Fall C: Potentiometer als variabler Vorwiderstand Achtung: R1 und

Fall C: Potentiometer als variabler Vorwiderstand
Achtung: R1 und R2 räumlich vertauscht.
I0
R1
U0
RN
R2
U1
RL
Der Strom im gesamten Kreis ist dadurch gleich groß.
I0 = U0 / (R2 + RL) = U0 / (RL + V * RN) = U0 / (RL + v * p * RL) = U0 / (RL * ( 1+ v*p)
Dabei v = R1 / RN und p = RN / RL
U1 = I0 * RL = Uo * RL / (RL * (1 + v * p) = U0 / (1 + v * p)
Wirkungsgrad (eta) als Nutzleistung / Gesamtleistung
η = U1 * I / (U0 * I) = U0 / (U0 * (1 + v * p) = 1 / (1 + v * p)
Genau hinschauen, Verhältnis von Vorwiderstand zu Lastwiderstand muß stimmen. Sonst wird
plötzlich alle Last dem Vorwiderstand auferlegt.
7. Nichtlineare Widerstände
7.1 Definitionen
Nichtlineare Widerstände sind solche, deren R-Wert als Ouotient ΔU / ΔI nicht für jedes ΔI konstant ist
(a) oder von einer anderen physikalischen Größe abhängt (b).
Zu (a) gilt: R = f(U;I), zu (b): R= f (Energie)
Beispiele für a: VDR, Diode
Beispiele für b: NTC, PTC, LDR,
7.2 Dehnungsmeßstreifen (DMS)
Symbol
F
Der DMS formt die physikalische, nichtelektrische Größe "Kraft F" oder "Längenänderung Δl" in die
elektrische Größe "Widerstandsänderung" um.
Allgemeiner Aufbau:
In einer Folie als Träger eingebettet ist ein Leiterzug (Konstantan, NiCr, Pt,...).
Die Folie wird auf das Meßobjekt aufgeklebt und mit ihm gedehnt.
Dabei werden die Leiterzüge gedehnt, der Widerstand nimmt zu.
Grund: Längenänderung und Durchmesser-Änderung (Skizze)
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40
Zusätzlich ändert sich durch die Verformung auch ρ.
Der Widerstand eines Drahtes ist:
2
R = ρ * 4 * l / (D * π)
Mit den Änderungen ergibt sich:
2
R + ΔR = (ρ + Δρ) * 4 * (l + Δl) / (D + ΔD) * π
Wird umgeformt zu
ΔR/R = k * Δl / l
k heißt Empfindlichkeitsfaktor.
Bei industrieüblichen DMS kann k = 2 angenommen werden.
R liegt oft bei 350Ω
Bauformen: Aus der großen Vielfalt sind drei ausgewählt:
Das Gitter wird so geformt, daß nur in einer Richtung eine Widerstandsänderung stattfindet.
Daten: R=100 Ω bis 1 kΩ, Meßgitterlänge: 0,5 bis 150mm. Dehnungen im µm Bereich.
Beispiel: R = 350 Ω, Länge 100mm Empfindlichkeitsfaktor 2, Dehnung 1 µm:
ΔR = 350 * 2 * 1µm / 0,1m = 0,007Ω
Die Widerstandsänderung ist daher sehr klein. Sie liegt im Bereich zum Beispiel des
Temperaturganges. Zur einfacheren Messung verwendet man Meßbrücken, die Störeffekte
kompensieren.
Man unterscheidet Viertel- Halb- und Vollbrücken. Halbbrücke: R1 muß gedehnt werden, R2 auf
gestaucht. Vollbrücke: R1 und R4 werden gedehnt, R2 und R3 gestaucht.
Brücke wird unbelastet gemessen. Falls R1/R2 = R3/R4, dann ist die Brücke im Gleichgewicht. Bei
verstimmter Brücke gilt:
UB = US (R1 / (R1 + R2) – R3 / (R3 + R4))
Verwendung: Problemloser Meßgrößenumformer (MGU) für Längen- und Kraftmessung,
Druckaufnehmer, Wägeeinrichtungen, Kesseldruck u.v.m.
7.3 Fotowiderstand
Symbol:
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41
Lx
Der Fotowiderstand nutzt den inneren lichtelektrischen Effekt.
Unterscheide: Äußerer und innerer lichtelektrischer Effekt.
Äußerer: Im Vakuum schlagen Photonen aus Festtoffen Elektronen heraus
��Vakuum wird leitend.
Anwendung: Fotozelle, Sekundärelektronen - Vervielfacher.
Innerer: Photonen generieren freie Ladungsträgerpaare in Halbleitern.
��Halbleiter wird leitfähiger.
Anwendung: Fotowiderstand, -diode, -Transistor.
In beiden Fällen: Steigende Beleuchtungsstärke Ev => steigende Leitfähigkeit.
Hergestellt aus Halbleitermaterial
Photowiderstand aus polykristallinem Material
Photodiode / Phototransistor aus Einkristall
Die Quantenenergie E = h f muß größer als die Ablöseenergie ΔW der Elektronen sein
R = f(λ, ΔW, Ev) und h·* f ≥ ΔW
Eigenschaft, Funktion:
Licht durchdringt die sehr dünne Halbleiterschicht auf einem Träger.
Photonen generieren Ladungsträgerpaare.
Der Widerstand sinkt.
Effekt hängt ab von
der spektralen Empfindlichkeit des Materials
der Beleuchtungsstärke Ev ab.
ΔR folgt ΔEv mit der Material typischen Zeitkonstanten τ. => Frequenzabhängigkeit
Widerstand und Beleuchtungsstärke: Mit K [Ω/Lx] als Materialkonstante, Ev für die
-γ
Beleuchtungsstärke und γ für die Steilheit: R = K * Ev
Material: Mischkristalle aus CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, dotiert mit Elementen
der Gruppe Ib, Illa, Va, Vlla des PSE oder Ge und Si, dotiert mit Au, Hg oder Cu zur Verringerung von
Rekombination u. Dunkelstrom.
Herstellung: Meist Aufdampfen (3...20 µm) auf heißem Substrat (Glas,Keramik). (Folie)
Kennlinien:
Bei
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42
Srel, die relative Empfindlichkeit (Materialgröße) bezieht bei gleicher Beleuchtungsstärke Ev die
Empfindlichkeit für eine Wellenlänge λ auf λmax (Wellenlänge max. Empfindlichkeit).
Daten:
Ro = Dunkelwiderstand: 1M ... 100MΩ
R1000 = HelIwiderstand bei Ev = 1 kLx; 0,1... 20kΩ;
λmax = Wellenlänge für Srel = 100%
Anwendung: Lichtmengen- und Beleuchtungsstärkemessung; Helligkeitsregelung; Dämmerschalter.
7.4 Der Heißleiter. NTC-Widerstand.
Symbol
ϑ
NTC-Widerstände (negativ temperature coefficient) "leitet, wenn er heiß ist"
Typisches Halbleiterverhalten
0
Für Temperaturen bis über 1000 C (Extremfälle)
stark negativen TK. (bis zu 60.000 ppm/K = 6%/K)
R=f (ϑ) ist nicht linear.
Durch Eigenerwärmung ist auch R =f (U,I) und damit ist U nicht linear zu I.
Normung: DIN 44070: Technische Werte und Prüfbestimmungen.
Material:
Gesinterte, polykristalline Halbleiter
aus Metalloxiden (Eisen-, Nickel, Cobaltoxide) mit Zusätzen von Oxiden oder Salzen leichter
Elemente zur Stabilisierung der elektrischen Eigenschaften und des Herstellungsprozesses.
Bauformen und Herstellung: (Folie)
Scheiben:
Oxidgemisch-Granulat wird zu Tabletten gepreßt und gesintert
Kontaktieren durch Aufbrennen von Silberpaste und Anlöten der Anschlüsse.
Stabform:
Oxidgemisch durch Bindemittel plastiziert und unter hohem Druck stranggepreßt.
Anschlüsse wie bei Scheiben.
Perlen:
Oxidgemisch in Kunstharz aufgeschwemmt
Als Tropfen auf zwei parallelgespannte Platindrähte gebracht.
Umhüllung: Je nach Anwendung:
Ohne,
Lack
kunststoffumpreßt.
Verhalten des NTC:
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43
Temperaturabhängigkeit:
Temperaturabhängigkeit folgt einer e-Funktion
B/T
R ≈ A·e
A[Ω]und B[K] = Konstanten, abhängig von Material und Bauform
Der TK ergibt sich zu (1/R * dR/dt)
A * e B / T * (− B / T 2 )
B
αR =
=− 2
B /T
A*e
T
0
0
In der Praxis wird R auf den Nennwiderstand Ro bei 25 C (T=298K, selten 20 C also T=293K
bezogen, gilt: (B = 2000...4000)
Damit:
RT
A * eB /T
=
R25 A * e B / 298 K
RT = R25 * e B / T − B / 298 = R25 * e − B (1 / 298−1 / T )
Erwärmung des NTC infolge elektrischer Leistung P.
P erzeugt Wärme, die die thermische Kapazität Cth auflädt,
entladen wird über den Wärmeleitwert Gth (In ruhender Luft 0,1...0,2 mW/K)
P = Gth·* ΔT + Cth·* dT/dt.
Wenn dT/dt = 0 wird, ist die Temperatur stabil. Daraus folgt:
2
ΔT= P/Gth = I ·* RT/Gth
Fertigungstoleranzen
werden bei To angegeben.
Da auch B Toleranzen aufweist, steigt oberhalb und unterhalb von To die Toleranz von RT.
Achtung: B steht im Exponenten: Hohe Abweichungen bei kleinen Temperaturen.
Kennlinien:
Die Kennlinie U = f(l) hat drei Bereiche:
A: Linearer Anstieg:
Der Widerstand wird durch die el. Leistung P nahezu nicht erwärmt:
P< < Pg (Pg = Grenzleistung im Maximum, nicht PN!)
Betriebsart für Meßzwecke und für Temperaturkompensation.
B: Maximum:
abgestrahlte Wärmeleistung mit der el.Leistung im Gleichgewicht
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44
C: Fallender Kennlinienast:
Es wird mehr el. Leistung zugeführt, als der NTC abstrahlen kann:
-ΔR/R > ΔI/ I : Wenn der Strom nicht begrenzt wird, wird der NTC zerstört.
NTCs werden mit eingeprägtem Strom betrieben.
Achtung: NTCs in dieser Betriebsart nie parallelschalten: Niederohmigster wird zerstört!.
Betriebsart für Regelheißleiter.
Linearisierung der NTC-Kennlinie durch einen Parallelwiderstand:
Daten:
Ro:
100Ω ...100kΩ;
B: 2200 ... 4500 K;
PN: 50mW...10W;
Pg: 0,1...100mW (Grenzleistung für Kennlinienteil A)
0
ϑmax: 100...300 C;
Folie: Datenblatt NTHS Seite 2.
Anwendungen:
Temperaturfühler, Kennlinienbereich A; P< < Pg
Anlaßheißleiter zur Einschaltstrombegrenzung, Bereich C; P> > Pg
Temperaturkompenstion; Füllstandsmessung; Verzögerungsschaltungen
7.5 Der Kaltleiter (PTC)
Symbol:
ϑ
PTC-Widerstände (positive temperature coefficient)
haben in einem schmalen Temperaturbereich einen großen positiven TK
R =f (ϑ) ist nicht linear (in bestimmten Temperaturbereichen sogar negativ!).
Durch Erwärmung infolge aufgebrachter el. Energie ist auch R = f(U,I).
Normung: DIN 44080: Technische Werte und Prüfbestimmungen.
Material:
Ferroelektrische Keramik (polykristallin) aus Bariumtitanat (BaTiO3)
dotiert mit Strontium- und Titanoxiden sowie anderen Zuschlägen.
Substitution von Ba durch Sr (Strontium) erniedrigt den Temperaturbereich,
Substitution durch Pb (Blei) erhöht ihn.
0
0
Bereich: ca -30 C bis + 200 C.
Materialeigenschaft:
Bei ferroelektrischem Material ist
εr unterhalb der Curie-Temperatur (ϑc) groß und oberhalb sprunghaft sehr viel kleiner.
Die abstoßende Kraft zweier Ladungen ist nach dem Coulomb’schen Gesetz
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45
F=
Q1 * Q2
r *ε0 *ε r
2
Sie wird also oberhalb der Curie Temperatur sehr viel größer, der Widerstand steigt.
Oberhalb der Curie Temperatur steigt der Widerstand sprunghaft an.
Für ϑ < < ϑc und ϑ > > ϑc zeigt sich der typ. neg. TK der Halbleiters.
Der Varistoreffekt im Halbleiter erzeugt Spannungsabhängigkeit.
Herstellung:
Das Material wird zu Scheiben gepreßt,
0
bei 1200 ... 1400 C gesintert und kontaktiert.(vergleiche NTC-Scheiben)
Kennlinien (Erste anzeichnen, logarithmisches Diagramm. Werte unten in Tabelle)
Starke Frequenzabhängigkeit (siehe Folie)
durch Sperrschichten oberhalb ϑc.
Beispiel: Rmin = 3Ω;
bei 0 Hz: Rmax = 100 kΩ ;
1kHz: Rmax = 2kΩ;
10kHz: Rmax = 300Ω
100kHZ: Rmax = 40Ω
0
Daten: ϑb = -30 ..+200 C; R25 = 2Ω ... 2kΩ; Re = 1kΩ ...100kΩ; lp=30mA...1,5A
0
Beispiel: PTC für Meßtechnik: ϑb = 80 C, R25 = 50Ω, R125 > 50kΩ, Tol. ± 30%
Anwendung: Übertemperaturschutz, Überlastschutz, selbstregelnde Heizer, Stromregelung,
Temperaturfühler, Füllstandsfühler
7.6 Der Varistor
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46
U
VDR - Widerstände (voltage dependent resistor)
spannungsabhängige Widerstände mit symmetrischer U/I - Kennlinie,
Widerstandswert nimmt mit steigender Spannung ab
Normung: DIN 45923, Teil 1: Technische Werte und Prüfbestimmungen.
Material:
Gesintertes, polykristallines Zinkoxid (ZnO, auch Siliziumcarbid (SiC, heute selten)
Beimengungen anderer Metalloxide
Materialeigenschaft:
(Bild) ZnO-Körner leiten gut
die Zwischenphase aus anderen Oxiden ist hochohmig.
Zwischen ZnO - Körnern entstehen "Mikrovaristoren" ("Durchbruchspannung" ≈ 3,8V).
Ihre Reihenschaltung ergibt die Nennspannung,
ihre Parallelschaltung die sehr hohe Belastbarkeit.
Beispiel:
Ansprechspannung 22V; Korngröße 100µm:
Im Mittel liegen 22/3,8·≈·6 Mikrovaristoren, also 7 Körner in Reihe.
Keramikdicke: 0,7mm.
Aufbau: (s. Bild)
wie beim Plattenkondensator.
Anstelle des Dielektrikums tritt der Sinterkörper aus ZnO mit anderen Metalloxiden.
Kennlinie:
Näherungen erforderlich
Material-, und Geometriekonstante α = 1/β. Bei ZnO α≈ 30, bei SiC α≈ 5
Dann gilt: I = K * Uα bzw. U = C * Iβ
(K [A/V] = Elementkonstante, geometrieabhängig;
α = Nichtlinearitätsexponent,
C=K
−
1
α
C = Spannung bei 1 A (≈10 .. 1000 V/A)
Statischer Widerstand:
U
U
C*Iβ
1
=
= C * I β −1 = * U 1−α
R= =
α
I
I
K
K *U
Dynamischer Widerstand:
dU d (C * I β )
1
=
= β * C * I β −1 = β * R = * R
r=
dI
dI
α
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47
Interessant ist die Verlustleistung:
P = U * I = U * K * Uα = K * U
(α+1)
6
für SiC steigt P also mit U , für ZnO mit U
31
Maximale Energieabsorption:
wichtig für das Kappen von Spannungsspitzen:
Emax = Umax * Imax * t [J]
hängt weiter ab von
Ruhezeit zwischen zwei Impulsen
Impulsform
Typische Schaltung also immer mit Vorwiderstand:
U
Uv
Daten:
UN = (8), 18 .. 1000V;
lmax=400...5000A
Emax = 2 .. 10 Ws;
PN = 10mW..1,5 W;
TK = 1000ppm/K;
C = 50pF..5nF;
Ansprechzeit: 10 .. 100ns.
Verwendung:
Überspannungsschutz, Funkenlöschung, Spannungstabilisierung, Spannungsbegrenzer.
7.7 Die Feldplatte (Thomson- und Halleffekt)
B
Feldplatten
magnetisch steuerbare, polykristalline Halbleiterwiderstände.
nutzen den um 1870 von Thomson und Gauß (Hall) entdeckten Gauß-Effekt
Gauß-Effekt:
Im dünnen, flachen Leiter R wirkt senkrecht zur Strombahn ein Magnetfeld B
Elektronen e werden von der geradlinigen, kürzesten Bahn abgelenkt
Durch den Iängeren Stromweg erhöht sich der Widerstand.
Hall-Effekt
ist die Folge des Gauß-Effektes
Das Magnetfeld drängt die Elektronen an eine Seite des Leiters.
Es entsteht eine Spannung zwischen den Längsseiten des Leiters. (Folie)
Feldplatte:
Halleffekt und Gaußeffekt schließen sich weitgehend aus.
Sobald alle Ladungsträger an den Rand gedrängt sind, ist UHallmax erreicht
Widerstand ist nur geringfügig gestiegen (s. Bild 1).
-> Ladungsträgerdichte ausgleichen, bevor der Rand erreicht wird.
Ladungsträgerweg vergrößert sich (s. Bild 3) aber es entsteht kaum UHall.
Feldplatte enthält daher fein verteilte, niederohmige Strukturen
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48
Diese bewirken den Ladungsausgleich (Bild 2 +3)
Material:
Schmelze aus InSb, dotiert mit Te, wird Ni und Sb zugesetzt.
Daraus werden Halbleiterbarren hergestellt.
Beim Erstarren entstehen im InSb feine Nadeln aus NiSb
Diese sind niederohmiger als InSb und im Barren parallel ausgerichtet.
Sie bilden durch Kurzschlüsse den Ladungsausgleich.
Herstellung:
Barren wird in Scheiben (16x18mm) zersägt,
auf Hilfsträger gekittet und auf ca 25µm geschliffen
Fototechnisch wird eine Formätzung (s.Bild 4) in Mäander durchgeführt.
Mäander werden vom Träger gelöst und auf isolierte, ferromagnetische oder unmagnetische
Substrate geklebt.
Kontaktierung mittels Weichlot mit CuL-Draht (80 µm).
Mittenanzapfung führt zur Differential Feldplatte.
Abdeckung meist Lack.
Dauermagnete dienen häufig zur Vormagnetisierung.
Empfindlichkeits – Kennlinie
RB/Ro = f(B): Beispiel: Feldplatten von Siemens.
Drei Materialien D, L, N mit verschiedenen Empfindlichkeiten. Die Funktion ist quadratisch und zeigt
bei pos. B dieselben Werte wie bei neg. B. (Bild 1)
Winkelabhängigkeit RB/Ro = f(ρ): Die größte Empfindlichkeit tritt auf, wenn das magnetische Feld
senkrecht zur Breitseite der Feldplatte wirkt. Liegt das Feld in Richtung der Strombahnen, hat es keine
Wirkung. Die Kurve ist leicht unsymmetrisch. (8ild 2)
Warum Vormagnetisierung? (Bild malen, siehe unten rechts)
Wegen der quadratischen Funktion RB= f (B) ist die Empfindlichkeit um B=0 gering
Die Antwortfunktion auf einen vorbeigeführten Magneten (Steuerinduktion BSt als
Wechselgröße) entspricht der gleichgerichteten Wechselgröße.
Durch die Vormagnetisierung Bv läßt sich der Arbeitspunkt in den steileren Teil der Kennlinie
verlegen.
Damit steigt die Empfindlichkeit und der Gleichrichtereffekt wird vermieden. (Bild 3+4)
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49
Temperaturabhängigkeit
groß und bei verschiedenen Induktionen unterschiedlich.
große Toleranz des TK.
Bei Meßschaltungen Temperaturkompensation
(z.B. Differential Feldplatte in Brückenschaltung).
Beispiele:
0
0
Temperaturänderung von 25 C auf 75 C
Widerstandsänderung (R75 / R25 in %): B=0T: 45-55%; B=1T: 28-35%.
Frequenzunabhängigkeit wurde bis 10 GHz nachgewiesen. Lediglich Wirbelströme im Substrat
könnten Verluste erzeugen.
Anwendung: Die Feldplatte selbst wird häufig mit oder ohne Dauermagnet in ein Fühlersystem
eingebaut.
Kontakt- und berührungsloser Schalter
Magnetfeld - Meßsonde
Positionsgeber
Funktionengeber
Schleiferfreies Potentiometer
potentialfreier Regler
Drehzahlgeber
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50
8. Kondensatoren
8.1 Überblick
Symbole :
DIN40710
Neue DIN ????
Definition:
Ideale Kondensatoren weisen eine reine Kapazität (Blindwiderstand) auf.
.Einheit: 1F = 1Asec/V = 1C/V = 1sec/Ω
Kapazität: C = ε0 * εr * A / d ;
Reale Bauteilkondensatoren
besitzen Wirkverluste,
induktive Blindkomponenten
Temperaturabhängigkeit.
Ersatzbild und Verluste:
Rv
L
C0
U
Rp
Rp(f)
Rp: Isolationswiderstand, besteht aus
Widerstand des Dielektrikums
Oberflächenwiderstand (Feuchtigkeit, Schmutz)
Rp(f): Dielektrische Absorption (Umpolung der Dipole)
Rv:
Serienwiderstand (Anschluß, Kontakt)
L:
Serieninduktivität.
Rp und Rp(f) erzeugen Verluste. Mit R = Rp + Rp(f) und L und Rv vernachlässigt wird
0
Bei Parallelschaltung eilt der Strom im C der Spannung um 90 vor
Ir
Ic
Is
δ
ϕ
U
Verlustwinkel: δ = ∠ iS , iC
Blindwiderstand: Z = 1/ϖC
Blindleitwert Bc = 1/Z = ωC
Verlustfaktor d: d = tan δ = Ir / Ic = G/Bc = 1/RωC
Tangens läuft von 0 bis unendlich, also je kleiner desto besser
Güte Q: Q = 1/d
Eigenentladung τ: τ = C/G [sec],
Nach der Zeit τ ist UC um 63% gesunken
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51
Isolationswiderstand Ri:
wird vom Hersteller spezifiziert.
Entspricht Rp
Nennspannung UN
zulässiger Höchstwert von U= + û~
Prüfspannung:
Durchschlagsfestigkeit.
Meist 3·* UN für 1sec.
Verlustleistung PN im Dielektrikum:
bei höheren Frequenzen
abhängig vom Typ des DE.
Grenze, wenn Δϑ > 30K.
Eigenresonanz
durch LC Schwingkreis,
bei ϖ *·Ls = 1/ϖ * C;
Daraus Resonanzfrequenz: f = 1/2π * √ 1/ C * L
bei ϖ *·Ls > 1 /ϖ * C � induktives Verhalten.
-9
Beispiel: C = 100nF, L = 10 nH: ϖ = 1/2π * √ 1 / 100 * 10 * 10 * 10
-3
= 1/2π* √1/1000 [1/nsec= GHz] = 5 * 10 GHz = 5 MHz
2
[1/A.s/V * V*s/A = 1/sec ]
Mindestangaben auf dem Bauteil:
CN: Nennkapazität
UN: Nennspannung
Toleranz
oft auch Kürzel für Dielektrikum.
Beliebiger Temperaturkoeffizient:
Einstellbar durch Parallel oder Serienschaltung (Wie bei Widerständen)
Parallelschaltung:
Serienschaltung
Wert für Cp2 oder Cs2 durch Formel für Parallel- oder Serienschaltung.
Systematik: Einteilung der Kondensatoren nach Bauformen und Technologien.
Eigenschaften der verschiedenen Typen im Überblick
Kondensatorart
Aufbau, Beläge und DE
Eigenschaften, Anwendung
Papier
Wickel aus Alu-Folie und SulfatZellulosepapier
tan δ und TK groß, Bauform groß, heute
seltener. Sieb- und
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52
Zellulosepapier
seltener. Sieb- und
Entkoppelkondensatoren.
MP
auf Papier aufgedampfte Zn (Zink)
wie Papier, aber kleinere Form. Heilt bei
oder Al-Schicht
Durchschlag selbst aus.
KF
Kunststofffolie mit Al-Folie geschichtet tan δ und TK klein. Häufig für Werte von
oder gewickelt.
100pF bis 1µF
KC Folie aus Polycarbonat (FKC)
kleiner tan δ, hoher Ri, Industrie,
Konsum,
KT Folie aus Polyterephtalsäureester
tan δ und Feuchteempfindlichkeit klein
(Mylar) FKT
KS Folie aus Polystyrol (Styroflex)
beste Werte für tan δ, TK, Ri, Stabilität.
Linearer, negativer TK, sehr schaltfest.
MKF
Metallisierte Kunststofffolie
Wie KF, aber selbstheilend und kleinere
Abmessungen
MKC, MKT, MKS verschiedene, metallisierte Folien
Wie oben
Keramik
ELKO
Leitende (meist Ag (Silber)) Schicht
auf keramischem Plättchen. Scheiben
oder Schichtkondensatoren. Keramik
mit genormtem TK
NDK Keramik auf Titandioxidbasis
pF bis nF. Sehr gute HF Eigenschaften.
Linearer TK. Keine
Spannungsabhängigkeit.
hochwertige Kondensatoren. TK und tan
δ klein. Stabile HF Anwendungen
HDK Ferroelektrische Keramik auf
Schlechtere Werte als NDK; für
Erdalkalititanatbasis.
allgemeine Anwendungen
Elektrode mit vergrößerter Oberfläche. Hohe Kapazität(µF bis mF), große Tol.
Gegenelektrode Elektrolyt
Großer TK und tan δ. Kleiner Ri
AL Al-Wickel, aufgerauhte Alufolie mit
Vorwiegend für Netzteile. Lade und
Al2O3 Schicht als Isolator. Elektrolyt
Siebkondensator
als 2. Elektrode
Viel größere Kapazität als Al.
Ta Ta Sinteranode als poröser Körper,
Abblockkondensator in elektronischen
isoliert durch Ta2O5, eingepresster
Elektrolyt aus MnO2
Schaltungen.
Kunststoffkondensatoren, keramische Klein- und Elektrolyt - Kondensatoren sind die häufigsten
Bauteilkondensatoren. Sie werden folgenden vorgestellt.
8.2 Kunststofffolien - Kondensatoren (KF)
KF-Kondensatoren:
Wickelkondensatoren mit anwendungsangepaßten Dielektrika, Wickeltechniken, Umhüllungen und
Kontaktierungen. Unterscheidung in Film-Folien- (KF) und metallisierte Folien-Kondensatoren (MKF).
KF-Kondensatoren:
Kunststofffolie als Dielektrikum
Metallfolie als Beläge.
MKF-Kondensatoren:
Kunststofffolie als Dielektrikum
aufgedampfter Metallbelag.
Bei Durchschlag selbstheilend, da Metall an der Durchschlagstelle verdampft.
Kleinere Bauform
Die Kunststofffolie bestimmt weitgehend die elektrischen Eigenschaften: (siehe Folie: besprechen)
Vergleichstabelle für Kunststofffolien-Kondensatoren
Dielektrikum
Polycarbonat
Polystyrol
Polypropylen
Papier + KF
Parameter
Polyäthylenter
ephtalat
KT
KC
KS
KP
PMKT
C-Bereich
1nF..12µF
1nF..6,8µF
51pF..160nF
47pF..56nF
1nF..820nF
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53
C-Toleranz
5/10/20%
5/10/20%
1/2/5%
2/5%
10/20%
Nennspg.
63..400V
100..1600V
63..630V
63..250V
250V
tan δ bei 10
-3
kHz (*10 )
0
Ri bei 23
< 15
< 7,5
< 0,5..1
<1
< 13
> 15 GΩ
0
Temp. Bereich -40..+85 C
> 7,5 GΩ
> 100 GΩ
0
0
> 100 GΩ
> 15 GΩ
0
0
-55..+100 C
-40..+70 C
-40..+100 C
-40..+85 C
2,0
εr
3,2
2,8
2,4
2,2
TK in ppm/K
+500
+150
(-125±60)
-65±60
Mechanischer Aufbau (Folie)
Wickel aus zwei metallisierten Folien mit versetzten BeIägen.
Der Belag schließt nur an einer Seite mit der Folie ab.
Stirnseiten werden durch Spritzmetall induktionsarm kontaktiert.
Umhüllung mit Kunststoff.
Größe je nach C und UN: z.B.: MKT, 63V-, 68nF: LxHxB=10 x 6,5 x 2,5mm.
8.3 Keramische Kleinkondensatoren
Keramische Kleinkondensatoren
keramisches (Oxidkeramik) Dielektrikum
Ag oder Ni als Belag.
Kleine C als Einzelscheiben,
größere C werden in Chipbauweise (Vielschichtkondensator)
C - Werte von pF bis ca. 2µF.
Größte Gruppe der Bauteilkondensatoren.
Dielektrikum:
0
Oxidkeramik (Sintertemperatur: 1100...1400 C) aus TiO2 (εr > 100).
4
εr wird durch Zusatz des ferroelektrischen BaTiO3 (εr bis ca. 10 ) erhöht.
Die elektrischen Eigenschaften bestimmen 3 Keramik-Gruppen:
NDK: Keramik mit kleinem εr mit sehr guten elektrischen Eigenschaften;
HDK: ferroelektr. Keramik mit hohem εr und weniger guten Eigenschaften;
Sperrschicht Keramik:
Leitende BaTiO3 – Körner, zwischen isolierenden keramischen Materialien
Zwischen den Körnern bilden sich parallel- und in Reihe geschaltete Kondensatoren
Bei hohem εr ergeben sich raumsparende Kondensatoren mit Daten ähnlich HDK.
Hauptmerkmale keramischer Kleinkondensatoren
Ker. Sorte
Kriterium
C = f(ϑ)
C = f(U)
tan δ
Ri
C-Tol.
UN
Typ 1 = NDK
P100 .. N4700
Typ2 = HDK
K500 .. K10000
Typ 3 = Sperrschicht
KR4000
≈ linear, TK von + 100 bis
–4700 ppm/K
unabhängig
-3
sehr klein, < 10
nicht linear
ähnlich Typ 2
ähnlich Typ 2
rel. groß, bis 120 *
-3
10
10
9
7
> 10 Ω
> 10 Ω
> 10 Ω, abh. von C
<10pF: ±0.25, ±0.5, ±1pF ±20%,+50/-20%,+80/- +50/-20%, +80/-20%
>10pF: ±2, ±5, ±10, ±20% 20%
bis 6000V=
bis 6000V=
bis 32000V=
C steigt mit εr
-3
klein, bis 35 * 10
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13 .. 470
mittel
εr
C/Vol
700 .. 50.000
sehr groß
ca. 50.000
sehr groß
Kennzeichnungen:
C-Wert:
Farbkode Punkte oder Ringe (aufrechtstehend: 1.Ring oben)
Ziffern.
NDK: Körperfarbe: häufig grau
HDK: braun.
Keramik Sorte (damit TK): dickere Farbpunkte oder Buchstaben.
Nennspannung: Bauform, Körperfarbe, Farbpunkte oder Kleinbuchstaben.
Toleranz: Farbpunkt oder Großbuchstabe nach IEC 62.
Farbe
Farblos
Schwarz
Braun
Rot
Orange
Grün
Blau
Violett
Grau
Buchstabe
AF
CF
BF
LF
PF
Keramik
P 100
NP 0
N 33
N 075
N 150
N330
N 470
N 750
P 33
TD
UH
TK in ppm/K
+100
0
-33
-75
-150
-330
-470
-750
+33
8.4 Elektrolytkondensatoren (ELKO)
ELKO's:
oberflächenvergrößerte Anode aus Al (Aluminium) oder Ta (Tantal)
als Dielektrikum Oxid (Al2O3, (Aluminiumoxid), εr ≈ 8; Ta2O5, (Tantalpentoxid), εr ≈ 26, ca 1,2
nm/V aufgebracht ist.
Ein Elektrolyt bildet die Kathode, der sich der Oberfläche anschmiegt.
Großes εr, große FIäche, kleiner Abstand -> hohe Volumenkapazität.
Grundsätzlich sind zwei Typen zu unterscheiden:
Zwei Typen:
Al-ELKO - Wickelkondensator; mit "nassem Elektrolyt".
Ta-Sinteranoden-ELKO mit "nassem" / "trockenem" Elektrolyt.
Normen:
Al - Typen: DIN41 238, -248, -250, -253, -257, -259, -316.
Ta-Typen: DIN44 350, -351, -352, -359, -360, -361.
Technologie:
AL-Wickel-ELKO:
Elektrochemisch aufgerauhte Al-Folie (FIächenvergrößerung:x 4..10) als Anode
erhält durch anodische Oxidation (Formierung) eine Oxidschicht als DE
Dicke proportional zur Formierspannung,
Stromventilwirkung: Stromrichtung vom Al in das Oxid ist gesperrt
Flüssige Gegenelektrode (Elektrolyt) nutzt die Oberflächenrauhheit
Zellulosepapier dient als Speicher für den Elektrolyt
zweite Al-Folie. als niederohmige Zuleitung
Lagen werden durch Papier isoliert.(Folie links)
Ta-Sinteranoden-ELKO:
0
Ta-Pulver bei ca. 1800 C zu einem porösen Körper gesintert
3
2
Große Oberfläche (1cm � 1500cm ) der Anode (wie ein Schwamm)
Sinterkörper erhält eine Ta2O5 Schicht als Dielektrikum.
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Nasse Ta-ELKO
Korrosionsfest -> Elektrolyte mit hoher Leitfähigkeit möglich.
daher niederohmiger als AI-ELKO.
Kontaktiert wird über ein Feinsilbergehäuse.
Trockene Ta-ELKO:
Tantalpentoxid (DE) läßt sich nicht beliebig dick herstellen
-> Spannung auf ca 35 bis 50V begrenzt
Ablagerung von Mn02 auf der Oxidschicht bildet den Elektrolyten
Kontaktiert wird durch eine Graphit- und Leitsilberschicht auf dem Halbleiter.
Formieren von Al-Elkos:
Formierspannung UF: Pos. Spannung an der Anode
Es entsteht unter Gasentwicklung eine AlO3 - Schicht auf der Anode,
Wirkt für die angelegte UF - Richtung stromsperrend.
Schichtdicke ist prop. zu UF.
Umpolung der UB:
AlO3 der Anode wir abgebaut
Aufbau auf der Kathode unter hohem Strom und Gasentwicklung
ELKO wird zerstört.
Nennspannung UN ist die Gleichspannung, für die der ELKO gebaut ist: In V: 6,3 / 10 / 16 / 25 /40 / 63
/ 100 / 160 / 250 / 350/ 385 / 450;Tantal max. 100 V.
Betriebsspannung UB
ungünstigste Summe aller Spannungen im Betriebsfall
Gleichsp.
Wechselsp.-Spitze,
Toleranzen der Spannung;
Spitzenspannung Us
darf in 2h höchstens 5mal bis zu 1 Minute anliegen
IEC 384-4: Us = 1,1UN
Wechselstrom / Spannung:
Summe aus Gleich- und Wechselgröße darf den neg. Wert 2V nicht übersteigen (Luftoxid der
Kathode sperrt bis 2V).
Beim Strom ist die zulässige Erwärmung zu beachten: Lebensdauererniedrigung!
Die Kapazität ist abhängig:
von der Frequenz:
G-Kapazität (G=Gleichsp.) ist ca. 1,1...1,5 mal W-Kapazität bei 100Hz.
Für höhere Frequenzen: C aus dem Scheinwiderstandsverlauf (s.Datenbuch) ermitteln
Von der Temperatur
0
Viskosität des Elektrolyt ändert sich: Von -40 bis +80 C ist die Änderung ca. 30%.
Von der Zeit:
Inkonstanz ist bei kleiner UN größer als bei großer UN
Z.B: UN = 6,3V: +8 / -15%; 40V: +5 /-10%).
Von der Schalthäufigkeit (Schaltfestigkeit):
6
z.B. 10% Änderung bei 10 Schaltungen.
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56
tan δ (nach IEC 384-4 bei 100Hz)
UN = 4..10V: 0,5; 11..25V: 0,35; 26..63V: 0,25; bei Tantal ca 0,02
Reststrom Irb
resultiert aus dem Dielektrikum -> l = f(U). (Linke Kurve aufmalen)
Bei UB < UN ohmscher Widerstand.
Ab UB > Us Strom nimmt überproportional zu
Bei UB = UF Hoher Formierstrom mit Gasentwicklung. Der ELKO wird zerstört.
Bei Al-Elkos leiden unter langer, stromloser Lagerung
Im stromlosem Zustand wird die Oxidschicht abgebaut.
lrb ist zu Beginn hoch -> s. Irb = f(t). (2. Kurve von links anmalen)
Bei AI-ELKO's (norm.Anf.) sinkt er im Betrieb bis auf
Irb [µA] = 3 + CN [µF] *·UN [V] * 0,02 (DIN 41332).
3
Bei Ta ist Irb um ca. 10 kleiner.
Irb ist stark temperaturabhängig -> s. Irb = f(ϑ). (anmalen)
Brauchbarkeitsdauer B
B sinkt mit steigender Temperatur und Betriebsspannung.
0
0
Sieben Grad Gesetz: Ab 50 C sinkt bei 7 Temperaturerhöhung B um die Hälfte
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9. Leiterplatten
PCB Printed Circuit Board
Leiterplatten tragen in/auf einem isol. Trägermaterial leitende Strukturen zur Verbindung von
Bauelementen (Erfüllung spezieller elektrischer Funktionen).
Normungen :
DIN 40801 / Bl1, 2: Grundlagen: Gestaltung. Anwendung von .Bauteilen. Löcher. Raster. Dicken
DIN 40802 / Bl.1, 2, 10: Metallkaschierte Basismaterialien für gedruckte Schaltungen
DIN 40803 / Bl.1, 2: Gedruckte Schaltungen. Leiterplatten, Anforderungen. Prüfungen., Toleranzen,
Unterlagen
DIN 40804: Gedruckte Schaltungen, Begriffe
DIN VDE 0109: Anforderungen für die Dimensionierung von Luft- und Kriechstrecken
DIN VDE 0110: Isolation für el. Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen / Festlegungen
DIN 41612: Auch DIN 41613 und DIN 41617: Steckverbinder für LP
Früher:
"Verdrahtung"
Erfindung der "gedruckten Schaltung"
Kupferkaschierte Trägerplatte wird mit säurefester Farbe bedruckt
Wegätzen des nicht abgedeckten Kupfers.
Heute durch Belichten lichtempfindlicher Abdeckungen über eine Maske statt Druck.
Vorteile:
Hohe Bauelementdichte bei geringem Volumen;
reproduzierbare elektrische Anforderungen (Wellen-, Isolationswiderstand, Kapazität,
Übersprechen);
automatische Bestückung/Lötung;
einfache Wartung/ Änderung.
Grundtypen:
Einseitig kaschierte LP:
Preiswert,
einfach herstellbar,
verlangt kreuzungsfreies Layout;
Falls nicht möglich: 0 Ω Widerstände
Heute nur noch für "große" Bauteile
Doppelseitig kaschierte LP:
Ober und Unterseite wird benutzt.
Durchkontaktierung:
Kernkatalytisches Basismaterial (Galvanikkeime)
Galvanisierung durch die Löcher,
die Leiter beider Seiten werden verbunden.
Mehrlagenschaltungen: (Multi Layer)
Dünne, einseitig kaschierte Trägerfolien
In mehreren Lagen aufeinander verpresst
Einfachster Fall 4 Lagen Platine:
Oben und unten: Signalebenen
2 innere Ebenen: Spannungsversorgung (Ground Plane)
Spannungsversorgung behindert die Verdrahtung nicht.
Elektrisch saubere Spannungsversorgung
maximale Ebenenzahl: angeblich 36.
Durchkontaktierungen (Vias) verbinden die inneren Bahnen.
Wie kontaktiert man Ebene 4 mit 5 (Folie)
Wie kontaktiert man 2 mit 5 ?
Nicht betroffene Ebenen brauchen eine Aussparung.
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VIAs möglichst vermeiden, bzw. Anzahl der durchlaufenen Ebenen klein halten
Um Begrenzung der Komplexität zu vermeiden, kleinen Bohrdurchmesser wählen.
Minimal erreichbarer Bohrdurchmesser: 0,2 mm
Unterschiede der Bestückungsart:
1. Konventionelle Bestückung.
Für bedrahtete Bauteile
Zurechtbiegen und durchstecken
Schwalllöten von der Unterseite
Bestückungsverfahren aufwendig. Platine nur einseitig zu bestücken
2. SMD (Surface Mounted Devices)
Bauteile haben Pads anstelle von Drähten
Auf der Platine wird Lötpaste aufgebracht.
Bauteile werden durch die Paste auf der Platine fixiert
Reflow-Lötung durch Strahlungswärme oder heisses Gas
Wichtig: Geringe Temperaturunterschiede innerhalb der Platine (Lötprofil)
Höhere Packungsdichte, einfachere Bestückung, weniger Bohrungen (Theorie)
Platinenbeispiel.
Einschub:
Für SMD geeignete Bauteile:
Bezeichnung diskreter Bauteile:
Bauform llbb: ll = Länge in 1/100 Inch bb Breite dito.
Kleinstes derzeit 0603
IC Bezeichnungen.
Unterschiede nach:
1. Material
Keramik: Teurer, mit Fenster möglich, Weniger Beeinflussung des Die
Plastik: Billiger.
2. Anordnungd der Pins
S (Single In Line) Einreihig
z.B. Widerstandsnetzwerke
S steht manchmal auch für "Small"
D (Dual in Line) Die Längsseiten sind mit Pins belegt.
Einfache digitale Bauteile
Analogbauteile, z.B. OpAmps
Q (Quad) Alle vier Seiten sind mit Pins belegt.
höherintergrierte Bauteile
Bei den obigen Bauteilen sind die Pins nur am Rand angeordnet.
Für höchstintegrierte Bauteile: Pins an der Unterseite
PGA: Pin Grid Array für Sockel (Pentium I bzw K2)
BGA: Ball Grid Array nur für SMD.
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59
Basismaterial (geätzte LP):
Anforderungen:
Kleines εr um Leitungskapazität klein zu halten.
Richtung •Dimensionsstabilität
Oberflächenrauhigkeit
Schichtpressstoffe aus Kunststoff mit Füllstoffen nach DIN 40802. (Folie)
Hp2063
Hgw2372
Hm2471
Hartpapier
Epoxid-Glasgewebe
Polyester-Glasmatte
Kunststoff-Folie
Einfache Konsumschaltungen
(Stabil, biegefest, werkzeugabnutzend)
( Industrieanwendungen)
Flexible Leiterplatten
(Folie)
DURAVER-E-Cu Ein Basismaterial aus Epoxidharz und Glasgewebe,
DURAVER-PD-Cu (alte BeZeich. G30) Dieses Material auf Polyamidharzbasis
DURAVER-BT-Cu: glasgewebeverstärkten Basismaterials
Dicke: in mm: 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,5 (LP); 2,0; 2,5 (Einschubbasis); 3,0
Kupferstärke: 18; 35; 70 ; 105 µm
Leiterbahnbreite bis 0,2 mm (Feinleitertechnik) bis 0,05 mm (Mikroleitertechnik)
Herstellung einer zweiseitigen Leiterplatte:
1. Ausgangspunkt:
Schaltbild (Stromlaufplan) dar. Rechnergestützt erstellt beim Kunden.
2.. Entflechten:
Kreuzungsfreies Verbindungsbild mit den Maßen und Lagen der Verbindungen.
Rechnergestützt erstellt aus Schaltplan. Meist teilautomatisch (Autorouter) mit Nacharbeit.
Back Annotation ins Schaltbild
3. Übergabe an LP Fertiger:
Plotter Steuerdatei (Gerber oder HPGL) für Fotoplotter: Lage der Leiterbahnen
Bohrdatei: Position und Durchmesser der Bohrlöcher
Lötstoppmaske (läßt i.d. äußersten Ebene nur die Lötaugen frei)
Positionsdruck: Siebdruck mit Bauelementen oder Texten.
Ausgangsbasis: Dünn kupferkaschierte Platte
4. Bohren. Als erster Bearbeitungsschritt!
5. Photoresist aufbringen. Lichtempfindliche Deckschicht.
6. Filme erzeugen, justieren und (UV-) belichten.
7. Entwicklen. Photoresist Schicht wird dort entfernt, wo sie nicht belichtet wurde.
8. Galvanisieren mit Kupfer.
Durchkontaktierungen und Leiterbahnen werden verkupfert
9. Verzinnen.
Durchkontaktierungen und Leiterbahnen
10. Photoresist entfernen..
11. Dünne Kupferschicht wegätzen.
Verzinnung wirkt als Schutz für die Leiterbahnen.
12. Lötstoppmaske aufbringen.
Meist geschnittene Folie
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13. Bestückungsplan aufdrucken.
Folien zu elektrischen Werten besprechen:
Leiterbahnwiderstand (klar)
Kapazität benachbarter Leiter * Leiterlänge. (klar)
Spannungsfestigkeit zwischen den Leitern einer Plattenseite
Temperaturerhöhung.
Links unten bei der Leiterbahnbreite anfangen.
Rüber bis zur Kupferstärke.
Hoch bis zur gewünschten Stromstärke (oder akzeptablen Temperaturerhöhung)
Innenlagen haben andere Kurven.
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