Polarisierter Elektrolytkondensator für
Wechselspannung und inverse Gleichspannung
Das Inhaltsverzeichnis meiner
Elektronik-Minikurse
Die Philosophie meiner
Elektronik-Minikurse
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
Hilfe bei Leserfragen.
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort
von Jochen Zilg
Autor:
Thomas Schaerer
Buch 1
Buch 2
Polarisierter Elektrolytkondensator für
Wechselspannung und inverse Gleichspannung
Jeder Elektroniker weiss, ein Elektrolytkondensator (Elko) eignet sich
nur für Gleichspannung (DC-Spannung) und nicht für Wechselspannung
(AC-Spannung), ausser es ist ein spezieller bipolarer Elko, wie er z.B.
in passiven Filterschaltungen in Lautsprecherboxen für die
Signaltrennung für Hochton-, Mittelton- und Basslautsprechern zum
Einsatz kommt. Diese Elkos sind spannungssymmetrisch, d.h. sie können in
beiden Polarten mit der selben DC-Nennspannung und somit auch mit
AC-Spannungen betrieben werden, wobei hier natürlich die
frequenzabhängige Belastung berücksichtigt werden muss. Dies ist
eigentlich soweit allgemein bekannt.
Wesentlich unbekannter ist eine ganz spezielle Art des
Aluminium-Festkörperelektrolyt-Kondensators (Alu-Elko), welcher eine
inverse DC-Spannung von 30 % der DC-Nennspannung zulässt und sogar
maximal eine AC-Spannung bis zu 80 % von der DC-Nennspannung aushält.
Man informiere sich präzise im Datenblatt! Diese Elkos sehen dem
Tantal-Tropfen-Elko sehr ähnlich, seine elektrischen Eigenschaften sind
allerdings sehr unterschiedlich! Ein gewöhnlicher Tantal-Tropfen-Elko
erträgt nicht die geringste inverse DC-Spannung, von AC-Spannung wollen
wir schon gar nicht reden und es gefällt ihm auch nicht, wenn er zu
niederohmig ge- oder entladen wird. Auch das quittiert er sehr gerne mit
Kurzschluss. Ganz im Gegensatz dieser spezielle Alu-Elko, der locker mit
einem Seriewiderstand von 0 Ohm das stossartige Laden und Entladen
zulässt und es gefällt ihm, wie schon oben erwähnt, von der Tradition
des gewöhnlichen Elko drastisch abzuweichen. Betreffs Leckstrom hält er
mit maximal wenigen Micro-Ampere mit andern modernen Alu-Elkos Schritt.
In diesem Punkt schneidet der Tantal-Tropfen-Elko etwas besser ab und
darum eignet sich der Tantal-Elko besonders für Timerschaltungen mit
langen Impulszeiten, wie es z.B. im Elektronik-Minikurs
Das MonoFlipflop gezeigt wird. Nebenbei sei
an dieser Stelle erwähnt, dass Tantal ein seltender Rohstoff ist. Man
sollte so sparsam wie möglich damit umgehen!
Diese speziellen polarisierten Alu-Elkos werden von der Firma
VISHAY-BCcomponents hergestellt.
Es ist die Serie
128-SAL-RPM
(PDF-Datei). Es gibt diese Alu-Elkos in den Kapazitätswerten vom 0.1 µF
bis 68 µF und DC-Nennspannungswerten von 6.3 VDC bis 40 VDC. Die
Nennkapazität hat eine Toleranz von typisch ± 20%. Für mehr Details
konsultiere man dieses Datenblatt.
Zwei Anwendungsbeispiele
Dies macht diesen speziellen Alu-Elko besonders für
Verstärkeranwendungen im niederfrequenten Bereich interesant. Dies wäre
z.B. der Audiobereich, sowie der Bereich der Elektromedizin, wie EMG,
EKG und für ähnliche Messaufgaben. Wir kommen damit zu Bild 1 mit einer
typischen Situation:
In Teilbild 1.1 sehen wir die bekannte nichtinvertierende
Verstärkerschaltung für AC-Spannungen mit einem Opamp, wobei es in
diesem Beispiel nötig ist Frequenzen oberhalb von 1 Hz zu verstärken.
Deshalb enthält das verstärkungsbestimmende Gegenkopplungsnetzwerk aus
R1, R2 und C1 auch die Funktion eines passiven Hochpassfilter (Hochpass
= HP), dessen Grenzfrequenz sich aus R2 und C1 ergibt. Eine Verstärkung
von 50 bringt es mit sich, dass R2 mit 2.2 k-Ohm relativ niederohmig
ist, wenn man R1 - hier 100 k-Ohm - aus Gründen parasitärer Effekte
nicht zu hochohmig realisieren möchte. Weil R2 relativ niederohmig ist,
hat C1 eine relativ grosse Kapazität, wenn die HP-Grenzfrequenz mit 1 Hz
niedrig sein soll. C1 beträgt 33 µF. Im Prinzip könnte man auf die
HP-Filterwirkung verzichten und C1 weglassen, wenn dafür R2 anstelle mit
GND mit der Referenzspannung (Ub/2) verbunden wird. Will man allerdings
preiswerten Feld-Wald-und-Wiesen-Opamp einsetzen - ich denke dabei schon
an einen TL071, LF356 oder LF357 und nicht etwa an den Steinzeit-Opamp
uA741 oder LM741 - muss man mit äquivalenten DC-Eingangsoffsetspannungen
im Millivoltbereich rechnen. Mit der Verstärkung von 50 wird diese
DC-Offsetspannung auf mehr als 50 mV, vielleich sogar einige 100 mV,
verstärkt. Je nach Anwendung kann dies zulässig sein, ganz sicher aber
nicht, wenn zwei Verstärkerstufen in Serie geschaltet werden müssen. Man
kommt dann nicht drum herum, mittels passivem HP-Filter die
DC-Offsetspannung herauszufiltern und dies gelingt mit R2 und C1. Dieses
Verfahren reduziert die DC-Verstärkung auf 1. Dies ist eine übliche
Methode.
Dieses Prinzip funktioniert sehr gut, wenn die Schaltung mit nur einer
Betriebsspannung +Ub versorgt wird. Ue wird in der Regel mit der halben
Betriebsspannung Ub/2 referenziert und das bedeutet, dass über C1 die
selbe DC-Spannung anliegt. Eine sehr niederfrequente AC-Spannung an Ue
überlagert die DC-Spannung über C1 ebenfalls mit dieser AC-Spannung.
Wesentlich oberhalb der HP-Grenzfrequenz, also z.B. bei 50 Hz, ist die
AC-Spannung über C1 vernachlässigbar klein. Dies ist eine ideale Aufgabe
für einen ganz gewöhnlichen Elko.
Wir kommen jetzt zu Teilbild 1.2 das sich von Teilbild 1.1 kaum
unterscheidet. Die Schaltung wird zwar spannungssymmetrisch mit ±Ub
gespiesen, dafür liegt aber C1 auf -Ub und nicht auf GND. Die
Funktionalität bleibt also die selbe wie in Teilbild 1.1. Wirklich?
Nicht ganz. Selbst dann wenn ±Ub gut stabilisiert und gefiltert ist, ist
sie selbst trotzdem nie so störfrei wie der GND-Pegel. Das heisst also,
dass geringste Störspannungen auf -Ub über C1 mit R1/R2 fast ebenso
massiv verstärkt werden, wie die AC-Spannung an Ue welche hier mit GND
referenziert ist.
So geht das also nicht und deswegen kommen wir zur Schaltung in
Teilbild 1.3 die ebenso mit ±Ub betrieben wird, C1 jedoch an GND
liegt. Das bedeutet, das C1 als Elko nicht, wie es sein sollte, mit
einer richtig gepolten DC-Spannung vorgespannt wird. Wenn Ue
GND-Potenzial hat, ist C1 spannungsfrei. Bei negativer DC-Spannung an
Ue bekommt C1 die selbe DC-Spannung, jedoch falsch gepolt. Bei einer
AC-Spannung an Ue mit sehr niedriger Frequenz, unterhalb der
R2C1-Grenzfrequenz, liegt die selbe AC-Spannung an C1. Im
Nutzfrequenzbereich, eindeutig oberhalb dieser Grenzfrequenz, gibt es
über C1 keine nennenswerte AC-Spannung. Sie ist dann meist so
vernachlässigbar klein, dass man auch einen gewöhnlichen Elko
einsetzen könnte. Diese Lösung ist jedoch nicht befriedigend, weil man
diesen Idealfall meist nicht immer garantieren kann, wie z.B. dann,
wenn Ue gerade nicht an eine Quelle angeschlossen, also nicht
definiert ist. Dann kann, besonders bei einem extrem hochohmigen
Opamp-Eingang (JFET, CMOS), die statische Spannung an Ue positiv oder
negativ sein. Ist sie negativ, entsteht über C1 eine DC-Inversspannung
die maximal dem Wert von -Ub entspricht, wenn der Opamp ausgangsseitig
rail-to-rail-fähig ist. Wenn nicht, ist die DC-Inversspannung etwas
niedriger als -Ub.
Weil dem so ist, eignet sich der hier genannte spezielle Alu-Elko der
Serie 128-SAL-RPM von VISHAY besser und bietet mehr
Sicherheit. Betreffs der Wahl von ±Ub muss man aber daran denken, dass
dieser spezielle Alu-Elko, eine maximale Inversspannung aushalten
muss, die der negativen Betriebsspannung -Ub entspricht. Praktisch
bedeutet dies, dass für eine Betriebsspannung von ±5 VDC ein Alu-Elko
mit einer Nennspannung von 16 VDC zum Einsatz kommen muss, bei ±12 VDC
sind es 40 VDC.
Eine ganz ähnliche Aufgabe hat dieser spezielle Alu-Elko in einer
Anwendung mit einem Instrumentationsverstärker
in Bild 2. Teilbild 2.1 zeigt das Blockschaltbild mit dem passiven
HP-Filter aus R3 und C1.
Die Schaltung in Teilbild 2.2 zeigt eine EMG-Verstärkerschaltung. EMG
bedeutet Elektro-Myographie. Die
EMG-Spannung, gemessen an der Hautoberfläche, liegt im 10-µV-Bereich bis
maximal wenigen 100 µV. Die differenzielle DC-Spannung, welche durch die
elektrolytische Übergangsphase Elektrode/Haut entsteht, ist wesentlich
höher. Sie liegt im 10-mV-Bereich. Würde diese quasistationäre
DC-Spannung mitverstärkt, begrenzt die Verstärkerschaltung bei der
maximal möglichen Ausgangsspannung, ohne dass sie auch nur etwas von der
EMG-Spannung verstärken kann. Das passive HP-Filter, bestehend aus R3
und C1, löst dieses Problem. C1 ist dabei der spezielle Alu-Elko aus der
Serie 128-SAL-RPM von VISHAY. Es gilt hier, dass +Ub nicht höher sein
darf, als die zulässige inverse DC-Spannung dieses speziellen Alu-Elko
C1. Diese maximale DC-Inversspannung tritt an C1 dann auf, wenn die
Eingänge Ue+ und/oder Ue- offen sind und deren zufälligen statischen
Spannungswerte die maximale DC-Inversspannung an C1 erzeugen. Es
kommen in Bild 2 LinCMOS-Opamps zum Einsatz, dessen maximale
Ausgangsspannungen minimal 1 V unterhalb von +Ub bleiben. Mit einem
speziellen Alu-Elko, dessen Nennspannung 16 VDC beträgt, darf die
Betriebsspannung +Ub 6 VDC oder etwas mehr betragen.
Die eingangsseitigen Dioden-Widerstandsnetzwerke aus R1, D1, D2 und R2,
D3, D4 arbeiten als Überspannungsschutz vor zu
hohen (statischen) Eingangsspannungen, z.B. beim ersten Berühren der
Elektroden. Mit dem Trimmpotmeter TP1 stellt man die maximale
Gleichtaktunterdrückung CMRR ein. Weil die Schaltung nur mit einer
Betriebsspannung +Ub arbeitet, muss eine Referenzspannung erzeugt
werden. Dies erledigt die Schaltung um den Opamp IC:A1. Diese Spannung
liegt etwas unterhalb Ub/2. Damit wird erreicht, dass die verwendeten
LinCMOS-Opamps bei Übersteuerung am Ausgang spannungssymmetrisch
begrenzen. Anstelle einer quasidiskreten Schaltung kann auch ein
intergrierter Instrumentationsverstärker verwendet werden. Dass dies
hier nicht der Fall der Fall ist, hat damit zu tun, dass die Schaltung
einem Ausbildungszweck dient. Weitere Details der
EMG-Messschaltung oder sonstige EMG-Anwendungen sind nicht Gegenstand
dieses Elektronik-Minikurses!
Wie findet man diese speziellen Alu-Elkos?
Man findet sie eigentlich nur dann, wenn in einem bekannten Katalog
mit wenig Worten, die wirklich wichtigsten Details beschrieben
sind. Dies war damals der Fall als ich die Serie 122-SAL-RPM durch den
Katalog der Firma Distrelec kennenlernte. Dieses Produkt wurde von
VISHAY jedoch sistiert und Distrelec musste dies natürlich
ebenfalls. Ich recherchierte und fand heraus, dass VISHAY das neue
Produkt 128-SAL-RPM im Programm hat. Ein Kollege von mir fand eher
zufällig heraus, dass es diese Produkteserie bei Farnell zum Kauf
gibt. Beim Update vom 28.01.2006 schrieb ich folgenden Abschnitt:
-
Damit man diese speziellen Alu-Elkos, mit der vollständigen
Bezeichnung, bei Farnell findet, gibt man im Suchfenster die Nummer
577-364 (für 10µF/16V) ein. Man sieht dann auch die andern Kapazitäts-
und Nennspannungswerte. Leider wird man feststellen, dass die besonders
wichtigen Informationen, wie 30% der DC-Nennspannung als Inversspannung
und bis zu 80% der DC-Spannung als AC-Spannung, nicht eingetragen sind.
Dieser Umstand zieht die fatale Folge mit sich, dass der Hauptzweck
dieses Produktes im Farnell-Katalog nicht erkannt wird. Ich habe Farnell
auf diesen Informationsfehler aufmerksam gemacht.
Der Hinweis mit der Bestellnummer ist natürlich relativ kurzlebig,
weil diese Distributoren es leider immer wieder schaffen, die Kunden mit
veränderten Bestellnummern zu verärgern. Falls einestages weder Farnell
noch Distrelec (Weblink: Siehe Google!) diese speziellen Alu-Elkos
vertreibt, bleibt nur der Weg zu
VISHAY-BCcomponents und dort
erkundigt man sich nach diesen Alu-Elkos und wo man diese auch in kleinen
Stückzahlen erhält. Leider weiss ich nichts von einem alternativen
Produkt, das natürlich sehr wünschenswert wäre. Wie lange es diesen
direkten Link zu dieser speziellen Alu-Elko-Serie
128-SAL-RPM
gibt, steht natürlich in den Sternen...
Mögliche Anternativen
Wenn, wie im vorliegenden Beispiel (Bild 2: C1), eine Kapazität von 10
µF genügt, gibt es heute (März 2008) von Wima relativ kleine
MKS2-Folienkondensatoren für eine Nennspannung von 16 VDC mit den
folgenden Abmessungen: Höhe = 14mm, Breite = 8.5mm, Länge = 7.2mm. Dies
ist etwas mehr Platzbedarf als der spezielle Alu-Elko benötigt.
Hochkapazitive Keramik-Multilayerkondensatoren sollte man wegen der
Piezzo-Empfindlichkeit nicht einsetzen, weil dieses Bauteil am sehr
empfindlichen Teil der Verstärkerschaltung eingefügt ist. Tantalelkos
eignen sich überhaupt nicht, weil diese nicht die geringste inverse
DC-Spannung vertragen.
Eine sehr gute Alternative sind nichtpolarisierte Elkos, die es meines
Wissens von Panasonic und von Multicomp gibt. Beide Produkte sind z.Z.
(März 2008) bei Farnell erhältlich. Vor allem die Elkos von Multicomp
mit der Nennspannung von 16 VDC und einer Kapazität von 10 µF (Farnell
März 2008: 123-6657) und 22 µF (Farnell März 2008: 123-6658) sind mit
dem speziellen Alu-Elko, betreffs mechanischen Abmessungen und mit den
elektrischen Daten durchaus konkurrenzfähig. Dass es so kleine
nichtpolarisierte Elkos gibt und die Auswahl an Kapazitäten und
Spannunungen recht gross ist (Multicomp), ist relativ neu. Früher gab
es solche nichtpolarisierten Elkos in nur wenigen Kapazitäts- und
Spannungswerten, bei relativ grossen mechanischen Abmessungen, vor
allem für den Einsatz für Frequenzweichen von Lautsprecherboxen, die
einem Tief-, Mittel- und Hochtonlautsprecher zum Einsatz
haben. Nichtpolarisierte Elkos nennt man auch bipolare Elkos.
Thomas Schaerer, 28.02.2005 ; 28.01.2006 ; 08.02.2008 ; 01.04.2008
Bookmark
Findest Du Elektronik-Kompendium.de gut? Hat Dir diese Webseite auch schon weitergeholfen?
