[News] Neuer Rechner online - Kondensator-Spannung

[Jobsti]

Wer kennt es nicht?
Das leidige Thema der Nennspannung von Kondensatoren.
Wieder einmal fehlt die Angabe von VAC, da wir auf unseren
Frequenzweichen VAC benötigen.

Kann man das einfach umrechnen?
Wie dimensionieren wir einen Kondensator für unsere Schaltung,
welche Nennspannung ist ausreichend?


Ab heute gibt es einen lange gemissten Rechner,
welcher euch bei der korrekten Wahl der Kondensatoren behilflich ist.

Zum Kondensator-Rechner


Fragen zum neuen Tool könnt ihr gerne hier unter den News stellen.
Ein Artikel zum Thema mit genaueren Erläuterungen und Beispielen folgt auch noch.

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Kurz-Erläuterung:

Leider finden wir oft nur die Nennspannung als Gleichspannung, z.B. 400VDC.
Bei einigen Kondensatoren, oftmals ELKO, finden wir nur die Angabe in VAC,
nur wenige Datenblätter (oder Aufdrucke) geben beides mit an.
Bei letzterem ist dann die Frage, ob dies auch wirklich vom Hersteller gemessen wurde, oder er einfach eine Faustformel verwendete.

Im Netz schwirrt vieles umher, von "Ziehe einfach 40% von DC ab" bis zu den wildesten Rechnungen und Theorien.

IdR. können wir davon ausgehen, dass AC 3dB unterhalb DC liegt, also Veff zu Vpeak. Dies entspricht einem Sinus.
Schaue ich mir einige Datenblätter an, wird für VAC sehr oft allerdings 4dB genommen, also nochmals 1dB Headroom oben drauf.


Problem:
Wir haben dynamische Lasten und je nachdem wie wir unsere Lautsprecher betreiben,
benötigen wir mehr Headroom als nur 1dB.
Für den HiFi-Bereich reichen +3dB Headroom aus, für den PA-Bereich sollte man mit +6dB auf der Sicheren Seite sein, auch zwecks versehentlicher Überlast.

Der Rechner Spuckt uns nun folgendes aus:

1.) Umrechnung von VAC zu VDC und umgekehrt.

2.) Die maximal anliegende RMS Leistung unserer Lautsprecherbox, in welcher wir den Cap verbauen können, bei:
• Veff - Dieser Wert dient rein zu Informationszwecken
• VAC - Der üblich genutzte Wert, der entweder ausgerechnet oder eingeben wird.
• Veff +3dB - Passend für HiFi-Lautsprecher, hier sollten +3dB problemlos ausreichen.
• Veff +6dB - Diesen Wert sollten wir für robuste PA-Lautsprecher nutzen*
• Veff +9dB - Hiermit geht man auf 100% Nummer-Sicher, aber so viel zu dimensionieren braucht's idR. nicht.


*
Beispielrechnung #1:
1000W rms an 8 Ohm = 89V rms = 126V Peak
Nun setzen wir den RMS-Limiter auf 1000W, den Peaklimiter auf +6dB, also +3dB Headroom.
Schon sind wir bei 179V.

In der Praxis schaut es aber so aus, dass wir teils auch höhere Spannungen innerhalb unserer Frequenzweiche haben.
Es liegen 89,4V rms an, im Mittel mit 6db Crest liegen wir um die 62V, unser C2 im Filter 3ter Ordnung hat aber bereits eine Spitze bei 118V,
so landen wir bei 236Vpeak, bzw. mit 6dB Peaklimiter bei 332Vpeak.


89V = 126VDC
179V =253VDC
236V =334VDC
332V = 470VDC

Nun wissen wir auch wieso Kondensatoren mit z,B, 600VDC (z.B. Q6, Audyn Plus etc.) existieren.


Beispielrechnung #2: anhand LF-Sat12:
250W rms = 44,7V rms anliegend.
Mit Crestfaktor 6 sieht C2 nur 34,2V, Vpeak jedoch 68,4V.
Wir wollen jetzt noch 3dB Headroom = 48,3Vrms / 96Vpeak
Dies entspricht dann einem Kondensator mit einer Nennspannung von 100VDC
Wollen wir 100% sicher gehen, würden wir noch mal +3db Headroom nehmen und kommen auf 68,4Vrms/136Vpeak
Mit einem 100VDC sind wir für eine Box dieser Klasse super bedient und mit 160VDC sogar extrem sicher

Der neue Rechner spuckt uns dazu folgendes aus:
160VDC = 400W PA-Box
100VDC = 156W PA-Box / 313W HiFi-Box


Anmerkungen:

Intertechnik & Janzen gibt VAC eher mit 4dB an z.B. 160DC/100AC oder 250/160V, einzelne Ausnahmen auch mal mit 800DC/425AC (5-6dB) oder 1200DC/800AC (2-3dB)
Mundorf hingegen den Großteil mit 3dB (Veff), z.B. 400DC/275AC, 250DC/170AC. Classic-Modelle dagegen mit ganzen 6dB (1400DC/480AC).
Wichtig: Bei bipolaren Elkos entspricht VAC (fast) immer 6dB, also z.B. 100VDC/35VAC

Somit habe ich mich dazu entschieden im Rechner "AC" als Standard mit 4dB zu wählen.

Ja, wir könnten (und sollten) auch die Durchschlagfestigkeit betrachten, allerdings finden wir zu fast keinem Modell Informationen diesbezüglich.

[the flix]

Leider ist die Spannungsfestigkeit von Kondensatoren frequenzabhängig, was manche Hersteller auch in ihren Datenblättern deutlich darstellen:
https://www.wima.de/wp-content/uploads/ ... MKP_4F.pdf

[Jobsti]

Leider ist die Spannungsfestigkeit von Kondensatoren frequenzabhängig, was manche Hersteller auch in ihren Datenblättern deutlich darstellen:
https://www.wima.de/wp-content/uploads/ ... MKP_4F.pdf

Leider findet man so gut wie keine Datenblätter für unsere typischen "Frequenzweichen-Kondensatoren"
und wenn, sind diese wirklich sehr spärlich. Somit muss man sich anders behelfen.

Dennoch, wo in deinem verlinkten Datenblatt kann ich das ablesen? Ehrlich gesagt wäre mir solch ein Verhalten neu.
Das Spannungsderating ist die Geschichte mit der Temperatur (Spannungsfestigkeit sinkt oberhalb der typ. Betriebstemperatur, ähnlich wie bei Widerständen)
Der Kapazitive Blindwiderstand ändert sich mit der Frequenz (und Temperatur), aber dies hat nur Einfluss auf den Strom (und das Verhalten/Kapazität)


Edit im Rechner:
Jetzt mit Checkbox für ELKO

[the flix]

Die Diagramme auf S. 6 zeigen unter anderem die Wechselspannungsfestigkeit über Frequenz. So hat ein 1 µF 450 V DC Typ bei 100 Hz noch die nominalen 230 V AC, bei 10 kHz aber nur noch 40 V AC.
Das Verhalten entsteht genau durch den Strom, also den Blindwiderstand. Die Eigenerwärmung ist das begrenzende Element.

Das Problem tritt auch bei den Ausgangsfilterkondensatoren von ClassD-Endstufen auf. Man findet bei manchen Produkten Hinweise auf Schutzfunktionen gegen "excessive HF-Voltage" oder ähnliches. Das heißt nichts anderes, als dass eine Begrenzung der maximalen Ausgangsspannung im Hochton stattfindet, um die Filterkondensatoren zu schützen.

In der Praxis gibt es zum Glück nur wenige Konstallationen, in denen daraus tatsächlich ein Problem entsteht. Die hochfrequenten Signalanteile sind in der Regel nur mit geringer Amplitude im Signal vorhanden. Und ihr Crest-Faktor ist hoch, es handelt sich also so gut wie nie um länger anliegende Töne. Die Dauerbelastbarkeit der Hochtöner ist gering, daher wird der Durchschnittspegel im Hochton vernünftigerweise durch entsprechende RMS-Limiter mit Sidechain-Filter begrenzt.
Kritisch wird es vermutlich nur bei "Missbrauch" oder künstlichen Signalen, wie Rückkopplung oder auch Maximalpegelmessungen mit Sinusbursts. Anwendungsbezogen sollten Line-Arrays mit deutlicher Hochtonanhebung in den oberen Elementen zur Kompensation der Hochtondämpfung über Distanz den Worst-Case darstellen.

[Jobsti]

Oh wie dumm, ich dachte es wäre nur eine Seite (oder mein Browser wollte nicht scrollen), da unten sind ja richtig interessante Diagramme.

Wäre interessant die Diagramme von unseren üblichen Kondensatoren zu haben, gerade von den ganzen "Besonderen".
Denn die von dir verlinkten, nehmen wirklich rapide in der Spannungsfestigkeit ab ab grob 10khz aufwärts, bzw. Große sogar schon ab 2kHz.
Ist bei uns aber nicht so tragisch, da wir eh 1/f in unserem Gebiet haben
Das Schöne ist, dass sie hier auch Ueff angegeben haben.

Wenn der Limitierende Faktor die Erwärmung ist, dann können wir bei unseren Anwendungen von mindestens dem Doppelten ausgehen,
in der Praxis eher 4-8 fach, da wir keinen Sinus mit 3dB Crest drüber pfeffern, sondern mindestens 6dB, eher 12dB, dazu kommt dann noch 1/f,
also zunehmend wesentlich weniger Belastung im hohen Frequenzbereich (-3dB/Okt.)

Ich würde also sagen, dass dieses Verhalten in unserem Einsatzgebiet zu vernachlässigen ist.
Aber vielen Dank, ich sehe solche Diagramme das erste mal, das gibt ja sonst keiner an bei uns und Caps aus anderen Bereichen (oder von Herstellern davon) sehe ich mir zu selten an.


ABER mir erscheinen die Werte doch relativ gering.
Schauen wir uns mal den 30µF 400V an, der liegt schon bei 80VAC bei 1kHz.
Würden wir das jetzt einfach mal auf Kleinere Caps runterbrechen (ganze theoretisch), länge ein 250VDC Modell bei circa 50V,
ein 160VDC bei 30VAC und ein 100VDC bei 20VAC, ein 100VDC ELKO bei unter 10VAC.

Anm.:
Der Hersteller nimmt aber auch Stumpf VDC/2 (was grob Veff+3dB entspricht) für VAC und rundet, was in unserem Bereich untypisch ist.
Beispiel 440V/230V im Datenblatt, typisch wären hier 440V/311V (Veff) oder 440V/275VAC
Alles was AC im Datenblatt ist, so scheint es mir, wurde nicht gemessen, sondern abgeleitet, siehe Anmerkungen wie "Richtwerte",
oder Prüf- & Messspannungen in VDC.
Wir können von allen hier im Beitrag genannten/errechneten Daten als vom Worst Case ausgehen

Wir extrapolieren das ganze nun mal von 3dB auf 6dB und 12dB Crest, da wir Musiksignal und keinen Sinus fahren.
Auch wenn mal ne Weile Signal 6dB Crest drüber läuft kann man im Schnitt (hier geht's ja um die Erwärmung) eher von 12-18dB ausgehen im Praxiseinsatz.

3dB	6dB	12dB
80V	113V	160V
50V	71V	100V
30V	42V	60V
20V	28V	40V
10V	14V	20V

Somit sind wir im Großteil völlig im grünen Bereich.
Elkos im Schnitt gingen mit 12dB Crest fast in allen Bereichen der Weiche bis 400W. (VAC und Vpeak ist ne andere Sache, daran würden sie sterben.)
Da wir aber auf Sicherheit gehen und lieber 6dB Crest annehmen, ist im Bereich 100W Schluss (je nachdem wo das Bauteil sitzt, natürlich auch mehr)

Elko 100VDC (Diagramm: 20V bei 12dB Crest Dauerbelastung an 1kHz, VAC35V):
Ergibt nachgerechnet 20VAC 12dB Crest 480W, mit 6dB Crest 120W.
Der Rechner Spuckt dazu aus: Veff bis 156W, HiFi-Anwendungen 78W PA-Anwendungen 40W und als Absolutes Maximum mit 1dB Sicherheit 122W.
(Bei 100VDC hat ein Elko 35VAC, also Vp 50V, ohne Headroom entspricht das also grob 190W rms an 8 Ohm mit 6dB Crest)

MKT 160VDC (Diagramm: 60V bei 12dB Crest Dauerbelastung an 1kHz, VAC100V):
Ergibt nachgerechnet 60VAC 12dB Crest 4200W, mit 6dB Crest 1050W.
Der Rechner Spuckt dazu aus: Veff bis 1600W, HiFi-Anwendungen 800W PA-Anwendungen 400W und als Absolutes Maximum mit 1dB Sicherheit 1250W.

* Alles nachgerechnet mit 1/f, da praxisgerecht. Alles an 8 Ohm


Für die Mitleser, die nun verwirrt sind, mal zusammengefasst:
- Der Rechner geht von der reinen Spannungsfestigkeit aus.
- Wir diskutieren hier aber gerade über die Spannungsfestigkeit in Abhängigkeit der Frequenz, welche je höher die Frequenz stärker abnimmt.
Dies ist aber der Erwärmung geschuldet.
Ich habe gerade nachgerechnet, dass dieses Verhalten für unseren Einsatzbereich zu vernachlässigen ist, und der Rechner bedenkenlos genutzt werden kann.



Mit dem Wechselstrom schaut's genau andersherum aus, je geringer die Kapazität, desto geringer der zulässige Strom.
Frage ist aber: Der Strom, welcher am Cap abfällt durch den Eigenwiderstand, oder der durchfließende, also Strom vom Verbraucher, oder ist das Diagramm nur für Parallelanschluss interessant?
So richtig interessant in unseren Schaltungen ist das eher in Hochpässen. Der 1µF ist mit 0,2A bei 100Hz angegeben, 1,8A bei 1kHz.
Durch C1 mit 1µF im HP fließen im Schnitt (bei 250Wrms 12dB Crest und 1/f, XO 2kHz) grob 0,3A. Haben wir ne etwas potentere Kiste geht das auf 0,8A rauf, aber jeweils oberhalb 2kHz.
Habe mal einiges durchsimuliert, die Stromfestigkeit ist in fast allen Situationen zu vernachlässigen, da kommen wir an keine Diagrammwerte ran,
jedenfalls nicht mit realistischen Schaltungen


Habe jetzt zwischenzeitlich einige Schaltungen voll durchsimuliert, bei allen "Vernünftigen" bleiben wir (mit 12dB Crest) weit unterhalb allen Werten laut Diagramm (oder den theoretisch angenommenen)



Der Rechner ist jetzt primär aber auch dafür gedacht, dass man den Kondensatoren erstmal (linear gesehen) keine Überspannung gibt und sie korrekt dimensioniert.
Gerade für den PA-Bereich, wo schwarze Kisten auch mal in der prallen Sonne stehen, wird hier der Wert mit Veff+9dB ausgegeben, das sollte mehr als genug Headroom sein.


Edit:
Das ganze Verhalten ist abhängig von der Arbeitstemperatur, die im Regelfall bei 85°C liegt.
Erst darüber nimmt die Spannungsfestigkeit ab.
Ich hatte (bis auf frisch gekillte Elkos) jedenfalls noch keine Kondensatoren in den Fingern, welche heiß waren