Dielektrische Absorption: Unterschied zwischen den Versionen

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Dielektrische Absorption: Unterschied zwischen den Versionen

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Die '''dielektrische Absorption''' ({{laS|''absorbere''}} „absaugen, aufsaugen“) beschreibt die Verluste bzw. Abweichungen vom einfachen idealen Verhalten eines [[Dielektrikum]]s im [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]]. In [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]] zeigt sich der Effekt einerseits als [[Dielektrischer Verlustfaktor|dielektrischer Verlust]] bei [[Wechselspannung]]sbetrieb und andererseits als eine zeitabhängige Spannung am Kondensator trotz konstanter Ladung, z.&nbsp;B. in Form einer nach dem Entladen wiederkehrenden Spannung im Kondensator, die u. U. auch gefährlich sein kann (Nachladeeffekt). In [[Timer|zeitbestimmenden]] Schaltungsteilen oder Halteschaltungen kann dies zu Fehlern führen.<ref>K. Kundert: [http://www.designers-guide.org/Modeling/da.pdf ''Modeling Dielectric Absorption in Capacitors.''] (PDF).</ref> In Hochfrequenzleitungen kann die dielektrische Absorption zur Dämpfung beitragen. In Elektrolytkondensatoren ist die dielektrische Absorption beim Einschalten ein Teil des Reststromes.<ref name="AVX">[http://www.avx.com/docs/techinfo/1_Analysis.pdf ''Analysis of solid tantalum capacitor leakage current''] (PDF).</ref>
Die '''dielektrische Absorption''' ({{laS|absorbere}} „absaugen, aufsaugen“) beschreibt den Effekt eines [[Dielektrikum]]s, im [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]] Relaxationseffekte im Zeitbereich von Sekunden und Minuten zu zeigen.
 
In [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]] zeigt sich der Effekt einerseits als eine nach dem Entladen (Kurzschließen) wiederkehrende Spannung im Kondensator (Nachladeeffekt) und in einem langsamen, oft über eine Zeit von mehreren Minuten, abnehmendem Leckstrom bei frisch angelegter konstanter Spannung. Besonders bei Elektrolytkondensatoren kann dieser Effekt beobachtet werden; hier kann er auch elektrochemische Ursachen haben.<ref name="AVX">[http://www.avx.com/docs/techinfo/1_Analysis.pdf ''Analysis of solid tantalum capacitor leakage current''] (PDF; 183&nbsp;kB).</ref>
 
In [[Timer]]n oder [[Sample-and-Hold-Schaltung]]en kann dies zu Fehlern führen.<ref>K. Kundert: [http://www.designers-guide.org/Modeling/da.pdf ''Modeling Dielectric Absorption in Capacitors.''] (PDF; 340&nbsp;kB).</ref>
 
Der Nachladeeffekt kann bei Folienkondensatoren zu Gefahren führen, da die Spannung und die Energie lebensgefährlich sein können. Kondensatoren für höhere Nennspannungen werden daher stets kurzgeschlossen transportiert und gehandhabt.
 
Die Bestimmung der dielektrischen Absorption von Kondensatoren ist im Standard MIL-C-19978 D beschrieben.


== Erklärung ==
== Erklärung ==
[[Datei:Dipole im elektrischen Feld.svg|mini|Die ungerichteten permanenten molekularen Dipole in einem Dielektrikum (oben) richten sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes aus (unten)]]
[[Datei:Dipole im elektrischen Feld.svg|mini|Die ungerichteten permanenten molekularen Dipole in einem Dielektrikum (oben) richten sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes aus (unten)]]
[[Datei:Relaxation f inf gt f 0.png|mini|Exponentielle Relaxation einer Größe <math>f(t)</math> vom Ausgangswert <math>f_0</math> zum Gleichgewichtswert <math>f_\infty</math> im Fall <math>f_\infty>f_0</math>.]]
[[Datei:Dielektrische Absorption.png|mini|Schaltungsmodell zur Erklärung eines zeitverzögerten Spannungsaufbaus durch parallel geschaltete RC-Zeitglieder]]
[[Datei:Dielektrische Absorption.png|mini|Schaltungsmodell zur Erklärung eines zeitverzögerten Spannungsaufbaus durch parallel geschaltete RC-Zeitglieder]]


In einem realen Dielektrikum kann die Polarisation nicht sofort einem veränderlichen, elektrischen Feld folgen. So erfordert es eine gewisse Zeit, bis permanente, elektrische [[Dipol]]e im Dielektrikum durch [[Polarisation]] ihre mittlere Ausrichtung an ein verändertes Feld anpassen. Die dielektrische Absorption führt zu einer Umwandlung von Energie aus dem Wechselfeld in Wärme, sowohl ungewollt im nicht idealen Kondensator oder gezielt im [[Mikrowellenofen]].
In einem realen Dielektrikum kann die Polarisation nicht sofort einem veränderlichen, elektrischen Feld folgen. So erfordert es eine gewisse Zeit, bis permanente [[Elektrischer Dipol|elektrische Dipole]] im Dielektrikum durch [[Polarisation]] ihre mittlere Ausrichtung an ein verändertes Feld anpassen. Die dielektrische Absorption deponiert Energie in langsam relaxierender Polarisation.


Das zwischen den Elektroden entstehende [[Elektrisches Feld|elektrische Wechselfeld]] richtet die ungeordneten permanenten elektrischen [[Dipol]]e im Dielektrikum durch [[Polarisation]] zur jeweiligen Feldrichtung aus. Die Polarisation der Dipole hat Verluste durch [[dielektrische Erwärmung]] zur Folge und geht mit einer Erwärmung des Kondensators einher. Die dielektrische Absorption saugt, bildlich gesehen, die zur Polarisation benötigte Energie in sich auf.
Dielektrische Absorption ist an sich dem dielektrischen Verlustfaktor zuzuordnen, meint jedoch ausschließlich die sich sehr langsam auf- und abbauende Polarisation. Sie ist insofern vom [[Verlustfaktor]] bzw. dem [[Gütefaktor]] des Kondensators zu unterscheiden.
Dielektrische Absorption und dielektrische Verluste sind an sich synonym. Bei vielen Kondensatoren ist die dielektrische Absorption damit die wesentliche Quelle für elektrische Verluste und bestimmt – unter Vernachlässigung der Zuleitungsverluste – den [[Verlustfaktor]], [[Kondensator (Elektrotechnik)#Normung und Ersatzschaltbild|ESR]] oder [[Gütefaktor]] des Kondensators.


Diese Eigenschaften werden im Frequenzbereich von ca. 0,01&nbsp;Hz bis 1&nbsp;GHz, dem Bereich, in dem handelsübliche Kondensatoren gewöhnlich betrieben werden, bestimmt durch eine materialabhängige [[Relaxation (Naturwissenschaft)|Relaxationszeitkonstante]]. Diese führt gegenüber dem Raumladungsprozess des Kondensators zu einer zeitlich verzögerten Ausrichtung der [[Polarisation|polarisierten]] permanenten [[Molekül|molekularen]] [[Dipol]]e im Dielektrikum. Die Zeitkonstante ist Erklärung für die Frequenzabhängigkeit der relativen [[Permittivität]] <math>\varepsilon_r</math> vieler Dielektrika für Kondensatoren. Da im genannten Frequenzbereich die Dipole überwiegend durch eine [[Orientierungspolarisation]] polarisiert werden, bei der die dielektrische Relaxation weitgehend mit der dielektrischen Absorption übereinstimmt, wird die dielektrische Absorption auch oft '''[[Dielektrische Spektroskopie#Dielektrische Relaxation|dielektrische Relaxation]]''' genannt.
Materialabhängige große Relaxations-Zeitkonstanten bewirken, dass nach einem vollständigen Entladen eines Kondensators eine materialabhängige Anzahl molekularer Dipole in Feldrichtung polarisiert sind, ohne dass zunächst noch eine Spannung an den Anschlüssen messbar ist. Die verbleibende Polarisation im Dielektrikum relaxiert im Laufe der Zeit, wodurch dann an den Elektroden des Kondensators wieder eine Spannung in der Polarität der vorher angelegten Spannung entsteht. Die dielektrische Absorption führt zu einem '''Nachladeeffekt'''.


Die materialabhängige Relaxationszeitkonstante bewirkt auch, dass nach einem vollständigen Entladen eines Kondensators eine materialabhängige Anzahl molekularer Dipole in Feldrichtung polarisiert sind, ohne dass zunächst noch eine Spannung an den Anschlüssen messbar ist. Die verbleibende Polarisation im Dielektrikum relaxiert allerdings im Laufe der Zeit, wodurch dann an den Elektroden des Kondensators wieder eine Spannung in der Polarität der vorher angelegten Spannung entsteht, sozusagen „nachgeladen“ wird. In älteren Veröffentlichungen wird die dielektrische Absorption deshalb auch als '''Nachladeeffekt''' beschrieben.
Die Spannung durch den Nachladeeffekt baut sich langsam auf, ähnlich einer Exponentialfunktion.<ref>{{Internetquelle |autor=Rod Elliott |url=http://sound.westhost.com/articles/capacitors.htm#s21 |titel=2.1 – Dielectric Absorption |werk=Capacitor Characteristics |datum=2005-09-24 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20131202143400/http://sound.westhost.com/articles/capacitors.htm#s21 |archiv-datum=2013-12-02 |archiv-bot=2018-04-06 17:43:07 InternetArchiveBot |offline=1 |abruf=2013-11-24}}</ref> Bis zum selbsttätigen Entladen des Kondensator kann es bei hohen Isolationswiderständen der Kondensatorfolie Tage, Wochen oder sogar Monate dauern. Das Entladen mit anschließender Nachladung lässt sich mehrfach wiederholen.


Die Spannung durch den Nachladeeffekt baut sich langsam auf, ähnlich einer Exponentialfunktion.<ref>{{Internetquelle | titel = 2.1 – Dielectric Absorption | werk = Capacitor Characteristics | url = http://sound.westhost.com/articles/capacitors.htm#s21 | zugriff =2013-11-24| datum =2005-09-24| autor= Rod Elliott }}</ref> Bis zum Entladen aller Dipole kann es materialabhängig Tage bis Wochen dauern. Die „nachgeladene“ Spannung kann sich bei den hohen Isolationswiderständen heute üblicher Kondensatordielektrika – auch bei [[Elektrolytkondensator]]en – monatelang halten. Das Entladen mit anschließender Nachladung lässt sich mehrfach wiederholen.
Bei [[Doppelschichtkondensator]]en tritt ein ähnlicher Effekt spontaner Wiederkehr der Spannung nach dem Entladen auf und wird mit der Umverteilung von Ladungen in der Elektrodenstruktur erklärt und wird hier auch ''Memory-Effekt'' genannt.<ref>https://www.researchgate.net/profile/Pawel_Jakobczyk/publication/236614714_Self-discharge_of_electrochemical_double_layer_capacitors/links/0a85e531f341cc61e5000000.pdf Andrzej Lewandowski, Pawel Jakobczyk, Maciej Galinski, Marcin Biegun: ''Self-discharge of electrochemical doublelayer capacitors'', in Phys.Chem.Chem.Phys. 2013 (Jg. 15), Seite 8692–8699, DOI: 10.1039/c3cp44612c</ref>


== Messung ==
== Messung ==
Das Messverfahren für den Nachladeeffekt der dielektrischen Absorption wird in [[Europäische Norm|EN]] 60384-1 festgelegt: Der Kondensator wird 60 Minuten mit Nennspannung geladen, dann über einen Widerstand von 5&nbsp;Ω für 10 Sekunden entladen. Nach Entfernen des Entladewiderstandes wird nach einer 15 minütigen Erholungszeit die entstandene Spannung gemessen. Die Größe der durch die dielektrische Absorption entstehenden Spannung wird im Verhältnis zur ursprünglich angelegten Spannung in Prozent angegeben und hängt von dem verwendeten Dielektrikum ab. Sie wird bei vielen Herstellern in den Datenblättern spezifiziert.<ref>[http://www.wima.de/EN/characteristics.htm WIMA, Characteristics of Metallized Film Capacitors in Comparison with Other Dielectrics]</ref><ref>[http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/Capacitors/FilmCapacitors/PDF/PDF__GeneralTechnicalInformation,property=Data__en.pdf;/PDF_GeneralTechnicalInformation.pdf Film Capacitors, TDK Epcos, General technical information] (PDF; 1,4&nbsp;MB)</ref><ref>[http://www.avx.com/docs/techinfo/General/dielectr.pdf AVX, Dielectric Comparison Chart] (PDF; 161&nbsp;kB)</ref><ref>[http://www.holystoneeurope.com/PDF/TechNotes/201401161441070.Capdielectriccomp3.pdf Holystone, Capacitor Dielectric Comparison, Technical Note 3] (PDF; 64&nbsp;kB)</ref>
Ein Messverfahren für den Nachladeeffekt bzw. die dielektrische Absorption wird in [[Europäische Norm|EN]] 60384-1 festgelegt: Der Kondensator wird 60 Minuten mit Nennspannung geladen, dann über einen Widerstand von 5&nbsp;Ohm für 10 Sekunden entladen. Nach MIL-C-19978 D beträgt die Ladezeit 15 Minuten und der Ladestrom darf 50&nbsp;mA nicht überschreiten. Der Entladewiderstand beträgt 50&nbsp;Ω, die Entladung 10&nbsp;s.<ref name="wima">https://www.wima.de/de/service/knowledge-base/grundlagen-der-kondensatorentechnologie/ ''knowledge base'' des Kondensatorherstellers WIMA, abgerufen am 18. NOV. 2020</ref>
 
Nach Entfernen des Entladewiderstandes wird nach beiden Standards nach einer 15 minütigen Wartezeit die entstandene Spannung gemessen. Die Größe der durch die dielektrische Absorption entstehenden Spannung wird im Verhältnis zur ursprünglich angelegten Spannung in Prozent angegeben. Sie wird bei vielen Herstellern in den Datenblättern angegeben.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.wima.de/EN/characteristics.htm |text=WIMA, Characteristics of Metallized Film Capacitors in Comparison with Other Dielectrics |wayback=20121105021659 |archiv-bot=2018-04-06 17:43:07 InternetArchiveBot}}</ref><ref>[http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/Capacitors/FilmCapacitors/PDF/PDF__GeneralTechnicalInformation,property=Data__en.pdf;/PDF_GeneralTechnicalInformation.pdf Film Capacitors, TDK Epcos, General technical information] (PDF; 1,4&nbsp;MB)</ref><ref>[http://www.avx.com/docs/techinfo/General/dielectr.pdf AVX, Dielectric Comparison Chart] (PDF; 161&nbsp;kB)</ref><ref>[http://www.holystoneeurope.com/PDF/TechNotes/201401161441070.Capdielectriccomp3.pdf Holystone, Capacitor Dielectric Comparison, Technical Note 3] (PDF; 64&nbsp;kB)</ref>


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| Klasse-1-[[Keramikkondensator]]en, NP0 || 0,6 %
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| Polypropylen-[[Folienkondensator]]en (PP) || 0,05 bis 0,1 %<ref name="wima"/>
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| Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren (PPS) || 0,05 bis 0,1 %
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| Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren (PEN) || 1,0 bis 1,2 %
| Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren (PEN) || 1,0 bis 1,2 %
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| [[Tantal-Elektrolytkondensator]]en mit festem Elektrolyten || 1 bis 5 %<ref> Hardware Design Techniques - Analog Devices,  HARDWARE DESIGN TECHNIQUES, 9.1 PASSIVE COMPONENTS, Dielectric Absorption, Page 9.4 [http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/39-06/Chapter%209%20Hardware%20Design%20Techniques%20F.pdf PDF]</ref>, 10 %<ref name="AVX" />
| [[Tantal-Elektrolytkondensator]]en mit festem Elektrolyten || 1 bis 5 %<ref>Hardware Design Techniques - Analog Devices,  HARDWARE DESIGN TECHNIQUES, 9.1 PASSIVE COMPONENTS, Dielectric Absorption, Page 9.4 [http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/39-06/Chapter%209%20Hardware%20Design%20Techniques%20F.pdf PDF]</ref>, 10 %<ref name="AVX" />
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| Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten || etwa 10 %<ref>CDE, Aluminum Electrolytic Capacitor Application Guide [http://www.cde.com/catalogs/AEappGUIDE.pdf cde.com] (PDF)</ref>
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| Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten || etwa 10 %<ref>CDE, Aluminum Electrolytic Capacitor Application Guide [http://www.cde.com/catalogs/AEappGUIDE.pdf cde.com] (PDF; 1,4&nbsp;MB)</ref>
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Für Doppelschichtkondensatoren gibt es keine von Herstellern abgesicherten Werte zur Größe der dielektrischen Absorption, deshalb kann in der obigen Tabelle kein Zahlenwert angegeben werden.
== Auswirkungen ==
Die durch die dielektrische Absorption entstehende Spannung an den Anschlüssen kann in Analogschaltungen wie beispielsweise [[Sample-and-Hold-Schaltung]]en, [[Operationsverstärker#Integrierer|Integrierern]] oder [[Messverstärker]]n zu Problemen führen. Es werden daher dort eher Klasse-1-Keramik- oder Polypropylen-Kondensatoren anstatt Klasse-2-Keramikkondensatoren, Polyester-Folienkondensatoren oder Elkos eingesetzt.
 
Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren kann die durch den Nachladeeffekt entstehende Spannung für noch nicht eingebaute Bauelemente z.&nbsp;B. während des Einbaus eine Gefährdung sein<!-- <siehe Diskussionsseite>-->.<ref>[http://www.keith-snook.info/capacitor-soakage.html Gefährdung durch Dielektrische Absorption] (englisch).</ref> Es können durch diese Spannung, die bei 400-V-Elkos durchaus 50&nbsp;V betragen kann, beim Einbau in die Schaltung Schäden an Halbleitern oder weiteren Bauelementen verursacht werden.
 
Hochspannungs- und [[Leistungskondensator]]en werden kurzgeschlossen transportiert und gehandhabt; hier sind die Nachlade-Spannungen unter Umständen lebensgefährlich.


== Auswirkungen in Schaltungen ==
Der Reststromverlauf unter anderem von Elektrolytkondensatoren zeigt ein Zeitverhalten, nach dem der Strom zunächst größer als der eigentliche Langzeitwert des Reststromes ist.<ref name="AVX" />
Bei den heute üblichen Kondensatoren hat dieser Effekt zwei Auswirkungen. Die durch die dielektrische Absorption entstehende Spannung an den Anschlüssen kann unter Umständen in der Funktion einer Schaltung zu Problemen führen. Bei empfindlichen Analogschaltungen wie beispielsweise [[Sample-and-Hold-Schaltung]]en, [[Operationsverstärker#Integrierer|Integratoren]] oder [[Messverstärker]]n kommen dann Klasse-1-Keramik- oder Polypropylen-Kondensatoren anstatt Klasse-2-Kerkos, Polyester-Folienkondensatoren oder Elkos zum Einsatz. In der überwiegenden Anzahl der meisten Schaltungen, insbesondere wenn die Kondensatoren zur Siebung unerwünschter Frequenzen eingesetzt werden, hat aber diese oft minimale elektrische Nachladespannung keine Auswirkungen auf die elektrische Funktion.


Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten kann jedoch die durch den Nachladeeffekt entstehende Spannung für noch nicht eingebaute Bauelemente durch Funkenbildung während des Einbaus eine Gefährdung der Umwelt <!-- <siehe Diskussionsseite>--> darstellen.<ref>[http://www.keith-snook.info/capacitor-soakage.html Gefährdung durch Dielektrische Absorption] (englisch).</ref> Es können durch diese Spannung, die bei 400&nbsp;V-Elkos durchaus 50&nbsp;V betragen kann, beim Einbau in die Schaltung Schäden an Halbleitern oder weiteren Bauelementen verursacht werden. Größere [[Aluminium-Elektrolytkondensator]]en, aber auch Hochspannungs- und [[Leistungskondensator]]en, müssen daher kurzgeschlossen transportiert bzw. geliefert werden.
Dielektrische Absorption tritt auch bei der [[Isolationsprüfung]] von [[Transformator]]en, Kabeln und [[elektrische Maschine|elektrischen Maschinen]] in Erscheinung und indiziert je nach Verlauf eine eher gute oder eine eher schlechte Prognose: sinkt der gemessene Isolationswiderstand oder es stellt sich schnell ein geringer Wert ein, ist eher mit einem Ausfall zu rechnen. Steigt er jedoch von anfangs schlechten Werten an, gilt dies als normal und nicht besorgniserregend.<ref>https://www.rekirsch.at/user_html/1282834349/pix/user_img/pdfs/Center_Losungen/Isolationsprufung.pdf Mitteilung der Firma CHAUVIN ARNOUX Ges.m.b.H, abgerufen am 19. Nov. 2020</ref>


Die zweite Auswirkung des Effektes der dielektrischen Absorption ist erst seit kurzem bekannt und ist auf die erheblich verbesserten Eigenschaften moderner Kondensatoren zurückzuführen. Bei der genaueren Betrachtung des zeitlichen Verlaufes des Reststromes von Tantal-Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten nach dem Anlegen einer Spannung konnte herausgefunden werden, dass der Strom auf einen Wert ansteigt, der größer als der eigentliche Reststrom ist. Die Differenz wird mit dem Energiebedarf erklärt, der benötigt wird, um die zeitlich verzögerte spontane Ausrichtung der molekularen Dipole im Dielektrikum der Feldrichtung anzupassen. Dieser Strom ist somit ein Teil des Reststromes, kann aber durch gesonderte Betrachtungen von ihm getrennt werden.<ref name="AVX" />
Die Abnahme eines anfangs sehr hohen Reststromes kann bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren auch auf dem Effekt des Nachformierens beruhen und hat dann chemische Ursachen.


== Siehe auch ==
== Siehe auch ==
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== Weblinks ==
== Weblinks ==
*Paul Falstad: [http://www.falstad.com/circuit/#%24+1+5.0E-6+10.20027730826997+50+5.0+50%0Ac+288+144+288+192+0+1.9999999999999998E-5+1.7264781026323446%0Ac+352+144+352+192+0+2.9999999999999997E-5+1.700142159226915%0Ac+416+144+416+192+0+3.9999999999999996E-5+1.674377436769057%0Ac+480+144+480+192+0+4.9999999999999996E-5+1.74667957928016%0Ac+544+144+544+192+0+5.9999999999999995E-5+1.9247249279676366%0Ac+240+144+240+192+0+1.0E-5+1.7338489907138075%0Ar+240+192+240+256+0+100.0%0Ar+288+192+288+256+0+200.0%0Ar+352+192+352+256+0+300.0%0Ar+416+192+416+256+0+400.0%0Ar+480+192+480+256+0+500.0%0Ar+544+192+544+256+0+600.0%0Aw+544+144+480+144+0%0Aw+480+144+416+144+0%0Aw+416+144+352+144+0%0Aw+352+144+288+144+0%0Aw+288+144+240+144+0%0Aw+240+144+160+144+0%0Aw+544+256+480+256+0%0Aw+480+256+416+256+0%0Aw+416+256+352+256+0%0Aw+352+256+288+256+0%0Aw+288+256+240+256+0%0AS+96+128+160+128+0+0+false+0%0Aw+240+256+176+256+0%0AR+48+144+48+96+0+0+40.0+5.0+0.0+0.0+0.5%0Aw+48+144+96+128+0%0Aw+544+144+608+144+0%0Aw+544+256+608+256+0%0Ap+608+144+608+256+0%0AS+176+256+112+256+0+1+false+0%0Ag+112+384+112+416+0%0Aw+112+384+112+272+0%0As+96+208+160+208+0+1+true%0Aw+160+160+160+144+0%0Aw+96+240+96+208+0%0Aw+96+240+112+240+0%0Ar+160+160+160+208+0+10.0%0Ao+29+64+0+34+8.183476519740355+9.765625000000001E-155+0+-1%0A+ ''Circuit Simulator Applet.''] (Java-Applet) falstad.com (Schaltungssimulator mit einer Simulation eines Beispiels für den Nachladeeffekt eines Kondensators).
* Paul Falstad: [http://www.falstad.com/circuit/#%24+1+5.0E-6+10.20027730826997+50+5.0+50%0Ac+288+144+288+192+0+1.9999999999999998E-5+1.7264781026323446%0Ac+352+144+352+192+0+2.9999999999999997E-5+1.700142159226915%0Ac+416+144+416+192+0+3.9999999999999996E-5+1.674377436769057%0Ac+480+144+480+192+0+4.9999999999999996E-5+1.74667957928016%0Ac+544+144+544+192+0+5.9999999999999995E-5+1.9247249279676366%0Ac+240+144+240+192+0+1.0E-5+1.7338489907138075%0Ar+240+192+240+256+0+100.0%0Ar+288+192+288+256+0+200.0%0Ar+352+192+352+256+0+300.0%0Ar+416+192+416+256+0+400.0%0Ar+480+192+480+256+0+500.0%0Ar+544+192+544+256+0+600.0%0Aw+544+144+480+144+0%0Aw+480+144+416+144+0%0Aw+416+144+352+144+0%0Aw+352+144+288+144+0%0Aw+288+144+240+144+0%0Aw+240+144+160+144+0%0Aw+544+256+480+256+0%0Aw+480+256+416+256+0%0Aw+416+256+352+256+0%0Aw+352+256+288+256+0%0Aw+288+256+240+256+0%0AS+96+128+160+128+0+0+false+0%0Aw+240+256+176+256+0%0AR+48+144+48+96+0+0+40.0+5.0+0.0+0.0+0.5%0Aw+48+144+96+128+0%0Aw+544+144+608+144+0%0Aw+544+256+608+256+0%0Ap+608+144+608+256+0%0AS+176+256+112+256+0+1+false+0%0Ag+112+384+112+416+0%0Aw+112+384+112+272+0%0As+96+208+160+208+0+1+true%0Aw+160+160+160+144+0%0Aw+96+240+96+208+0%0Aw+96+240+112+240+0%0Ar+160+160+160+208+0+10.0%0Ao+29+64+0+34+8.183476519740355+9.765625000000001E-155+0+-1%0A+ ''Circuit Simulator Applet.''] (Java-Applet) falstad.com (Schaltungssimulator mit einer Simulation eines Beispiels für den Nachladeeffekt eines Kondensators).
*[http://www.iequalscdvdt.com/ Introduction to Capacitors]
* [http://www.iequalscdvdt.com/ Introduction to Capacitors]


== Fußnoten und Einzelhinweise ==
== Fußnoten und Einzelhinweise ==

Aktuelle Version vom 7. November 2021, 11:24 Uhr

Die dielektrische Absorption (lateinisch absorbere „absaugen, aufsaugen“) beschreibt den Effekt eines Dielektrikums, im elektrischen Feld Relaxationseffekte im Zeitbereich von Sekunden und Minuten zu zeigen.

In Kondensatoren zeigt sich der Effekt einerseits als eine nach dem Entladen (Kurzschließen) wiederkehrende Spannung im Kondensator (Nachladeeffekt) und in einem langsamen, oft über eine Zeit von mehreren Minuten, abnehmendem Leckstrom bei frisch angelegter konstanter Spannung. Besonders bei Elektrolytkondensatoren kann dieser Effekt beobachtet werden; hier kann er auch elektrochemische Ursachen haben.[1]

In Timern oder Sample-and-Hold-Schaltungen kann dies zu Fehlern führen.[2]

Der Nachladeeffekt kann bei Folienkondensatoren zu Gefahren führen, da die Spannung und die Energie lebensgefährlich sein können. Kondensatoren für höhere Nennspannungen werden daher stets kurzgeschlossen transportiert und gehandhabt.

Die Bestimmung der dielektrischen Absorption von Kondensatoren ist im Standard MIL-C-19978 D beschrieben.

Erklärung

Die ungerichteten permanenten molekularen Dipole in einem Dielektrikum (oben) richten sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes aus (unten)
Schaltungsmodell zur Erklärung eines zeitverzögerten Spannungsaufbaus durch parallel geschaltete RC-Zeitglieder

In einem realen Dielektrikum kann die Polarisation nicht sofort einem veränderlichen, elektrischen Feld folgen. So erfordert es eine gewisse Zeit, bis permanente elektrische Dipole im Dielektrikum durch Polarisation ihre mittlere Ausrichtung an ein verändertes Feld anpassen. Die dielektrische Absorption deponiert Energie in langsam relaxierender Polarisation.

Dielektrische Absorption ist an sich dem dielektrischen Verlustfaktor zuzuordnen, meint jedoch ausschließlich die sich sehr langsam auf- und abbauende Polarisation. Sie ist insofern vom Verlustfaktor bzw. dem Gütefaktor des Kondensators zu unterscheiden.

Materialabhängige große Relaxations-Zeitkonstanten bewirken, dass nach einem vollständigen Entladen eines Kondensators eine materialabhängige Anzahl molekularer Dipole in Feldrichtung polarisiert sind, ohne dass zunächst noch eine Spannung an den Anschlüssen messbar ist. Die verbleibende Polarisation im Dielektrikum relaxiert im Laufe der Zeit, wodurch dann an den Elektroden des Kondensators wieder eine Spannung in der Polarität der vorher angelegten Spannung entsteht. Die dielektrische Absorption führt zu einem Nachladeeffekt.

Die Spannung durch den Nachladeeffekt baut sich langsam auf, ähnlich einer Exponentialfunktion.[3] Bis zum selbsttätigen Entladen des Kondensator kann es bei hohen Isolationswiderständen der Kondensatorfolie Tage, Wochen oder sogar Monate dauern. Das Entladen mit anschließender Nachladung lässt sich mehrfach wiederholen.

Bei Doppelschichtkondensatoren tritt ein ähnlicher Effekt spontaner Wiederkehr der Spannung nach dem Entladen auf und wird mit der Umverteilung von Ladungen in der Elektrodenstruktur erklärt und wird hier auch Memory-Effekt genannt.[4]

Messung

Ein Messverfahren für den Nachladeeffekt bzw. die dielektrische Absorption wird in EN 60384-1 festgelegt: Der Kondensator wird 60 Minuten mit Nennspannung geladen, dann über einen Widerstand von 5 Ohm für 10 Sekunden entladen. Nach MIL-C-19978 D beträgt die Ladezeit 15 Minuten und der Ladestrom darf 50 mA nicht überschreiten. Der Entladewiderstand beträgt 50 Ω, die Entladung 10 s.[5]

Nach Entfernen des Entladewiderstandes wird nach beiden Standards nach einer 15 minütigen Wartezeit die entstandene Spannung gemessen. Die Größe der durch die dielektrische Absorption entstehenden Spannung wird im Verhältnis zur ursprünglich angelegten Spannung in Prozent angegeben. Sie wird bei vielen Herstellern in den Datenblättern angegeben.[6][7][8][9]

Kondensatortyp Dielektrische Absorption
Luft- und Vakuumkondensatoren nicht messbar
Klasse-1-Keramikkondensatoren, NP0 0,6 %
Klasse-2-Keramikkondensatoren, X7R 0,6 bis 1 %[5]
Klasse-2-Keramikkondensatoren, Z5U 2 bis 2,5 %[5]
Polypropylen-Folienkondensatoren (PP) 0,05 bis 0,1 %[5]
Polyester-Folienkondensatoren (PET) 0,2 bis 0,25 %[5]
Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren (PPS) 0,05 bis 0,1 %
Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren (PEN) 1,0 bis 1,2 %
Tantal-Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten 1 bis 5 %[10], 10 %[1]
Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten etwa 10 %[11]

Auswirkungen

Die durch die dielektrische Absorption entstehende Spannung an den Anschlüssen kann in Analogschaltungen wie beispielsweise Sample-and-Hold-Schaltungen, Integrierern oder Messverstärkern zu Problemen führen. Es werden daher dort eher Klasse-1-Keramik- oder Polypropylen-Kondensatoren anstatt Klasse-2-Keramikkondensatoren, Polyester-Folienkondensatoren oder Elkos eingesetzt.

Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren kann die durch den Nachladeeffekt entstehende Spannung für noch nicht eingebaute Bauelemente z. B. während des Einbaus eine Gefährdung sein.[12] Es können durch diese Spannung, die bei 400-V-Elkos durchaus 50 V betragen kann, beim Einbau in die Schaltung Schäden an Halbleitern oder weiteren Bauelementen verursacht werden.

Hochspannungs- und Leistungskondensatoren werden kurzgeschlossen transportiert und gehandhabt; hier sind die Nachlade-Spannungen unter Umständen lebensgefährlich.

Der Reststromverlauf unter anderem von Elektrolytkondensatoren zeigt ein Zeitverhalten, nach dem der Strom zunächst größer als der eigentliche Langzeitwert des Reststromes ist.[1]

Dielektrische Absorption tritt auch bei der Isolationsprüfung von Transformatoren, Kabeln und elektrischen Maschinen in Erscheinung und indiziert je nach Verlauf eine eher gute oder eine eher schlechte Prognose: sinkt der gemessene Isolationswiderstand oder es stellt sich schnell ein geringer Wert ein, ist eher mit einem Ausfall zu rechnen. Steigt er jedoch von anfangs schlechten Werten an, gilt dies als normal und nicht besorgniserregend.[13]

Die Abnahme eines anfangs sehr hohen Reststromes kann bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren auch auf dem Effekt des Nachformierens beruhen und hat dann chemische Ursachen.

Siehe auch

Weblinks

Fußnoten und Einzelhinweise

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Analysis of solid tantalum capacitor leakage current (PDF; 183 kB).
  2. ↑ K. Kundert: Modeling Dielectric Absorption in Capacitors. (PDF; 340 kB).
  3. ↑ Rod Elliott: 2.1 – Dielectric Absorption. (Nicht mehr online verfügbar.) In: Capacitor Characteristics. 24. September 2005, archiviert vom Original am 2. Dezember 2013; abgerufen am 24. November 2013.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/sound.westhost.com
  4. ↑ https://www.researchgate.net/profile/Pawel_Jakobczyk/publication/236614714_Self-discharge_of_electrochemical_double_layer_capacitors/links/0a85e531f341cc61e5000000.pdf Andrzej Lewandowski, Pawel Jakobczyk, Maciej Galinski, Marcin Biegun: Self-discharge of electrochemical doublelayer capacitors, in Phys.Chem.Chem.Phys. 2013 (Jg. 15), Seite 8692–8699, DOI: 10.1039/c3cp44612c
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 https://www.wima.de/de/service/knowledge-base/grundlagen-der-kondensatorentechnologie/ knowledge base des Kondensatorherstellers WIMA, abgerufen am 18. NOV. 2020
  6. ↑ WIMA, Characteristics of Metallized Film Capacitors in Comparison with Other Dielectrics (Memento des Originals vom 5. November 2012 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.wima.de
  7. ↑ Film Capacitors, TDK Epcos, General technical information (PDF; 1,4 MB)
  8. ↑ AVX, Dielectric Comparison Chart (PDF; 161 kB)
  9. ↑ Holystone, Capacitor Dielectric Comparison, Technical Note 3 (PDF; 64 kB)
  10. ↑ Hardware Design Techniques - Analog Devices, HARDWARE DESIGN TECHNIQUES, 9.1 PASSIVE COMPONENTS, Dielectric Absorption, Page 9.4 PDF
  11. ↑ CDE, Aluminum Electrolytic Capacitor Application Guide cde.com (PDF; 1,4 MB)
  12. ↑ Gefährdung durch Dielektrische Absorption (englisch).
  13. ↑ https://www.rekirsch.at/user_html/1282834349/pix/user_img/pdfs/Center_Losungen/Isolationsprufung.pdf Mitteilung der Firma CHAUVIN ARNOUX Ges.m.b.H, abgerufen am 19. Nov. 2020
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