Rob's web

Elkologie

'n praatje over kondensatoren, kapaciteit van elko's frekwentie-afhankelijk

Dat vooral elektrolytische kondensatoren naast kapaciteit, vanwege de toegepaste wikkelmetode, ook induktie bezitten zal voor velen oud nieuws zijn. Bij hoge frekwenties zal de impedantie voor een groot deel door deze parasitaire induktie bepaald worden. Het is zelfs zo dat een elko zich als een bandfilter voor hoge frekwenties gedraagt en dus ook een resonantiefrekwentie kent.

Wat minder bekend zal zijn, en waarop de heer H. Voeten uit Zwolle ons attent maakte, is dat de kapaciteit bij lage frekwenties duidelijk frekwentie-afhankelijk is. Dat heeft te maken met ionenverplaatsing in het elektrolyt. Meer hierover in deze bijdrage.

Nu we het in dit artikel toch over kondensatoren hebben, en in het bijzonder over de elektrolytische uitvoering, nemen we meteen maar de kans waar om deze in de elektronica veelvuldig toegepaste komponenten eens wat uitvoeriger te bespreken.

De kondensator

Eerst even wat over de werking van een kondensator, opdat ook zij die niet zo thuis zijn in deze materie dit artikel kunnen waarderen.

In zijn eenvoudigste vorm bestaat de kondensator uit twee vlakke, metalen platen die gescheiden zijn door een elektrisch isolerend materiaal, het zogenaamde diëlektricum (zie figuur 1). Door op de platen een spanning aan te sluiten (figuur 2), gebeurt het volgende: de elektronen (negatief geladen deeltjes), afkomstig van de negatieve pool van de spanningsbron, zullen wanneer zij op plaat a terechtgekomen zijn de elektronen op plaat b afstoten (gelijke ladingen stoten elkaar af). De elektronen van plaat b zullen door de positieve pool van de spanningsbron aangetrokken worden. Er is dus sprake van een elektronentransport; met andere woorden er loopt een elektrische stroom. Doordat plaat a met elektronen geladen wordt en elektronen van plaat b verdwijnen, ontstaat er over de platen een potentiaalverschil, kortweg spanning genoemd. Wanneer deze spanning gelijk is aan die van de bron, houdt het elektronentransport op; de kondensator is geladen. Opgemerkt dient te worden dat er geen elektrische stroom van plaat a naar plaat b loopt! Beide platen zijn immers gescheiden door een isolerend materiaal.

Fig 1
Figuur 1. In zijn eenvoudigste vorm bestaat een kondensator uit twee vlakke platen die gescheiden zijn door een elektrisch isolerend materiaal look lucht kan als isolator dienen).

Fig 2
Figuur 2. Door op de platen een spanning aan te sluiten treedt er een ladingsverplaatsing op in de vorm van een elektronentransport.

De stroom is slechts van tijdelijke aard (totdat de kondensator geladen is). Door de spanningsbron steeds om te polen (wisselspanning) wordt de stroom in stand gehouden. Men zegt dan ook: Een kondensator laat alleen wisselstroom door.

De grootte van de stroom is afhankelijk van de lading die in de kondensator verplaatst wordt. De verplaatsbare lading is op haar beurt afhankelijk van de aangelegde spanning en van de kondensator. De samenhang tussen spanning en lading drukt men uit in de zogenaamde kapaciteit. Hoe groter de kapaciteit, hoe meer lading er bij een bepaalde spanning verplaatst wordt en hoe beter de kondensator wisselstroom doorlaat.

Hoe kan de kapaciteit vergroot worden? Ten eerste door een groter plaatoppervlak, ten tweede door een dunner diëlektricum en ten derde door een beter diëlektricum. Om een zo groot mogelijke kapaciteit bij zo klein mogelijke afmetingen van de kondensator te krijgen, hebben fabrikanten naar verschillende oplossingen gezocht.

Voor de platen maakt men gebruik van zeer dunne metaalfolie. Tussen twee lagen folie bevindt zich een dun diëlektricum. Hoe dunner het diëlektricum, hoe groter de kapaciteit, maar hoe lager de maximale spanning over de kondensator zal zijn, opdat geen spanningsdoorslag optreedt. Om de afmetingen verder te beperken, kan men meerdere lagen metaalfolie en diëlektricum op elkaar stapelen (zie figuur 3a). Dit type noemt men een gelaagde kondensator. Het diëlektricum kan uit papier, kunststof of uit een of ander keramisch materiaal bestaan; men spreekt dan ook over papier-, polyester-, polykarbonaat- of keramische kondensatoren. Ieder soort diëlektricum heeft zijn typische eigenschappen en maakt de kondensator dan ook voor bepaalde doeleinden geschikt.

Fig 3
Figuur 3. Om grote kapaciteitswaarden bij kleine afmetingen te verkrijgen, kunnen meerdere lagen metaalfolie en dielektricum op elkaar gestapeld worden (3a). Een andere metode bestaat uit het wikkelen (oprollen) van metaalfolie en diëlektricum (3b).

Naast de gelaagde kondensator kent men ook het gewikkelde type. Hierbij zijn metaalfolie en diëlektricum opgerold (zie figuur 3b). Tegenover een eenvoudige fabrikage staat wel een hogere parasitaire induktie dan die van het gelaagde type.

De tot nu toe besproken typen noemt men filmkondensatoren, omdat ze uit dunne filmen van metaal en isolatiemateriaal zijn opgebouwd. Ondanks de toepassing van zeer dunne metaalfolie en een eveneens dun diëlektricum nemen de afmetingen bij hoge kapaciteitswaarden en werkspanningen ontoelaatbaar toe. Filmkondensatoren worden dan ook slechts gefabriceerd met maximale waarden van enkele mikrofarad. Een oplossing van aangehaald probleem heeft men gevonden in de ontwikkeling van de elektrolytische kondensator.

De elektrolytische kondensator

De platen van de elektrolytische kondensator bestaan ook uit zeer dunne metaalfolie. In de praktijk wordt hiervoor aluminium of tantaal gebruikt. Als voorbeeld nemen we de elektrolytische aluminiumkondensator.

Ook de elektrolytische kondensator (afgekort "elko") bestaat in feite uit twee platen en een isolator. Aangezien de elko poolgevoelig is, spreekt men over de anode- (positief) en de katodeplaat (negatief). Bij de elko bestaat de katode niet enkel uit een metaalfolie, maar uit een metaalfolie plus een elektrolyt (elektrisch geleidende vloeistof). In figuur 4 is de opbouw van de elko vereenvoudigd getekend. De aluminiumfolie aan de katodekant dient alleen maar voor de stroomtoevoer naar het elektrolyt via een groot oppervlak. Het diëlektricum bestaat uit aluminiumoxyde. Aluminiumoxyde is een zeer goede isolator en heeft een hoge doorslagspanning (800 miljoen volt per meter!). Het diëlektricum kan dus erg dun zijn. Hierdoor kunnen grote kapaciteiten (zelfs tot 1 farad) bereikt worden bij relatief kleine afmetingen.

Fig 4
Figuur 4. Bij de elko bestaat de katode niet enkel uit een metaalfolie, maar uit een metaalfolie plus een elektrolyt (elektrisch geleidende vloeistof). Het diëlektricum bestaat uit aluminiumoxyde, dat verkregen wordt door anodiseren.

De aluminiumoxydelaag op de anode wordt verkregen door anodiseren van de aluminiumfolie. Anodiseren is een elektrochemisch procédé, waarbij het aluminium in een elektrolytisch bad gedompeld wordt (figuur 5). Tussen het bad en het aluminium brengt men een spanning (de formeerspanning) aan, waarbij het aluminium als anode (=positief) dient. De zich in het bad bevindende zuurstof-ionen (negatief geladen zuurstof-atomen) gaan een binding aan met het aluminium. Op deze wijze ontstaat een aluminiumoxydelaag, waarvan de dikte afhankelijk is van de formeerspanning. De dikte van het diëlektricum heeft men dus nauwkeurig in de hand. De geformeerde aluminiumfolie kan nu gebruikt worden als anode voor de elko.

Fig 5
Figuur 5. Anodiseren is een elektrochemisch procédé, waarbij het aluminium in een elektrolytisch bad gedompeld wordt en door middel van een elektrische stroom van een oxydelaag voorzien wordt. Het aluminium dient hierbij als plus-pool (anode).

Aluminium-elko's worden tegenwoordig alleen nog maar gewikkeld. De anode-folie en de folie die deel uitmaakt van de katode, worden gescheiden door een papierlaag. De funktie van dit papier is tweeërlei: het dient als "houder" voor het elektrolyt (sponseffekt) en het voorkomt sluiting tussen beide aluminiumfolies (door beschadiging van de oxyde-laag tijdens het wikkelen).

Om de kapaciteit van elko's nog extra te vergroten, wordt de anode voor het formeren eerst geëtst. Hierdoor verkrijgt men een ruwer en daardoor ook een groter oppervlak, hetgeen een vergroting van de kapaciteit betekent. De ruwe, oppervlaktevergrotende struktuur (zie figuur 6) vormt geen probleem; de uit vloeistof bestaande katode past zich hier volledig op aan. Tegenwoordig fabriceert men vrijwel uitsluitend elko's met ruwe anode; de gladde anode geraakt meer en meer uit produktie.

Fig 6
Figuur 6. Een 2500-voudige vergroting van geetst aluminium, zoals dat in elektrolytische kondensatoren toegepast wordt. Door het etsen wordt het werkzame anode-oppervlak sterk vergroot.
(Bron: Siemens Datenbuch 1980/81.)

Er wordt niet alleen vloeibaar elektrolyt toegepast, maar ook elektrolyt in "pasta"-vorm. Daarom spreekt men van "natte" en "droge" elko's.

Zoals gezegd is de elko poolgevoelig en moet de anode altijd positief zijn ten opzichte van de katode. De spanning over de elko mag zeker niet hoger zijn dan de formeerspanning, daar anders verder geanodiseerd wordt en de elko door de daarbij vrijkomende warmte explodeert. Wordt de elko verkeerd gepoold (anode negatief t.o.v. katode) dan wordt de aluminiumfolie die deel uitmaakt van de katode geanodiseerd, hetgeen eveneens het einde betekent. Voor wisselspanningstoepassingen zijn zogenaamde bipolaire elko's ontwikkeld; deze zijn dus niet poolgevoelig.

In plaats van aluminium kan men ook tantaal gebruiken. Men spreekt dan over elektrolytische tantaalkondensatoren (tantaal-elko's). Tantaal-elko's worden echter niet gewikkeld, aangezien gebruik wordt gemaakt van gesinterd tantaalpoeder. De anode en de katode zitten als bekertjes in elkaar.

De elko en zijn impedantie

We hebben al opgemerkt dat de eenvoudige wikkelmetode een ongewenste induktie introduceert. De parasitaire induktie heeft vooral bij hogere frekwenties een groot aandeel in de impedantie (wisselstroomweerstand) van de elko. Behalve de bipolaire typen zijn elko's toch alleen maar geschikt voor gelijkspanning, dus geen probleem... Fout! Want ook een wisselspanning, gesuperponeerd op een gelijkspanning, levert problemen op. Denk bijvoorbeeld maar eens aan afvlakking in netvoedingen, ontkoppeling van voedingsspanningen en DC-scheiding tussen twee versterkertrappen. Bij dit soort toepassingen kan men dus niet alleen maar rekenen met de op de kondensator aangegeven kapaciteit.

En dan kent de elko ook nog een ohmse weerstand die gevormd wordt door het elektrolyt. Deze weerstand is sterk temperatuurafhankelijk. De frekwentieafhankelijkheid van de impedantie blijkt duidelijk uit het vervangingsschema van de elko (figuur 7). De elko bestaat in feite uit een serieschakeling van een kapaciteit, een ohmse weerstand en een induktie. Ter illustratie is in figuur 8 de impedantiekurve van een elko van 100 µF/63 V bij verschillende temperaturen uitgezet. Duidelijk is te zien dat de impedantie tot zo'n 60 à 80 kHz (bij 20°C) hoofdzakelijk door de R en de C uit het vervangingsschema bepaald wordt en bij hogere frekwenties door de R en de L. Wat ook uit de kurve blijkt is dat de elko een resonantiefrekwentie kent, waarbij zijn impedantie minimaal is. Hij gedraagt zich dus als een banddoorlaatfilter voor hoge frekwenties (LCR-seriekring).

Fig 7
Figuur 7. Het elektrische vervangingsschema van de elektrolytische aluminiumkondensator.

Fig 8
Figuur 8. De impedantiekurve van een aluminium-elko van 100 µF/63 V bij verschillende temperaturen. (Bron: Siemens Datenbuch 1980/81.)

Wissel- en gelijkstroomkapaciteit

Zoals gezegd bestaat de katode van een elko uit een elektrolytische vloeistof (of pasta). Stroomgeleiding in een vloeistof vindt op een ietwat andere wijze plaats dan in een vaste stof (een metaal bijvoorbeeld). In vaste stoffen is er sprake van een elektronentransport, terwijl in vloeistoffen ook ionen aan de geleiding deelnemen. Elektronen zijn vanwege hun geringe afmetingen en massa erg beweeglijk en kunnen dan ook de snelste spanningsvariaties op de voet volgen. Anders is het gesteld met de veel grotere en zwaardere ionen; deze zijn veel trager, vooral bij lage temperaturen. Wanneer de temperatuur dermate laag is dat het vloeibare elektrolyt in een vaste stof overgaat, zitten de ionen als het ware op hun plaats vastgevroren en nemen dan ook niet meer aan de geleiding deel. Alleen de elektronen zijn dan nog in staat lading te verplaatsen (kenmerkend voor de vaste stof). Het resultaat is dan ook een sterk verminderde kapaciteit. Aangezien ionen niet zo beweeglijk zijn, dringen zij ook maar moeilijk door tot de diepste plaatsen in de poriën van de ruwe anode, wanneer hun daar weinig tijd voor gegund wordt. Bij (gesuperponeerde) wisselspanning zullen de diepere poriën dan ook niet aan de kondensatorwerking deelnemen, hetgeen een kleiner werkzaam anode-oppervlak betekent. De elektrolytische kondensator heeft dus bij gelijkspanning een grotere kapaciteit dan bij wisselspanning; met andere woorden de kapaciteit is frekwentie-afhankelijk. Men onderscheidt bij elko's dan ook een gelijkspannings en een wisselspanningskapaciteit, resp. de G- en de W-kapaciteit genoemd.

De W-kapaciteit wordt volgens DIN. norm met een 50 Hz wisselspanning van ≤ 0,5 V (laag genoeg om vernieling te voorkomen) en bij een temperatuur van 20°C gemeten. De IEC-norm schrijft een meetfrekwentie van 100 of 120 Hz voor. De G-kapaciteit wordt bepaald door tijdsmeting van een een matige ontlading van een tot nominale spanning opgeladen elko.

De G-kapaciteit is belangrijk wanneer de kondensator gebruikt wordt in tijdbepalende schakelingen (waarin de elko relatief langzaam geladen of ontladen wordt). Met de W-kapaciteit moet gerekend worden als het gaat om bijvoorbeeld afvlakking in netvoedingen. Afhankelijk van het toepassingsgebied vermeldt de fabrikant daarom de G- of de W-kapaciteit op de elko.

De W-kapaciteit is doorgaans 1,1 tot 1,5 maal kleiner dan de G-waarde. De grootste verschillen treden op bij elko's met een lage maximumspanning. Het diëlektricum is bij deze elko's immers zeer dun en daardoor zijn de poriën in de ruwe anode na het anodiseren dieper dan bij een elko met een hoge maximumspanning.

Naar aanleiding van de publikatie van "digifarad" (Elektuur, sept. '79) maakte de heer Voeten uit Zwolle ons attent op het feit dat men voorzichtig moet zijn met de interpretatie van de met dit instrument gemeten kapaciteitswaarde van elko's. Digifarad meet namelijk volgens een metode die veel lijkt op die ter bepaling van de G-waarde. Aangezien op de meeste elko's de W-waarde vermeld staat, meet men met digifarad doorgaans een te hoge waarde. Dat hoeft niet fout te zijn, men moet alleen rekening houden met de toepassing van de kondensator (is de G- of de W-waarde belangrijk?).

Ter illustratie zijn in de tabel enkele door de heer Voeten gemeten kapaciteitswaarden van elko's bij verschillende frekwenties aangegeven.

Gemeten kapaciteit in µF bij
Type0 Hz50 Hz100 Hz1000 Hz
47 µF, 350 V54,1 112%49,2 103%47,9 100%43,2 90%
6800µF, 25V8760 120%7370 100%7330 100%6670 90%
680µF, 25V829 111%759 101%749 100%699 93%
100µF, 25V133 110%122 101%121 100%110 90%
4,7µF, 25V4,27 109%4,04 103%3,92 100%3,47 88%

Literatuur

  1. "Aluminium- und Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren", Siemens Datenbuch 1980/81