Kommentare zum Isolationsversagen von Kondensatoren
Kommentare zum Isolationsversagen von Kondensatoren
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1 Einführung
Ausgangspunkt für den folgenden Beitrag war die Forumsanfrage des Kollegen Heinz Lucas mit dem Titel: "UKW sehr leise". Herr Lucas hatte darin bemängelt, dass der UKW - Empfang seines BRAUN SK55 zu schwach war. Im Verlauf seiner Untersuchungen hatte er als Fehlerursache einen defekten Styroflex - Kondensator an den Gittern (g2 + g4) der Mischröhre ECH81 identifiziert.
Die positive Spannung an diesen Gittern war dadurch soweit abgefallen, dass die bei UKW - Empfang als 1. ZF - Verstärker arbeitende ECH81 praktisch keine Verstärkung mehr lieferte.
Somit war zwar die Ursache des schlechten UKW - Empfangs geklärt, nicht aber die Frage, warum der Styroflex - Kondensator trotz ausreichender Dimensionierung versagte.
Mit dem folgenden Beitrag werde ich versuchen, diesen Punkt etwas zu beleuchten.
2 Der defekte Styroflex - Kondensator im SK55
Hier noch einmal der Schaltbildauszug des BRAUN SK55 mit rot markierter Ua - Schiene und dem mit einem blauen Pfeil markierten defekten Kondensator C325.
Zitat aus dem Forumsbeitrag von Heinz Lukas:
" Der Fehler lag schließlich am C325, einem Styroflex, der eine Kapazität von 1200pF haben sollte, statt dessen einen Widerstand von 4,2 Ω aufwies. Zuerst habe ich am Messergebnis gezweifelt, gelten doch Styroflex- Kondensatoren als sehr zuverlässig."
Wie in besagtem Thread bereits erwähnt, ist C325 Teil der Schirmgitterneutralisation (g2 + g4) der ECH81.
Die Spannung an der Ua - Schiene liegt im Betrieb bei etwa 190 V, an (g2 + g4) der ECH81 bei etwa 60 V.
Kurz nach dem Einschalten des Gerätes, also zu einem Zeitpunkt an dem aufgrund der kalten Röhrenheizungen noch keine Anodenströme fließen, liegt die Spannung an der Ua - Schiene natürlich viel höher, nämlich bei ca. 325 V= (am eigenen Gerät gemessen). Diese Spannung entspricht der Leerlaufspannung des Netztransformator - Sekundärwickels von 230 V~ multipliziert mit √2, dem Verhältnis des Spannungsmaximums zum Effektivwert. Da keine Verbraucherströme fließen, liegt die Leerlaufspannung von 325 V= auch an (g2 + g4) der ECH81. Die Spannungsfestigkeit von C325 musste also entsprechend hoch gewählt werden.
Diese Zusammenhänge waren dem Entwickler bei BRAUN natürlich gegenwärtig und er hat für C325 einen entsprechenden Kondensator gewählt. Ein Styroflex - Kondensator war angesichts der günstigen Ausfallstatistik sicher eine gute Wahl. Styroflexfolien haben eine ausgezeichnete Spannungsfestigkeit und ähnlich niedrige HF - Dämpfungsverluste wie Glimmer. Man könnte sich höchstens fragen, warum kein preisgünstiger keramischer Kondensator eingesetzt wurde. Vermutlich hat der Entwickler festgestellt, dass sich durch die Eigeninduktivität des Styroflex - Wickelkondensators günstige Verhältnisse für die Schirmgitter - Neutralisation der ECH81 ergaben.
Im folgenden Bild sieht man den besagten Kondensator C325 (rot eingekreist). Aufgrund seiner Einbaulage konnte man den Wert nicht erkennen. Ich habe ihn einseitg abgelötet und gedreht. Der rote Pfeil zeigt auf den Massepunkt, mit dem der Außenbelag von C325 normalerweise verbunden ist.
Der Kondensator trägt zwar keine Spannungsangabe, im SIEMENS Taschenbuch von 1966/67 habe ich aber einen sehr ähnlichen Styroflex - Kondensator gefunden. In der letzten Spalte der Tabelle findet man für einen Kondensator mit 1000 pF und 630 V Nennspannung die Maße Ø = 7.6 mm und L = 10 mm. C325 hat eine Kapazität von 1200 pF, einen Durchmesser von 8 mm, eine Länge von 10 mm und einen schwarzen Farbriing - sehr ähnlich dem tabellierten Wert.. Die angegebene Nennspannung von 630 V= dürfte für den Einsatzzweck ausreichend sein.
So stellt sich die Frage, warum C325 trotz ausreichender Spannungsdimensionierung irgendwann versagte. In diesem Zusammenhang fragt man sich weiter, warum er keinen sehr niederohmigen Kurzschluss zeigte,sondern immerhin noch 4,2 Ω! Offensichtlich sorgte der Widerstand R301 = 33 KΩ in der Zuleitung von C325 für eine Limitierung des Stroms, sodass der infolge des Isolationsverlustes entstandene Durchschlagkanal sich nicht ausdehnte sondern nur ein dünner leitender Pfad entstand. Siehe dazu weiter unten.
3 Der Plattenkondensator mit Luftdielektrikum
3.1 Homogenes Zentralfeld
Zur Klärung der äußerst komplexen Zusammenhänge des elektrischen Versagens von Kondensatoren muss man sich zunächst an die Form des elektrischen Feldes im Plattenkondensator erinnern. Dazu zeige ich hier ein Bild aus dem "Radio-Taschenbuch" von Friedrich - Stejskal:
Wie man schon in der Schule gelernt hat, besteht ein Plattenkondensator aus zwei, in einem Abstand d voneinander parallel angeordneten elektrisch leitenden Platten. Legt man an die Platten eine elektriche Spannung U, so baut sich zwischen ihnen ein elektrisches Feld E auf. Nehmen wir an, an der oberen Platte läge der Minuspol der elektrischen Spannung, an der unteren der Pluspol.
Bringt man in dieses elektrische Feld eine Ladung, z.B. ein Elektron (negative Ladung), so erfährt dieses eine Kraft, deren Richtung und Größe von dessen momentaner Position abhängt. Als Feldlinie oder Kraftlinie bezeichnet man die Bahn, die dieses Elektron beschreiben würde, wenn es dem Feld folgen könnte. Im Bild sind die Kraftlinien als gestrichelte Linien angedeutet, wobei die Pfeile die Bewegungsrichtung des Elektrons anzeigen. Die Kraftlinien enden stets vertikal auf den Platten!
Im Innenbereich - also in dem Bereich weit entfernt von den Rändern - des Plattenkondensators bildet sich die einfachste Form eines elektrischen Feldes aus: Alle Kraftlinien verlaufen parallel. Das Feld wird als "homogen" bezeicnet. Die Feldstärke E = U / d und somit auch die auf ein Elektron ausgeübte Kraft eo • E (eo = Elektronenladung) sind in diesem Innenbereich ortsunabhängig. Beide steigen mit der angelegten Spannung und fallen mit dem Abstand der Kondensatoplatten.
3.2 Heterogenes Randfeld
Wie man schon beim Betrachten des obigen Bildes erahnt, liegen die Verhältnisse an den Rändern der Kondensatorplatten vollkommen anders. Je weiter man sich vom Innenbereich entfernt, umso stärker wölben sich die Feldlinien nach außen. Ein in diesen Bereich gebrachtes Elektron bewegt sich also nicht mehr in gerader Linie auf die positive Kondensatorplatte zu, sondern beschreibt einen mehr oder weniger weiten Bogen.
Die Feldstärke in diesem Randbereich folgt nicht mehr der einfachen Beziehung E = U / d. Sie wird stark ortsabhängig und ihre Berechnung erfordert die Lösung der statischen Laplace - Differentialgleichung.
Auch ohne in diese theoretischen Details abzutauchen, kann man aber einen interssanten Sonderfall betrachten, der in unserem Fall bereits ausreichend ist, nämlich die lokale Feldstärke an der Außenkante der Kondensatorplatte. Im Nahbereich der Platte folgt diese der Beziehuing E = U / r. An die Stelle des Plattenabstands d im homogenen Innenfeld ist hier also der Abrundungsradius r der Plattenaußenkante getreten. Je schärfer die Außenkante, beziehungsweise je dünner die Kondensatorplatte ist, umso höher die lokale Feldstärke und umso höher die auf ein Elektron in diesem Nahbereich wirkende Kraft. Auch hier gilt natürlich wieder, dass die Feldlinien vertikal auf der Plattenoberfläche stehen.
Mit wachsendem Abstand von der Plattenaußenkante nimmt dann die Feldstärke und mit ihr die auf ein Elektron wirkende Kraft schnell ab.
3.3 Kapazität des Plattenkondensators
Im praktischen Betrieb benötigt man häufig viel größere Kapazitätswerte als mit einem Plattenkondensator mit vertretbaren Ausmaßen realisierbar ist. Man ersetzt dazu das Luftdielektrikum des Plattenkondensators durch einen Feststoff. Dadurch erhöht sich dessen Kapazität um den Faktor ε, die relative Dielektrizitätskonstante, früher als "Schubzahl " bezeichnet. Die nebenstehende Tabelle stammt ebenfalls aus dem "Radio- Taschenbuch" von Friedrich - Stejskal:.
Wie bereits erwähnt wurde, hat die für Styroflex Kondensatoren verwendete Poystyrol - Folie eine bemerkenswert hohe Spannungsfestigkeit von ca. 100 KV / mm und ähnlich niedrige HF - Dämpfungsverluste wie Glimmerkondensatoren. Der ε - Wert liegt allerdings mit 2.5 recht niedrig.
Neuere Quellen geben für die Spannungsfestigkeit niedrigere Werte zwischen 20 ud 55 KV an. Da der Punkt nicht geklärt werden konnte, gehe ich im Folgenden von dem bei Friedrich - Stejskal tabellierten Wert aus.
Der Vollständigkeit halber hier noch einmal die Formeln, mit deren Hilfe man die Kapazität eines Plattenkondensators berechnen kann:
C = 0.89 F / d für Luftdielktrikum, bzw. C = 0.89 ε* F /d für Feststoffdielektrikum
Gibt man die Plattenfäche F in [cm2] an, und den Plattenabstand d in [mm], so erhält man die Kapazität C in [pF].
Beispiel: Ein Luftkondensator mit einer Plattenfläche von 1 cm2 und einem Plattenabstand von 1 mm hat eine Kapazität von knapp einem Pikofarad.
4 Der Wickelkondensator
Da es sich bei einem Wickelkondensator um nichts anderes handelt, als um einen in Lateralrichtung sehr langen, zu einem Paket auffgewickelten, und an den Stirnseiten kontaktierten Plattenkondensator, lassen sich die obigen Betrachtungen direkt übertragen: Im Innern des Wickels haben wir wieder ein homogenes elektrisches Feld, während an den Außenseiten die Feldlinien axial austreten (also erwa in Richtung der Anschlussdrähte).
Im Gegensatz zum oben behandelten Plattenkondensator mit Luftdielektrikum verwendet man nun ein Feststoffdielektrikum. Hierbei kann es sich um Ölpapier (MP-Kondensator) oder unterschiedliche Kohlenwasserstoff - Polymerfolien wie z.B. Polypropylen, Polyester oder auch Polystyrol (Styroflex) handeln, wobei wir uns hier auf die Styroflex .- Kondensatoren beschränken wollen. Diese verwenden als Dielektrikum Polystyrol - Folien mit Dicken zwischen 10 und 25 µm und Zinn - bzw. Aluminium - Folien mit Dicken um 10 µm.
Hier eine Auswahl von Styroflex - Kondensatoren aus meinem Fundus.
Wie man sieht, gibt es je nach Anforderung unterschiedlichste Bauformen.
Z.B. einen hermetisch abgeschirmten Kondensator für höchste Stabilitätsanforderungen, der aussieht wie ein großer Transistor:
.
Von essentieller Bedeutung sind zwei Konstruktionsdetails, die man normalerweise nicht besonders beachtet:
- Die Polystyrol - Folie steht bis zu einigen Millimetern über den Metallfolienwickel hinaus.
- Die Wickelenden sind in den meisten Fällen eingeschnürt (erinnert an Schrumpfschlauch)
Zum Verständnis dieser Details muss man sich daran erinnern, dass sowohl die Metallfolie als auch die Polystyrolfolie sehr dünn sind - 10 - 25 µm. Wie am Beispiel der Außenränder des Plattenkondensators oben schon angesprochen wurde, treten an den Rändern der Metallfolie lokal sehr hohe Feldstärken auf, die zu Spannungsüberschlägen von einer Metallfolie zur Nachbarfolie entgegengesetzter Polarität führen könnten. Solche Überschläge werden durch einen Effekt begünstigt, der sich vorzugsweise an Polymer - Oberflächen abspielt: die "Oberflächengleitentladung". Man "versteckt" daher die scharfen Metallränder hinter einer Schutzschicht aus Polystyrol, wobei der Überstand gerade so groß ist, dass die elektrische Feldstärke an dessen ihrem Außenrand auf einen ungefährlichen Wert abgesunken ist. Normalerweise reicht hierfür ein Überstand von 1- 2 mm.
Bei dem 2. Detail, der seitlichen Einschnürung, handelt es sich um die Auswirkung einer Wärmebehandlung, die als "Tempern" bezeichnet wird. Durch die Schrumpfung des Folienüberstands verhindert man, dass Feuchtigkeit in den Kondensatorwickel eindringt.
Hier einige Nahaufnahmen:
Nur nebenbei: Der folgende 90 nF / 1% Toleranz Kondensator ist für Standmontage konzipiert und wurde zur Reduktion der Eigeninduktivität des zwangsläufig sehr langen Wickel mit mehreren Kontaktierungen ausgestattet.
Hier ein Auszug aus Heinrich Nottebrock: "Bauelemente der Nachrichtentechnik, Teil 1, Kondensatoren", in dem auf den "Temperprozess" eingegangen wird.
Aber zurück zum Kondensator C325 im BRAUN SK55. Wie nebenstehendes Bild noch einmal deutlich zeigt, weist der Kondensator sowohl den Folienüberstand als auch die seitliche Schrumpfung durch den Temperprozess auf.
Da beim Betrieb im SK55 auch die zulässige Betriebsspannung nicht überschritten wurde, kann man wohl davon ausgehen, dass das Isolationsversagen nicht an den Außenrändern des Kondensators aufgetreten ist.
Es bleibt also nur noch ein Spannungsüberschlag im Innern des Kondensatorwickels übrig. Auf den ersten Blick erscheint auch dieses Szenario angesichts der hohen Durchschlagsfestigkeit von 100 KV /mm der Polystyrolfolie zunächst recht unwahrscheinlich. Geht man von einer Folierndicke von 10 µm aus, so müsste diese eine Spannungsfestigkeit von (10µm /1 mm) • 100 KV = 1 KV aufweisen.
Warum schlug der Kondensator trotzdem durch?
5 Molekulare Probleme bei Kohlenwasserstoff - Polymeren
Gehen wir noch einmal zum Plattenkondensator mit Luftdielktrikum zurück. Die Mechanismen eines elektrischen Überschlags sind seit langer Zeit gut verstanden und durch umfangreiche Messungen belegt. Freie Elektronen im Plattenzwischenraum, die durch Ionisation der Luftmoleküle - im wesentlichen Stickstoff und Sauerstff - infolge von UV - Strahlung, kosmischer Strahlung oder natürlicher Radioaktivität überall präsent sind, werden unter dem Einfluss der anliegenden Spannung in Richtung der positiven Elektrode beschleunigt. Erreichen sie durch diese Beschleunigung eine ausreichend hohe Energie, so können sie andere Moleküle ionisieren und es entsteht ein Kettenprozess. Der Prozess setzt sich solange fort, bis sich irgendwann zwischen den Platten eine durchgehende Brücke von Elektronen und ionisierten Luftmolekülen aufgebaut hat - also eine Verbindung die elektrischen Strom leiten kann. Dieser Durchschlag findet bei ungefährt 3 KV / mm statt.
Ob diese Leitbrücke nun zur einer stromstarken Entladung - einer Blitzentladung -, führt, oder ob es bei einem kleinen, wenig Strom führenden Entladungskanal bleibt, hängt einerseits von der Kapazität des Kondensators ab und andererseits davon, wieviel Energie nachgeliefert wird.
Unglücklicherweise sind die Verhältnisse viel komplizierter, wenn man das Luftelektrikum durch einen Feststoff, wie z.B. Polystyrolfolie ersetzt. Dazu muss man zunächst wissen, dass Polystyrol ein Kohlenwasserstoff - Polymer ist. Das gilt übigens auch für die anderen für Kunstfolien - Kondensatoren verwendeten Materialien wie Polypropylen und Polyester. Das "Rückrat" dieser Polymere besteht aus eine Reihe von Kohlenstoffatomen, an die verschiedene Satellitengruppen angedockt werden. Durch mikroskopische Inhomogenitäten in den Polymergefügen kann es zu lokalen Störungen des elektrischen Feldes kommen. Freie Elektronen können im Bereich dieser Feldinhomogenitäten zu so hohen Energien bescheunigt werden, dass Polymerketten gebrochen werden und die Kohlenstoffatome isoliert auftreten. Diese Kohlenstoffatome führen wie elektrisch leitende kleine Fäden im Isolator zu einer weiteren Störung des elektrischen Feldes und zu weiteren Schädigungen der Polymerstruktur. Besonders fatal ist an diesem Mechanismus, dass die Spitze dieses elektrisch leitfähigen Fadens einen sehr kleinen Radius aufweist. In diesem Zusammenhang erinnern wir uns an die an den Rändern eines Plattenkondensators auftretende Feldüberhöhung E = U / r.
Die Isolationsfähigkeit des Polymers wird also von innen heraus immer weiter degradiert.
Über lange Zeiträume hinweg kann dieser zunächst auf molekularer Ebene laufende Prozess zur Ausbildung sukzessive länger werdender Ketten von Kohlenstoffatomen führen. Irgendwann brücken diese Kohlenstoffketten die Kondensatorbeläge und bilden eine leitende Verbindung.
Ob sich hieraus ein niederohmiger Durchschlagskanal bildet - also ein Kurzschluss, möglicherweise mit Selbstheilung durch hohen Stromfluss - oder ob es bei einer relativ hochohmigen Leitbrücke bleibt, hängt von der Energiezufuhr nach der Brückung ab.
Man kann also rekonstruieren, welcher Prozess im SK55 ablief:
Irgendwann erlitt C325 durch progressive Molekularschäden einen Isolationsverlust, der aber nicht zu einem Totalschluss führte. Der Widerstand blieb bei 4,2 Ω stehen. Der Vorwiderstand R301 = 33 KΩ limitierte den Strom auf ca. 10 mA. Von diesem Zeitpunkt an konnte sich der Leitkanal nicht mehr weiterentwickeln, da ja keine hohen Spannungen mehr auftraten.
Interessant ist in diesem Zusammenhang noch ein anderes Szenario: Angenommen, der Kurzschlussstrom durch C325 wäre nicht durch einen Vorwiderstand begrenzt worden. Der in diesem Fall viel größere Entladungsstrom hätte dann möglicherweise zu einem Aufschmelzen der Randbereiche des Durchschlagkanals und infolgedessen zu einer Selbstheilung des Kondensators geführt.
Aber das ist nur eine Hypothese!
Harald Giese
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