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3.3 Schaltungsbeispiele mit Halbleiterdioden Wie werden solche Kondensatoren mit großer Kapazität technisch realisiert und welche Randbedingungen ergeben sich daraus? Diese Fragen sollen in einem kurzen Einschub über Kondensatoren erörtert werden, bevor wir uns weiteren Gleichrichterschaltungen zuwenden. Kondensatoren: Im einführenden Kapitel wurden Kondensatoren als frequenzabhängige Widerstände bereits vorgestellt. Sie werden im einfachsten Fall durch eine Anordnung von zwei parallelen Platten realisiert. Die Kapazität eines Kondensators hängt von der Fläche der Platten A, dem Abstand der Platten d und vom Material zwischen den Platten ab. Dieses Material wird Dielektrikum genannt, sein Einfluss auf die Kapazität wird durch die Dielektrizitätskonstante ε spezifiziert. Dieser Koeffizient setzt sich aus der Dielektrizitätskonstante des Vakuums ε0 12 und einem Faktor εr, der vom Material abhängt, zusammen. C = ε0 · εr · A d Kondensatoren mit festen Kapazitätswerten können durch die Kombination von Metallfolien mit Kunststofffolien realisiert werden. Weitere Möglichkeiten sind die Verwendung metallisierter Kunststofffolien oder Sinterkeramik. Folienkondensatoren können als geschnittene Folienpakete oder als gewickelte Kondensatoren aufgebaut werden. Die Eigenschaften des Bauteiles hängen wesentlich vom Aufbau und vom verwendeten Dielektrikum ab und werden in der Praxis durch ein Ersatzschaltbild für den realen Kondensator dargestellt ◮Abbildung 3.17. Abbildung 3.17: Ersatzschaltbild eines Kondensators L R S CP 12 Die Dielektrizitätskonstante des Vakuums beträgt ε0 = 8‚85418782·10 −12 A s/V m. Statt von der Dielektrizitätskonstante des Vakuums spricht man heute auch von der Permetivität des Vakuums ε0 und nennt εr die relative Permetivität. Unter Permetivität wird die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder verstanden. Dieser Ausdruck wird den heute noch in der Elektrotechnik üblichen Begriff Dielektrizitätskonstante in der Zukunft ablösen. Ein ähnlicher Begriff wird im Zusammenhang mit magnetischen Feldern verwendet: Unter Permeabilität versteht man die Durchlässigkeit des Materials für magnetische Felder. C RP 135
3 HALBLEITERDIODEN Weblink 136 Der ideale Kondensator ist im Ersatzschaltbild in Abbildung 3.17 durch C symbolisiert. Der Widerstand RP modelliert den endlichen Isolationswiderstand des Dielektrikums. Durch einen Serienwiderstand Rs wird nicht nur der Widerstand der Zuleitung und der Platten dargestellt, er modelliert auch andere Wirkverluste des Kondensators. Rs wird oft auch als äquivalenter Serienwiderstand (ESR . . . Equivalent Series Resistance) bezeichnet. Zu beachten ist, dass es auch Ansätze gibt, diese zusätzlichen Verluste über den Widerstand Rp darzustellen. Die Ersatzschaltung ist daher immer in Bezug auf die anderen Angaben des Herstellers der Kondensatoren zu sehen. Die Induktivität der Zuleitung und des Aufbaues wird durch eine Serieninduktivität L S modelliert, sie ist für gewickelte Typen wesentlich höher. Für sehr hohe Frequenzen gibt es parallel zu dieser Serienschaltung eine Parallelkapazität C P,diedie Kapazität zwischen den Anschlüssen des Kondensators darstellt. Da die Eigenschaften der Kondensatoren stark vom verwendeten Material abhängen, muss abgesehen von Standardanwendungen immer geklärt werden, welches Dielektrikum für die Anwendung geeignet ist. Die folgenden Punkte mögen als Beispiele für die zu klärenden Fragen dienen: Welche Baugröße darf das Bauteil haben? Welche Kapazitätswerte sind in welcher Technologie verfügbar? Wie eng muss die Kapazität toleriert sein? Darf sie sich mit der angelegten Spannung ändern? Welcher Temperaturkoeffizient ist für die Anwendung zulässig? Wie groß soll die Spannungsfestigkeit des Kondensators sein? In welchem Temperaturbereich soll die Schaltung arbeiten? Welche Lebensdauer ist geplant? Wie groß darf der Gleichstrom durch den Kondensator sein, ohne die Anwendung zu beeinträchtigen? Gibt es Sicherheitsanforderungen an das Bauteil? Darf der Kondensator Ladung verstecken? (Dielektrische Absorption) Diese und ähnliche Fragen können durch Detailwissen über die Anwendung und die Datenblätter des Herstellers geklärt werden. Eine eingehende Besprechung all dieser Fragen würde an dieser Stelle zu weit führen. Es sei daher auf die Datenblätter der Hersteller verwiesen. Bei der Besprechung der kommenden Schaltungsbeispiele werden uns noch einige Hinweise zu wichtigen Bauteileigenschaften begegnen.
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