Benutzer Diskussion:Elcap/Kondensator (Elektrotechnik)/ReviewJan2007

Länge des Artikels

Der Review Artikel ist ja nicht schlecht aber er wird eindeutig zu lang. Die Fülle der Informationen läßt die Kernausagen und Abschnitte zum Grundverständniss in den Hintergrund rücken.

Zum Grundverständniss gehört Meiner Meinung nach. (diese müssen als erstes geklärt werden, und dann kann man spezielle Bauformen und Anwendungen behandeln)

- Trennung der Ladungen
- Laden und Entladen
- Speicherung der Energie im elektrichen Feld (Kraftwirkung der Ladungen)
- Dielektrikum (geschichtet ungeschichtet)

--Haut 19:22, 13. Feb. 2007 (CET)

Zur Länge des Review Artikels kann ich nur sagen, dass es mir bis etwa zur Hälfte nach meinem Verständnis gelungen ist, das für mich wesentliche von Kondensatoren (zwar zu lang, aber immerhin) darzustellen. Danach, und das betrifft den Teil ab "Kennwerte", ist und wird es mir nicht mehr gelingen, die elektrischen Werte wie Kap, Impedanz usw. so zu vereinen, dass der theoretisch-wissenschaftliche Part mit dem aus der Praxis kommenden Part zusammenpasst. Dazu ist zu sagen, dass für mich, 30 Jahre Praxis im Vertrieb von Kondensatoren und immer noch Mitglied im deutschen Normenausschuss für Kondensatoren, ein Kondensator ganz einfach ein Bauteil ist, dass als "Kondensator" auf dem Schaltbild einer Schaltung so vermerkt ist. Oder das als "Kondensator" auf der Einkaufsliste eines Einkäufers steht. Soviel zur Erklärung, warum die "Festkondensatoren" so ausführlich mit Foto von mir beschrieben wurden. Gleichzeitig sollen die Beiträge zu den einzelnen Kondensatorfamilien eine Anregung sein, die teilweise sehr konfusen Textbeiträge zu den Elkos, Folkos und Kerkos zu überdenken und ggfs zu Überarbeiten. Ich fürchte, es wird eine Jahresarbeit oder länger.

--Elcap 19:37, 13. Feb. 2007 (CET)Elcap

Dann sollten die einzelnen Kondensatorfamilien und ihre Eigenschaften in den separaten Artikeln behandelt werden. Hier reicht eine Klassifikation und dann der Verweis. Außerdem ist das ja hier kein Lehrbuch sondern es sollen die grundlegenden DInge erklärt werden. Ansonsten könnte man sicher mit solchen Themen ganze Bücher füllen. --Cepheiden 22:19, 13. Feb. 2007 (CET)

Einverstanden, aber dann sollten erst einmal die Texte zu den Kondensatorfamilien gründlich überarbeitet werden, den sie sind teilweise völlig daneben, siehe das, was jetzt unter "Elektrolytkondensator" steht. Ich bin aber dabei, diese Texte zu überarbeiten. Beginne mit "Elektrolytkondensator", dann folgt "Aluminium-Elektrolytkondensator" und dann Tantal-Elektrolytkondensator". Die vollständige Überarbeitung wird sicher etliche Monate dauern. Bis dahin die Frage: Was kann man von den Beschreibungen der Kondensatorfamilien, die in meiner "Revue" stehen, schon gleich in die Basis-Beschreibungen mit aufnehmen?

--Elcap 09:14, 14. Feb. 2007 (CET)Elcap

Versuche

• Bauformen von Kunststoff-Folienkondensatoren
• 
  SMD-Bauform, Folienkondensator für die Oberflächenmontage.
• 
  Axiale Bauform, Folienkondensatoren für liegende Montage.
• 
  Radiale Bauform, Folienkondensatoren mit Lötanschlüssen in Rastermaßabständen für stehende Montage.
• 
  Spezielle Bauform bei „Snubber“-Kondensatoren mit Anschlüssen für höchste Strombelastbarkeit.

Versuche 2

Ersatzschaltbild eines Kondensators bei höherer Frequenz (oben); Darstellung der zugehörigen Impedanz als Zeigerdiagramm in der komplexen Ebene (unten)

Da reale Kondensatoren nicht nur eine Kapazität C sondern auch immer noch parasitäre Effekte aufweisen (Serienersatzwerte ESR, engl. Equivalent Series Resistance, ESL, engl. Equivalent Series Inductance L), bleibt der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung nicht mehr 90 °. Es entsteht eine Phasenverschiebung φ. Mit einem Zeigerdiagramm kann auf anschauliche Weise für eine gegebene Frequenz nicht nur der Scheinwiderstand sondern auch der Phasenverschiebungswinkel φ sowie der Verlustwinkel δ dargestellt werden.

Sind die Serienersatzwerte eines Kondensators bekannt, dann kann der Scheinwiderstand auch über diese Werte berechnet werden. Er ist dann die Summe der geometrischen (komplexen) Addition der Wirk- und der Blindwiderstände, also des Ersatzserienwiderstandes ESR und des induktiven Blindwiderstandes X_L abzüglich des kapazitiven Blindwiderstandes X_C. Die beiden Blindwiderstände weisen mit der Kreisfrequenz ω folgende Beziehungen auf:

$X_{L}=\omega \mathrm {ESL} ,\qquad X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}$

Der Scheinwiderstand ist dementsprechend der Betrag der geometrischen (komplexen) Addition der Wirk- und der Blindwiderstände:

$Z={\sqrt {{\mbox{ESR}}^{2}+(X_{L}+X_{C})^{2}}}$

(Zur verwendeten Vorzeichenkonvention siehe Anmerkung unter Blindwiderstand, zur Herleitung siehe unter Komplexe Wechselstromrechnung).

In den Datenblättern der Hersteller von Kondensatoren wird meist nur der Betrag der Impedanz, also der Scheinwiderstand $|{\underline {Z}}|$, angegeben.

Nanokondensator

Nanokondensatoren sind Kondensatoren, deren trennbare Einzelstrukturen im Aufbau kleiner als 100 nm sind. Sie sind zur Zeit (2009) Forschungsprojekte der Nanotechnologie. Dabei zeigen sich zwei völlig unterschiedlichen Zielsetzungen auf. Ein Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit sehr vielen vertikal aufgebauten einzelnen Nanokondensatoren, angeordnet in einem Array, die geladen und entladen werden können und somit als Informationsspeicher dienen können. Die zweite Entwicklung beschäftigt sich mit der Herstellung von Nanoröhrchen in einem Array, deren Gesamtoberfläche so beschichtet ist, dass sich daraus ein hochkapazitiver Gesamtkondensator aus vielen kleinen einzelnen, elektrisch miteinander verbundenen Nanokondensatoren ergibt.

Ferroelektrischer Nanokondensator als Informationsspeicher

Ein neuartiger nichtflüchtiger, schnell beschreibbarer und wieder löschbarer Festkörperspeicher mit einer Speicherdichte nahe Terabit pro Quadrat-Zoll (Tb/inch² ) aus ferroelektrischen, einkristallinen Nanokondensatoren ist die Zielsetzung des Forschungsvorhabens unter dem korrespondierendem Autor Dietrich Hesse am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik , Halle (Saale). Im Tätigkeitsbericht 2008 dieses Institutes wurden 2009 die Forschungsergebnisse zu diesen ferroelektrischen Nanokondensatoren veröffentlicht.

Ferroelektrische Materialien mit genau bekannten Eigenschaften werden seit langem beispielsweise in der medizinischen Ultraschall-Technik oder in Keramikkondensatoren eingesetzt. Diese Materialien enthalten in allen Elementarzellen, den kleinsten Baueinheiten eines Kristalls, einen permanenten elektrischen Dipol. Er kommt durch die gegenseitige Verschiebung positiv und negativ geladener Ionen in der Elementarzelle zustande. Mit Hilfe einer elektrischen Spannung lässt sich die Polarität dieses permanenten elektrischen Dipols gezielt und sehr schnell in der Größenordnung von Nanosekunden umpolen. Die Polarität dieses geschalteten Dipols bleibt stabil, das heißt das Speichersignal geht nicht verloren.

Datei:Nano-Kondensator-Info.png

Prinzipieller Aufbau eines Nanokondensators zur Informationsspeicherung

Eines der am besten geeigneten ferroelektrischen Materialien hierfür ist das Blei-Zirkonat-Titanat Pb(Zr,Ti)O₃ , (PZT). Um aus dieser Keramik ein regelmäßiges Array von Millionen oder Milliarden von Kondensatoren herzustellen, wurde zunächst in einem nanotechnischen Verfahren eine rund 100 nm dünne Schablone aus Aluminiumoxid hergestellt, die eine entsprechende Anzahl von Löchern, von denen jedes kleiner als 100 nm ist, aufweist.

Die so hergestellte Schablone wurde dann mechanisch verstärkt und auf eine Platinschicht gelegt, die auf einem Plättchen von Magnesiumoxid aufgetragen wurde. Diese untere Platinschicht bildet eine der beiden Elektroden des Nanokondensators. Mittels eines Verdampfungsprozesses wurde dann das keramische Material PZT kontrolliert verdampft. Der Dampf dringt durch die Poren der Schablone und schlägt sich schließlich als 30 bis 50 nm dünne einkristalline Keramikschicht auf der Platinunterlage nieder. Eine weitere Platinschicht, auf die oben entstandene Fläche aufgedampft wird, bildet dann die zweite Elektrode des Kondensators. Zum Schluss des Prozesses wird die Schablone mechanisch von der geschaffenen Struktur gelöst. Es verbleiben vielen die beidseitig kontaktierten, säulenartigen Nanokondensatoren in dem durch die Schablone vorgegebenen Array.

Mit einem Array aus Kondensatoren von 40 nm Durchmesser, den bislang kleinsten erzeugten Nanokondensatoren, sind damit Speicherdichten von 176 Gb/inch²  erreicht worden. Dabei genügt die vergleichsweise geringe Spannung von kleiner als 1 V, um die ferroelektrischen Dipole im PZT umzuschalten. Der Nachweis einer entsprechenden elektrischen Hysteresekurve gelang mithilfe eines umgebauten Rasterkraftmikroskops, eines Piezoresponse-Rasterkraftmikroskops, das in der Lage war, die geringe Verformung zu messen, die schon bei dieser geringen Spannung aufgrund des Piezoelektrischen Effektes der PZT-Keramik auftrat.

Die Speicherung einer Information (bit) in der Strukturgröße um die 40 nm pro bit steht damit im Wettbewerb mit der Herstellungstechnik in der Halbleiterindustrie. Schon Ende März 2006 kündigte Intel den Start der Massenfertigung seiner Prozessoren mit 45 nm-Technologie für Ende 2007 an (Moorsches Gesetz). Diese Strukturgrößen sind 2009 Stand der Technik, sie werden gerade durch die 32 nm-Technologie ergänzt. Es kommt hinzu, dass es gelungen ist, bei den NAND-Flash-Speichern durch unterschiedliche Ladungsniveaus in den Speicherzellen bis zu 3 bit pro Zelle speichern zu können. Ob damit die Zukunft des Nanokondensators als Informationsspeicher schon besiegelt ist, kann allerdings nur die Zukunft zeigen.

Nanokondensator als hochkapazitiver Kondensator

Mit der Erforschung von vielen zusammen geschalteten Nanokondensatoren als hochkapazitiver „Nanokondensator“ beschäftigt sich unter der Leitung von Gary W. Rubloff das Maryland NanoCenter an der University of Maryland, USA. . (Siehe auch: , oder auch , und )

Mit dieser aktuellen (2009) Forschung im Bereich der Nanotechnologie sollen hochkapazitive Kondensatoren, deren elektrische Speicherfähigkeit gegenüber herkömmlichen Kondensatoren deutlich höher ist und die in der Lage sind, elektrische Energie schnell aufzunehmen und auch wieder abzugeben, hergestellt werden. Damit könnte eine Geschwindigkeitslücke im Speichern und Entladen elektrischer Leistung, z. B. in neuen Anwendungen in der Automobilelektrik oder in Windkraftanlagen, geschlossen werden, denn sowohl Doppelschichtkondensatoren (DLC) als auch Akkumulatoren sind nicht beliebig schnell auf- bzw. entladbar und Elektrolytkondensatoren, die zwar relativ schnell auf- bzw. entladbar sind, sind deutlich größer als DLC-Kondensatoren oder Akkus.

Prinzipieller Aufbau eines hochkapazitiven Nanokondensators

Dieser neuartige hochkapazitive Nanokondensator ist im Grunde genommen ein Plattenkondensator, dessen elektrische Ladung auf zwei gegenüberliegende Elektroden, die durch ein elektrisch isolierendes Dielektrikum voneinander getrennt sind, gespeichert ist. Seine Kapazität ist dabei proportional zur Oberfläche der Elektroden und umgekehrt proportional zum Abstand der Elektroden zueinander. Außerdem bestimmt die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums die Größe der Kapazität.

Er wird aufgebaut aus dem anodisch erzeugten Basismaterial Aluminiumdioxid Al₂O₃. In dieses Material wird dann in einem sich selbst organisierendem, selbst begrenzendem und selbst anordnendem (self-assembly, self-limiting reaction, and self-alignment) nanotechnischen Ätzverfahren eine äußerst regelmäßige Struktur kleinster hexagonaler Nanoporen hineingeätzt. Unzählige Poren, jede mit einem Durchmesser von etwa 50 nm, können so nebeneinander hergestellt werden. Die Tiefe dieser Röhrchen kann mit der Dicke des Basismaterials variiert werden.

Auf das so mit Nanoporen strukturierte Aluminiumdioxid wird zuerst bis in die tiefsten Bereiche der Poren hinein in einem speziellem Prozess, Atomic Layer Deposition (ALD) genannt, hauchdünn Titannitrid (TiN), ein leitfähiges Material, als untere Basis-Elektrode aufgebracht. Auf diese leitfähige Schicht wird dann eine elektrisch isolierende Schicht aus Aluminiumoxid Al₂O₃ , das Dielektrikum des Nanokondensators, aufgetragen und schließlich wird darüber wieder eine leitfähige Schicht aus TiN, die obere "Top Elektrode" aufgebracht. Es entstehet also eine Anordnung aus drei Schichten, Metall-Isolator-Metall (MIM), die das mit Nanoporen strukturierte Aluminiumdioxid bis in die Poren auskleidet und den eigentlichen Kondensator bildet. Die metallischen Schichten, die die Elektroden bilden, werden dann mit den Kontakten des späteren Kondensators kontaktiert .

Die Rasterelektronische Aufnahme der inneren Struktur des Nanokondensators zeigt, dass die drei Schichten, die den Kondensator bilden, im Inneren der Poren nur etwa 25 nm dick sind. Die isolierende Schicht, das Dielektrikum, ist daran mit etwa 6 nm beteiligt. Bei einer Spannungsfestigkeit des Aluminiumoxids von 0,7 V/nm bei Raumtemperatur sollte der Nanokondensator für eine Nennspannung von 3 V geeignet sein. Dies wird bestätigt durch die Untersuchungsergebnisse, die eine Durchschlagsfestigkeit von (4,1 ± 1,9) V bzw. (4,6 ± 1,1) V bei Raumtemperatur ergaben. Bei einem Einsatz in der Kfz-Elektronik bei der dort üblichen oberen Grenztemperatur von 125 °C wird die Spannungsfestigkeit dann auf etwa 2 V absinken.

Vergleich von Leistungs- und Energiedichte der Nanokondensatoren (grobe Schätzung) mit anderen elektrischen Energiespeichern

Der neuartige „Nanokondensator“ hat bei einer Porentiefe von etwa 1 µm eine spezifische Kapazität von etwa 10 µF/cm²  und für die Porentiefe von 10 µm etwa 100 µF/cm² . Dies bedeutet nach Angaben des Maryland NanoCenter eine signifikante Erhöhung der spezifischen Kapazität pro Bauvolumen gegenüber bislang bekannten hochkapazitiven Kondensatortechnologien. Die Werte der Leistungsdichte (bis zu etwa 1 x 10⁶ W/kg) übertreffen nach Angaben des Maryland NanoCenter diejenigen der Elektrolytkondensatoren und die Werte der Energiedichte (etwa 0.7  Wh/kg) erreichen in etwa die Werte von Doppelschichtkondensatoren.

Der Prototyp eines Nanokondensators, den die Wissenschaftler aus Maryland im März 2009 vorgestellt haben, besteht aus mehreren punktförmigen Arrays (dot capacitor) auf einem Wafer mit jeweils etwa 125 µm Durchmesser in dem etwa 1 Million Poren enthalten sind. Durch Zusammenschalten der Arrays lässt sich dann ein Kondensator mit den gewünschten Eigenschaften erreichen. Weitere Forschungen an den neuen Nanokondensatoren werden sich beispielsweise mit der Vergrößerung herstellbarer Arrays und dem Material des Dielektrikums beschäftigen. Materialien mit höherer Dielektrizitätszahl als Aluminiumoxid könnten die Kapazität des Kondensators noch weiter erhöhen.

Diese und die vielen praktischen Fragen wie z. B. die Kapselung der Kondensatoren und vor Allem der Preis, die jetzt noch offen im Raum stehen, stehen einem raschen Einsatz der Nanokondensatoren noch entgegen.