Kondensator

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Ein Kondensator ist ein passives elektrisches Bauteil mit zwei Anschlüssen, welches elektrische Energie in einem elektrischen Feld in Form von Ladung speichert. Die charakteristische Größe, die den Kondensator beschreibt, ist die Kapazität C, gemessen in Farad (F). Ein Kondensator besteht aus zwei Flächen gut leitfähigen Materials, die voneinander isoliert sind. Das Isolationsmaterial ist ein Dielektrikum und verleiht dem Kondensator je nach Material stark unterschiedliche Eigenschaften.

Aufbau eines Kondensators

Je größer die Fläche, je geringer der Abstand der Flächen und je höher die relative Permittivität \varepsilon_r - das Dielektrikum - desto höher ist die Kapazität des Bauteils. Der einfachste Kondensator besteht aus zwei voneinander isolierten Metallplatten, zwischen denen sich Luft als "Dielektrikum" befindet. Um die Fläche und damit die Kapazität zu vergrößern gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Wickelkondensator

Die einfachste Methode die Flächen zu vergrößern ist es, zwei leitfähige Folien mit einem Isolationsmaterial dazwischen aufzuwickeln. Diese Methode wird für so ziemlich alle Kondensatortypen verwendet. Manchmal wird der Wickel nach der Herstellung flachgepresst, um das Volumen zu optimieren.

Schichtkondensator

Diese Aufbauart wird durch "stapeln" der unterschiedlichen Lagen erreicht. Verfahrenstechnisch ist dies oft wieder ein Wickel, jedoch meist auf bis zu 2 Meter durchmessenden Wickelrädern. Dieses ursprünglich von Siemens eingesetzte Verfahren wird auch aktuell noch verwendet, hauptsächlich für Folienkondensatoren bis in den mF-Bereich hinein. Nach dem Wickeln auf vieleckigen Räder wird der Folienstapel geschnitten und auf die gewünschte Größe = Kapazität getrennt.

Kondensatortypen

(Vakuum-, Glimmer-, Gas- und Glaskondensatoren nicht berücksichtigt)

Keramik-Kondensator

Siehe auch den Artikel Keramikkondensator in Wikipedia.

Kerkos sind sogenannte "Vielschicht-Kondensatoren" die aus mehreren hundert Lagen einer isolierenden Keramik (Titandioxid+Bariumtitanat), und einer elektrisch leitfähigen Metallisierung (Aluminium & Magnesiumsilikate) bestehen. Dieser Typ ist wie der Folienkondensator für höchste Frequenzen geeignet, hat eine sehr geringe Baugröße, eine gute Temperaturstabilität aber piezoelektrische Eigenschaften. Die Kapazität pro mm³ variiert je nach Dielektrikum Z5U, Y5V, X7R, C0 (in abnehmender Kapazitätsdichte) und ist sowohl abhängig von Temperatur als auch der angelegten Spannung.

Folien-Kondensator

Siehe auch den Artikel Folienkondensator in Wikipedia.

Unterschiedliche Folienarten verleihen dem Kondensator stark unterschiedliche Eigenschaften wie z.B. temperatur- und alterungsbeständigkeit, Verlustfaktor, Isolationswiderstand, und die obere Grenzfrequenz, um nur die wichtigsten zu nennen. Die Dicke der Metallisierung hingegen entscheidet über den maximal zulässigen Rippelstrom / Impulsstromfestigkeit und darüber, ob sich ein Kondensator "selbst heilen" kann, oder nicht. Das Verfahren der "Selbstheilung" funktioniert nur bei Metallisierungen, da es darauf beruht, daß die im C gespeicherte Energie den Metallbelag beim Durchschlag durch die Isolation verdampfen kann. Ist die Energie zu gering, wird nur wenig Metall um den Durchschlag verdampft, und der Kurzschluß bleibt bestehen. Ist die Energie zu hoch, wird der Kondensator thermisch zerstört. Hat der C den richigen Energiegehalt, verdampft direkt um die Durchschlagstelle herum bis zu einigen mm der Metallisierung, und die Fehlstelle ist wieder isoliert. Im Übrigen ist eine Parallelsschaltung aus vielen,als selbstheilenden C's nicht unbedingt mehr "selbstheilend" da der Energieeintrag dann aus dem Gesamtverbund kommt, und oft zu hoch ist um nur eine kleine Fläche verdampfen zu lassen. Impulsstrom-feste Kondensatoren zeichnen sich durch hohe Schichtstärken der Metallisierung aus, oder verwenden statt der Metallbeschichtung direkt eine Metallfolie. Hier wäre normalerweise ein "selbstheilen" gleichbedeutend mit einem so hohen Energieeintrag, daß das Bauteil zerstört wird.

Hier eine kleine Übersicht mit der Bitte um Vervollständigung.

Folientyp Poly-
propylen		 Poly-
styren		 Poly-
carbonat		 Poly-
ester		 Poly-
styrol		 Poly-
ethylen-
naphthalat		 Polytetra-
fluor-
ethylen		 Poly-
phenylen-
sulfid		 Metall-
Papier
Folien-
markenname		 Hostalen - Makrofol, Makroflex Mylar, Hostaphan Styroflex Kaladex Teflon Tedur, Ryton Papier
Abkürzung PP - PC PET PS PEN PTFE PPS -
Typ (F)KP, MKP -KS, MKS KC, MKC (F)KT, MKT -KS, MKS (F)KN, MKN - (F)KI, MKI MP
Temperatur-
festigkeit /°C		 ca 105 - ca. 105 125..150 - 150 - 150 85
Toleranz
+/-%		 1 1 - 1 - - - - 20
Grenzfrequenz /kHz 100 400 - - 1000 - - - -
Selbstheilend ja - - ja - - - - ja
Impuls-
belastbarkeit		 + + + -- - - - +

(MK) = metallisierte Folie, (F) = Metallbeläge z.B. Metallfolie (K) = Metallfolie+Kunststofffolie

Elektrolyt-Kondensator

Ein Elko unterscheidet sich hauptsächlich dadurch von anderen Kondensatoren, daß nur eine Elektrode aus einer Metallschicht besteht, die zweite aus einem festen, oder flüssigen Elektrolyten.

Siehe auch den Artikel Elektrolytkondensator in Wikipedia.

Fest-Elektrolyt

Diese Bauteile bestehen aus Polymeren, Metalloxiden, Braunstein, ... und sind wie die Elkos immer gepolt. Als Metalloxide ist Tantal sehr, und Niob noch weniger verbreitet. Takos sind SEHR empfindlich gegenüber schnellen Spannungsanstiegen bzw. Überspannung und sollten nie ohne Vorwiderstand direkt an einer niederohmigen Quelle (Batterie) geladen/betrieben werden. Takos verbrennen im Fehlerfall mit einer Stichflamme, daher empfiehlt es sich eine deutlich höhere Spannungsfestigkeit zu wählen und - bei direktem Anschluß an eine niederohmige Quelle - zusätzlich ein Lade-Vorwiderstand einzubauen. Treten zusätzlich hohe Temperaturen auf, ist die Spannungsfestigkeit mindestens zu verdoppeln. Kondensatoren mit Niob statt Tantal sind weniger verbreitet, und noch sehr teuer. Ihr Vorteil ist z.B. die Unempfindlichkeit gegenüber schnellen Spannungsanstiegen, sie können direkt an jeder Quelle betrieben werden.

Flüssig-Elektrolyt

Diese Bauteile bestehen aus zwei Lagen sehr stark angeätzter Aluminiumfolie - zur Vergrößerung der Oberfläche - und einem flüssigen (seltener "einem festen") Elektrolyten. Die zweite Folie kontaktiert gleichzeitig den Elektrolyten. Der Elektrolyt ist häufig auf Alkoholen basierend, aus/mit Schwefelsäure oder Glykol. Die Alufolie wird nach den ätzen anodisch oxidiert. Die Eloxal-Schicht ist mechanisch belastbar, und stellt die einzige Isolation zwischen den beiden Anschlüssen dar. Die Oxidation der Alufolie wird je nach Hersteller bei ca. 140..165% der Nennspannung durchgeführt. Die Oxidschicht baut sich durch den Elektrolyten bei langer Lagerung stark ab, daher sinkt die Spannungsfestigkeit eines Elkos mit seinem Alter. Alte Bauteile können - sofern noch Elektrolyt enthalten ist - durch spannungsrichtiges Anschließen an eine Spannungsquelle und langsamen erhöhen der Spannung bis über die Nennspannung hinaus wieder "formiert" werden. Achtung, hier besteht die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Anschlüssen, daher hochohmigen Vorwiderstand verwenden! Wird ein Elko verpolt betrieben, wird die Oxidschicht im Laufe der Zeit (Abhängig von Spannung und Temperatur) abgebaut, und der Kondensator schlägt durch.

Doppelschicht-Kondensatoren

Siehe auch den Artikel Superkondensator in Wikipedia.

Diese Bauteile werden unter Markennamen wie "Goldcap", "Ultracap" oder "Supercap" vertrieben, besitzen meist ein flüssiges Elektrolyt haben aber nicht besonders viel mit den o.g. "Elektrolytkondensatoren" gemeinsam. Dieser Kondensator besitzt Eigenschaften eines Kondensators und einer Batterie. Der "Kondensator" ist hier aus (im Gegensatz zum Elko) zwei Lagen einer einseitig metallisierten Aktivkohle, einem Separator, und einem Elektrolyten. Das verwendete Elektrolyt erfüllt unter definierten Betriebsbedingungen die Funktion eines zusätzlichen Dielektrikums, und trägt zusätzlich zur ohnehin schon sehr großen Fläche der Aktivkohle, durch seine extrem dünne Schichtdicke, zur sehr hohen Kapazität bei. Im Gegensatz zu einer Batterie kann der Doppelschichtkondensator Energie sehr schnell aufnehmen und abgeben, und altert dabei nur im geringen Maße. 500000 Lade-/Entladezyklen sind erreichbar, wenn die Spannung pro Zelle nicht überschritten wird. Normal sind hier 2,3..2,5V.

Anwendungen

Hier wird für verschiedene Anwendungsfälle eine sinnvolle Lösung empfohlen.

Anwendung Beispiel Empfohlener Typ Kommentar
Stromversorgung Netzteil Elko
Stromversorgung Zwischenkreis Elkos, Folienkondensatoren
Datenerhalt Doppelschichtkondensator
Energiespeicher digitale Schaltungen Kerko z.B. 47nF pro IC bzw. Vcc-Anschluß
Hohe Impulsenergie x00ms Impulsschweißgerät, (capacitive discharge) Elko (Folie)
Impulsfeste Kondensatoren Coils shrinker, Coilgun, Railgun Folie MKT10 oder noch besser FKT1
NF-Filter PWM als DAC Tako/Elko/Kerko
HF-Filter Beispiel Styroflex-Folie
Audio Kopplung Folie
Vorwiderstand Motorkondensator MP oder Folie
Vorwiderstand Kondensatornetzteil Kerko/Folie Achtung, nur X2-Typen!

Mathematik zum Kondensator

Die Größe eines Kondensators ist seine Kapazität (Formelzeichen C), die als Ladung (Formelzeichen Q) durch Spannung (Formelzeichen U) definiert ist.

[math]\displaystyle{ C=\frac{Q}{U} }[/math]

Die Einheit für die Kapazität ist Farad:

[math]\displaystyle{ [C]=F=\frac{As}{V} }[/math]

Reihenschaltung

Für eine Reihenschaltung von n Kondensatoren gilt:

[math]\displaystyle{ \frac{1}{C_{ges}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\dots+\frac{1}{C_n} }[/math]

[math]\displaystyle{ U_{ges}=U_1+U_2+\dots+U_n }[/math]

[math]\displaystyle{ I_{ges}=I_1=I_2=\dots=I_n }[/math]

Parallelschaltung

Für eine Parallelschaltung von n Kondensatoren gilt:

[math]\displaystyle{ C_{ges}=C_1+C_2+\dots+C_n }[/math]

[math]\displaystyle{ U_{ges}=U_1=U_2=\dots=U_n }[/math]

[math]\displaystyle{ I_{ges}=I_1+I_2+\dots+I_n }[/math]

Gespeicherte Energie

Die in einem Kondensator gespeicherte Energie lässt sich durch die Formel

[math]\displaystyle{ W=\frac{C}{2} \cdot U^2 = \frac{1}{2 \cdot C} \cdot Q^2 = \frac{U}{2} \cdot Q }[/math]

berechnen.

Praxis

Polaritätszeichen

Elektrolytkondensatoren (kurz Elkos) sind in der Regel gepolt, d. h. Gleichspannungspegel müssen in einer vorgeschriebenen Polarität angelegt werden, damit das Dielektrikum nicht zerstört wird. Bei Aluminium-Elkos wird dabei generell der Minuspol gekennzeichnet, bei kleinen Bauformen mit einem Strich, bei größeren Bauformen befinden sich u. U. auch noch Minuszeichen in diesem Strich eingebettet. Bei Tantal-Elkos hingegen wird immer der Pluspol gekennzeichnet, sowohl bei SMD als auch THT-Bauformen.

SMD-Elkos.jpeg

Die gezeigten Elkos haben folgende Werte (von links nach rechts):

  • 220 µF, Spannungsfestigkeit 6 V
  • 100 µF ([math]\displaystyle{ 10 \cdot 10^7 }[/math] pF), 16 V
  • 22 µF, 10 V
  • 1 µF, 35 V
  • 2,2 µF ([math]\displaystyle{ 22 \cdot 10^5 }[/math] pF), 10 V

Die beim 100-µF-Kondensator zu findende Buchstabenschreibweise für die Spannungsfestigkeit ist wenig gebräuchlich, aber gelegentlich anzutreffen. Die Zuordnung ist:

Buchstabe e g j A C D E V H J K
Spannungs-
festigkeit /V		 2.5 4 6,3 10 16 20 25 35 50 63 80

Die Spannungsfestigkeit kann auch durch eine zweistellige Kombination aus einer Ziffer und einem Buchstaben codiert sein:

Kombination 0G 0L 0J 1A 1C 1E
Spannungs-
festigkeit /V		 4,0 5,5 6,3 10 16 20
Kombination 1H 1J 1K 2A 2Q 2B
Spannungs-
festigkeit /V		 50 63 80 100 110 125
Kombination 2C 2Z 2D 2P 2E 2F
Spannungs-
festigkeit /V		 160 180 200 220 250 315
Kombination 2V 2G 2W 2H 2J 3A
Spannungs-
festigkeit /V		 350 400 450 500 630 1000
Case Code (Bauform) A B C D
EIA Code 3216 3528 6032 7343
Länge (mm) 3,2 3,5 6,0 7,3
Breite (mm) 1,6 2,8 3,2 4,3
Höhe (mm) 1,6 1,9 2,5 2,8
Maßtoleranz (mm) 0,2 0,2 0,3 0,3

Siebkondensator

Der Siebkondensator sitzt hinter einem Gleichrichter und hat die Aufgabe, aus einer gleichgerichteten, pulsierenden Spannung, eine annähernd konstante Gleichspannung mit nur wenig Welligkeit (engl. Ripple) zu machen. Er wird periodisch geladen und muss während der Ladepausen, wenn die Eingangssspannung vor dem Gleichrichter kleiner als die Ausgangsspannung ist, den Ausgang mit Strom versorgen. Man findet ihn in allen klassischen Netzteilen mit 50Hz Trafo. Als Daumenregel kann man sich merken, dass man pro 1A Ausgangsstrom ca. 10mF braucht, um eine Welligkeit von ca. 1Vpp zu erreichen.

Einen Siebkondensator findet man auch am Ausgang von Schaltnetzteilen, seine Aufgabe ist dort die gleiche. Allerdings sind die Schaltfrequenzen deutlich höher, typisch 50-500kHz. Darum muss dieser Kondensator einen besonders kleinen, effektiven Innenwiderstand besitzen (engl. ESR, Equivalent Series Resistance).

Entkoppelkondensator

Der Entkoppelkondensator hat die Aufgabe, die Versorgungsspannung nahe an einem IC für hochfrequente Ströme zu puffern (entkoppeln, engl. decoupling). Schnelle Digital- und Analogschaltungen benötigen vor allem beim Umschalten sehr schnell viel Strom, in der Größenordnung von Nanosekunden bis Mikrosekunden, je nach IC Milliampere bis Ampere. Diese müssen mit möglichst geringem Widerstand und Induktivität geliefert werden. Ein Stromversorgungsnetz auf einer Platine kann das meist nur unzureichend, dazu sind die Leitungen meist zu lang und damit die Induktivität zu hoch. Ein nah am IC platzierter Kondensator liefert diesen Strom für kurze Zeit, ohne dass die Spannung nennenswert einbricht. Die Entkopplung der Stromversorgung geschieht meist mehrstufig, d.h. es werden Kondensatoren verschiedener Arten und Kapazitäten eingesetzt, siehe Stromversorgung für FPGAs.

Praktische Anwendung

  • Jeder Digitalschaltkreis benötigt einen 100nF Keramikkondensator nah (kleiner 20mm) an den Anschlüssen von VCC und GND. Je schneller der IC schalten kann, umso wichtiger ist er und umso näher muss er platziert werden. Ein "langsamer" IC wie ein AVR Mikrocontroller verkraftet 20mm, im Ausnahmefall auch mehr. Ein deutlich schnellerer IC wie moderne FPGAs, große CPUs, sehr schnelle ASICs etc. sind da anspruchsvoller, vor allem wenn die Schaltung stabil laufen soll. Dann muss man möglichst jeden Millimeter Leiterbahn zwischen Pin und Kondensator einsparen, soweit das mechanisch geht.
  • Für jedes Anschlusspaar von VCC und GND eines ICs muss ein Kondensator verwendet werden. Sparen geht hier oft schief!
  • Für die Verbindung der Entkoppelkondensatoren zur Masse- bzw. Versorgungsfläche sollte man möglichst je Kondensator ein VIA benutzen und nicht über ein VIA mehrere Kondensatoren verbinden. Dadurch wird die parasitäre Induktivität vermindert.
  • Schnelle Analogschaltkreise wie Operationsverstärker, Treiber etc. brauchen auch individuelle Entkoppelkondensatoren.
  • Pi mal Daumen gilt: Je größer der Kondensator, umso weiter kann er von dem Verbraucher weg sein, da er auf Grund seines Innenwiderstands (ESR, ESL) weniger HF-tauglich ist. Es ist somit nicht sinnvoll, einen 1000µF Elektrolytkondensator 10mm neben einen Digital-IC setzen zu wollen. Dort gehört der 100nF Keramikkondensator hin. Aber für die Stromversorgung von Motoren, Treibern und H-Brücken sind derartige großen Kondensatoren wichtig und sollten nicht zu weit entfernt sein.

Koppelkondensator

Koppelkondensatoren verbinden Verstärkerstufen. Dabei wird jedoch nur der Wechselanteil übertragen, kein Gleichanteil. Diese Kondensatoren müssen möglichst verzerrungsarm sein, vor allem im Audiobereich. Das wird durch die richtige Wahl des Dielektrikums erreicht.

Forumsbeiträge

Weblinks

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