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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen
ungepolten Festelektrolytkondensator, der aus zwei gegenpolig in Reihe geschalteten
gepolten Einzelkondensatoren, insbesondere Tantalelektrolytkondensatoren, besteht,
an dem außer der Signalwechselspannung eine wertmäßig höhere Gleichspannung liegt.
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Zunächst sollen noch einmal zur Klarstellung der Probleme die Verhältnisse
bei einem Elektrolytkondensator betrachtet werden und das unterschiedliche Verhalten
der sogenannten Festelektrolytkondensatoren gegenüber den üblichen Elektrolytkondensatoren
herausgestellt werden.
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Üblicherweise werden heute Elektrolytkondensatoren der sogenannten
halbtrockenen Ausführung verwendet. Diese weisen folgenden Aufbau auf: eine Aluminiumfolie
als Anode, auf die eine Aluminiumoxydschicht als Dielektrikum aufgebracht ist, eine
Elektrolytflüssigkeit, die in den Poren von Papierfolien gehalten wird, und eine
Aluminiumfolie als Kathode. Ein Elektrolytkondensator dieses Aufbaues arbeitet nur
ordnungsgemäß, wenn an der mit der formierten Aluminiumoxydschicht versehenen Folie
der Pluspol und an der blanken Folie der Minuspol anliegt. Bei umgekehrter Polung
entsteht ein elektrolytischer Prozeß, und die glatte Folie überzieht sich hierbei
in gleicher Weise wie die formierte mit einer Dielektrikumschicht. Wenn man dabei
davon absieht, daß durch die hierbei auftretende innere Erwärmung und Gasbildung
eine Zerstörung des Kondensators erfolgen kann, wird durch die Bildung einer zweiten
mit zunehmender Oxydschicht immer kleiner werdenden Kapazität an der Kathode, die
mit der Anodenkapazität in Reihe liegt, die resultierende Gesamtkapazität erheblich
verringert werden.
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Für alle Fälle, bei denen die Polarität der angelegten Spannung im
Betrieb wechseln kann bzw. sich die Polarität der angelegten Spannung sich nicht
vorher festlegen läßt, gibt es den ungepolten Elektrolytkondensator. Bei ihm ist
außer der Anodenfolie auch die Kathodenfolie bereits fertigungsmäßig formiert und
zu einer Kathodenkapazität gleicher Größe wie die Anodenkapazität ausgebildet. Wegen
der Hintereinanderschaltung der beiden gleichen Teilkapazitäten beträgt die Gesamtkapazität
nur die Hälfte der Einzelkapazitäten. Ein ungepolter Elektrolytkondensator benötigt
daher gegenüber einem gepolten bei gleicher Gesamtkapazität und sonst gleichen Aufbauverhältnissen
etwa das doppelte Volumen.
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Bei angelegter Gleichspannung fließt durch einen Elektrolytkondensator
ein dauernder geringer Strom, der sogenannte Reststrom, der durch den endlichen
Widerstand des Dielektrikums bedingt und auch zur Aufrechterhaltung des Dielektrikums
notwendig ist. Bei den beschriebenen halbtrockenen Elektrolytkondensatoren ist die
Größe des Reststromes im Betrieb zeitabhängig. Sofort nach dem Anlegen der Betriebsspannung
kann er, besonders wenn eine längere Betriebspause vorangegangen ist, verhältnismäßig
groß sein, klingt dann aber mit zunehmender Anschaltdauer rasch ab und erreicht
schließlich einen konstant bleibenden Endwert.
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Allgemein ist bei Elektrolytkondensatoren der Reststrom auch von der
angelegten Spannung abhängig. Er steigt mit zunehmender Spannung exponentiell an.
Bis zur Nennspannung des Kondensators verläuft der Anstieg des Reststromes verhältnismäßig
flach, um zwischen Nenn- und Spitzenspannung dann stärker anzusteigen. Oberhalb
der Spitzenspannung folgt dann ein sehr steiler Verlauf. Entsprechend ist auch der
Reststrom von der Temperatur abhängig. Er steigt mit zunehmender Temperatur an und
hat bei -I-60° C etwa den fünffachen, bei -f-70° C etwa den siebenfachen Wert wie
bei -I-20° C. Bei ungepolten Elektrolytkondensatoren muß der Reststrom der Anodenkapazität
über das Dielektrikum der Kathodenkapazität in Durchlaßrichtung fließen. Bei etwaigen
Fehlstellen in diesem Dielektrikum findet bei halbtrockenen Elektrolytkondensatoren,
wie bereits angedeutet, eine Nachformierung statt.
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Im letzten Jahrzehnt ist nun eine andere Art von Elektrolytkondensatoren
bekanntgeworden und findet stetig zunehmend Verwendung, die sogenannten Festelektrolytkondensatoren.
Als Anodenmaterial solcher Kondensatoren ist bisher Tantal, Titan, Niob und Aluminium
verwendet worden, wobei aber auch der Einsatz einer Reihe anderer Elemente möglich
ist. Beim Tantalkondensator bildet das Tantal die Anode, Tantaloxyd (Taz05) das
Dielektrikum und Mangandioxyd (MnO.) die Kathode. Die Festelektrolytkondensatoren
mit anderen Grundmaterialien haben entsprechenden Aufbau. Bei diesen Festelektrolytkondensatoren
hat die angelegte Gleichspannung keine zusätzlichen Polarisationsrandschichten,
wie sie in flüssigen bzw. halbtrockenen Elektrolytkondensatoren auftreten, zur Folge.
Da auch die Oxydschichten sehr stabil sind, hat die Gleichstromvorbelastung kapazitätsmäßig
keinen Einfluß. Die Voraussetzung für eine formierte bzw. formierbare Elektrode
für den Aufbau ungepolter Kondensatoren ist nicht gegeben. Diese Kondensatoren weisen
in Sperr- bzw. Durchlaßrichtung das Verhalten einer Sperrschichtdiode auf, was durch
Arbeiten von Y. S a s ak i »p-i-n junction in the anodic oxide film of tantalum«,
Int. J. Pys. & Chem. of Solids, Bd. 13 (1961), S. 177 bis 182, dadurch
erklärt wurde, daß sich auf dem Grundmaterial zunächst eine sehr dünne n-Schicht
aufbaut, darüber liegen nahezu stöchiometrische i-Schichten, auf die dann wieder
eine dünne p-Schicht folgt. Die Dicke der eigenleitenden Schicht ist der Formierspannung
proportional, während die n- und die p-Schicht unabhängig von der Formierspannung
etwa 2 ... 5 um dick sind. Die Donatoren sind überschüssige Tantalatome,
während als Akzeptoren überschüssige Sauerstoffatome sowie in der Oxydschicht absorbierte
O.,-Moleküle wirken.
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Wie bereits ausgeführt wurde, lassen sich ungepolte Festelektrolytkondensatoren
nicht als einheitlicher Kondensatorwickel wie bei den feuchten und halbtrockenen
Elektrolytkondensatoren realisieren. Nun wurden aber in den Anfängen der feuchten
Elektrolytkondensatoren ungepolte Typen dadurch realisiert, daß zwei gepolte Kondensatoren
gegenpolig in Reihe geschaltet wurden. Die gleiche Maßnahme muß bei Festelektrolytkondensatoren
nun auch durchgeführt werden. So erhaltene ungepolte Festelektrolytkondensatoren
weisen aber gegenüber ungepolten eine erheblich verminderte Lebensdauer auf, eine
Erscheinung, die von den feuchten und halbtrockenen Typen nicht bekannt und zunächst
nicht zu erklären ist.
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Die Erfindung setzt sich nur die Aufgabe, diese Lebensdauerverringerung
zu beseitigen bzw. sie wenigstens erheblich zu verringern. Ausgehend von
den
vorhergehenden Ausführungen über die bekannten Eigenschaften von Festelektrolytkondensatoren,
wurde festgestellt, daß bei diesen Kondensatoren nicht mit einer gleichmäßigen Verteilung
der Donatoren und Akzeptoren über die ganze wirksame Kondensatorfläche gerechnet
werden darf. Es gibt dabei ausgesprochene Häufungs- und Mangelstellen. Hierdurch
wird bewirkt, daß sowohl der Reststrom im wesentlichen von einer Anzahl von inselförmigen
Stellen geliefert wird, aber auch bei dem in Durchlaßrichtung gepolten Kondensator
ebenso praktisch nur von einer Anzahl solcher Inseln aufgenommen wird. Dieses führt
in Durchlaßrichtung trotz des verhältnismäßig sehr geringen Absolutbetrages des
Reststromes zu einer verhältnismäßig hohen Stromdichte in diesen Inseln. Hierdurch
können Schädigungen der Sperrschicht auftreten, die nicht nur zu einer Verringerung
der Lebensdauer, sondern in ungünstig gelagerten Fällen sogar zum Durchschlag führen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung für einen
ungepolten Festelektrolytkondensator, bestehend aus zwei gegenpolig in Reihe geschalteten
gepolten Einzelkondensatoren, insbesondere Tantalelektrolytkondensatoren, und bei
der zum Schutze der Sperrschicht des jeweils für die Gleichspannung in Durchlaßrichtung
gepolten Kondensators gegen den Restgleichstrom des in Sperrrichtung gepolten Kondensators
durch richtungsabhängigen Nebenschluß jeder der beiden Kondensatoren C 2,
C 3 durch je eine Diode D 2, D 3 mit gleicher Durchlaßrichtung überbrückt
ist, eingesetzt, wie sie in »Electronic Design« vom 22. November 1965 auf S. 64
und 65 beschrieben ist.
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Die Erfindung stellt sich nun zur Aufgabe, für eine solche Schaltungsanordnung
weitergehende Dimensionierungsvorschriften anzugeben. Die gestellte Aufgabe wird
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Dioden so gewählt werden, daß in Sperrrichtung
ihr Sperrstrom bei der anliegenden Betriebsspannung klein gegen den Reststrom des
durch sie überbrückten Kondensators und daß in Durchlaßrichtung ihr Durchlaßwiderstand
klein gegenüber dem Durchlaßwiderstand des durch sie überbrückten Kondensators ist,
wobei maximal zulässige Sperrspannung bzw. Durchlaßstrom größer als die anliegende
Betriebsspannung bzw. auftretender Strom gewählt wird.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Figuren eingehend beschrieben werden.
Es zeigt dabei F i g. 1 den an einem Festelektrolytkondensator auftretenden Spannungsabfall,
wenn er in Durchlaßrichtung mit Strömen zwischen 0,1 und 2 mA beaufschlagt wird,
sowie die Wirkung von überbrückungsdioden, F i g. 2 die hierfür benutzten Meßschaltungen,
F i g. 3 den erfindungsgemäßen ungepolten Festelektrolytkondensator, eingesetzt
als Koppelkondensator in einer Verstärkerschaltung.
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Zunächst soll einmal betrachtet werden, mit welchen Restströmen man
bei Festelektrolytkondensatoren überhaupt zu rechnen hat. Bei den heute wohl hauptsächlich
verwendeten Tantalkondensatoren wird z. B. in den Datenblättern für Raumtemperatur
etwa 0,02 uA je RF Kapazität und Volt Nennspannung des Kondensators angegeben, wobei
in bekannter Weise bei Beaufschlagung mit unter der Nennspannung liegenden Betriebsspannungen
(sogenanntes Derating) der Reststrom exponentiell abnimmt. Bei einem Tantalkondensator
von 500 uF muß man also bei einer Nenn- und Betriebsspannung von 30 V bei Raumtemperatur
mit etwa 0,3 mA Reststrom rechnen. Restströme zwischen 0,1 und 1 mA liegen also
bei Kondensatoren mit großen Kapazitätswerten durchaus im üblichen Arbeitsbereich
und müssen, wenn ein ungepolter Festelektrolytkondensator aus der gegenpoligen Reihenschaltung
zweier gepolter Kondensatoren aufgebaut wird, von dem in Durchlaßrichtung gepolten
Kondensator aufgenommen werden. In F i g. 1 ist ein Diagramm dargestellt, dessen
Kurve a die Spannung über einen in Durchlaßrichtung gepolten Festelektrolytkondensator
in Abhängigkeit vom durchfließenden Strom im Bereich von 0,1 ... 2 mA zeigt.
F i g. 2 a zeigt dabei die zugehörige Meßschaltung. Die in F i g. 1 aufgetragenen
Werte sind Mittelwerte aus Messungen an einer Reihe von Tantalkondensatoren mit
100 uF Kapazität und einer Nennspannung von 30 V. Die Kurven b und c zeigen dabei
die Spannung über die gleichen Kondensatoren, wenn sie gleichpolig durch eine Diode
überbrückt sind, und zwar bei Kurve b durch eine Siliziumdiode und bei Kurve c durch
eine Germaniumgolddrahtdiode. F i g. 2 b und 2 c zeigen die entsprechende Meßschaltung.
Die Dioden selbst würden bei der Kondensatornennspannung und Raumtemperatur in Sperrichtung
einen Sperrstrom von etwa 0,1 uA bei der Siliziumdiode 1 N 3604 und 6 uA bei der
Golddrahtgermaniumdiode 0A 5 aufweisen. Wie ersichtlich, sinkt die über dem Festelektrolytkondensator
C abfallende Spannung auf etwa ein Fünftel bzw. ein Zehntel des Wertes ohne überbrückungsdiode
D, d. h. also, daß der Hauptanteil des Reststromes eines mit dem Kondensator C in
Reihe geschalteten und in Sperrichtung betriebenen zweiten Kondensators jetzt durch
die Diode D aufgenommen wird.
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Nun sind die verwendeten Dioden D keineswegs für den vorliegenden
Einsatzfall optimal dimensioniert. Hierfür wäre es wünschenswert, eine Diode mit
möglichst niedriger Kniespannung, möglichst kleinem Durchlaßwiderstand und möglichst
hohem Sperrwiderstand, also kleinem Sperrstrom einzusetzen. Während die Kniespannung
eine Materialkonstante des verwendeten Diodengrundmaterials ist, führt ein kleiner
Durchlaßwiderstand zu großen Elektrodenflächen und damit zu großer Eigenkapazität
der Diode. Ein kleiner Sperrstrom zu großen Sperrschichtdicken und damit durch die
hiermit verbundenen Ladungsspeichereffekte zu einer Erniedrigung der oberen Grenzfrequenz.
Beide Effekte würden sich im vorliegenden Falle kaum störend bemerkbar machen, führten
jedoch dazu, daß für den vorliegenden Anwendungsfall zur Zeit keine idealen Dioden
auf dem Markt erhältlich sind. Die obige Forderung für die überbrückungsdioden D
stellt also die Ideallösung für den vorliegenden Anwendungsfall dar. Es wird aber
ein gewisser Schutzeffekt für den überbrückten Festelektrolytkondensator auch bereits
erzielt, wenn bei der verwendeten Betriebsspannung und im Betriebstemperaturbereich
trotz einer Erhöhung des Gesamtreststromes um den Sperrstrom der Diode eine merkliche
Absenkung des durch den in Durchlaßrichtung betriebenen Festelektrolytkondensator
fließenden Stromes erfolgt. Als solche Fälle sind die in F i g. 1 durch die Kurven
b und c dargestellten zu betrachten.
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F i g. 3 zeigt nun einen Anwendungsfall des erfindungsgemäßen
ungepolten
Festelektrolytkondensators als Koppelkondensator einer Transistorverstärkerstufe.
Zwei Festelektrolytkondensatoren C 1 und C2 sind gegenpolig in Reihe geschaltet.
Jeder dieser Kondensatoren C 1 bzw. C 2 ist gleichpolig durch eine Diode
D 1 bzw. D 2 überbrückt. Die Transistorstufe sei Bestandteil einer
heute üblichen Steckeinheit, wodurch ihr Eingang 3 je nach Einsatz mit dem Ausgang
1 einer Vorstufe oder über die Klemme 2 mit Masse verbunden werden kann. Am Punkt
4, dem Verbindungspunkt des erfindungsgemäßen ungepolten Festelektrolytkondensators
mit der Basis des Transistors liege eine Spannung von -i--3 Volt gegen Masse. Bei
Verbinden des Eingangs 3 mit dem Ausgang 1 liegt eine gegenüber dem Punkt 4 positive
Spannung von 3 Volt am Kondensator an, während bei Verbinden des Eingangs 3 mit
der Klemme 2 gegenüber dem Punkt 4 eine negative Spannung von 3 Volt anliegt. Der
Kondensator wird also hierbei umgepolt.
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Zum Schluß soll darauf hingewiesen werden, daß herstellungsmäßig Kondensator
und überbrückende Diode zu einer baulichen Einheit vereinigt werden können.