Fritz - Nomograf and chart pinpoint source of ripple voltage limitation. Elektronics Sept. 6/65
Hans Loth - Der innere Aufbau von Elektrolyt-Kondensatoren und deren Betriebsverhalten, ROEDERSTEIN, Kondensatoren und Widerstandstechnik 10/64.