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Kondensatoren: Grundlagen, Technologien und deren Eigenheiten

Manfred Voss | FAE passive Bauelemente | pk components GmbH
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH


Der Kondensator ist eines der grundlegendsten Elemente der Schaltungstechnik und wird meist als erstes in der Netzwerktheorie an Universitäten gelehrt. In der Regel wird nur das ideale Verhalten eines Kondensators diskutiert, was für die Praxis des Entwicklungsingenieurs nicht ausreicht. Kondensatoren sind in der realen Welt mit vielen besonderen Eigenschaften, Nebeneffekten und Leistungsbeschränkungen behaftet. Deren Ursprung liegt in den Technologien, mit denen die Bauelemente gefertigt werden. Die Eigenheiten der Kondensator-Technologien mit Ihren Vor- und Nachteilen werden im Folgenden mit Fokus auf die Praxis aufgezeigt.

Grundlagen Kondensatoren

Ein Kondensator bildet sich aus zwei gegenüber stehenden leitenden Platten mit der Fläche A, die Anode und die Kathode. Die Platten sind im Abstand d voneinander entfernt. Dazwischen ist ein nicht leitendes Dielektrikum mit der Permittivtiät εr. Mit der Anlage einer Spannung (U in Volt) lädt der Kondensator auf, kann also eine gewisse Menge bzw. Ladung (Q in Coulumb) an Elektronen halten. Die Kapazität in Farad (Q/U) errechnet sich wie folgt:
 

ε0: elektrische Feldkonstante


Nach der Trennung von der Spannungsquelle bleibt die Ladung im Kondensator erhalten. Die gespeicherte Energie beträgt:
 

in Joule (J)


Ein Kondensator ist somit ein Element, um Energie zu speichern. Diese Eigenschaft wird genutzt, um welligen Gleichstrom zu glätten (Gleichrichtung) oder um Energie vor dem Verbraucher zu puffern. Im Allgemeinen sind das Kapazitäten ab ca. einem µF. Dabei bestimmt die Permittivität εr im hohen Maß die Kapazität. Hier einige Beispiele:

Dielektrika Mittlere Permittivität oder Dielektrizitätszahl (εr)
Luft 1
Papier 2
Kunststofffolie 3
Glimmer 5
Porzellan 6
Aluminiumoxid 9
Tantalpentoxid 26
Keramik Class 1 (C0G, U2J) 30
Keramik Class 2, (X5R, X7R,...) 3.000

Mehr zu Kondensatoren


Eine weitere wichtige Eigenschaft  eines Kondensators ist die Abhängigkeit des Widerstandes von der Frequenz. Dieser wird als Reaktanz (X) oder Blindwiderstand bezeichnet:
 


Das bedeutet, dass der Kondensator bei Gleichstrom ein unendlicher Widerstand ist. Mit zunehmender Frequenz nimmt der Blindwiderstand ab und geht gegen null. Diese Eigenschaft qualifiziert den Kondensator als Filterelement: Ströme mit hoher Frequenz werden durch den Kondensator abgeleitet.

Die Leidener Flasche - Flaschenkondensator

Die Leidener Flasche, auch Kleistsche Flasche oder Flaschenkondensator ist ein erster Aufbau eines Kondensators. Jeweils auf der Innen- wie auch auf der Außenseite wird eine Glasflasche oder –gefäß mit Metallfolien belegt. Diese bilden die Elektroden, die „Platten“ des Kondensators. Gefunden haben das Prinzip unabhängig voneinander der Domdechant Ewald Jürgen Georg von Kleist in Cammin (Pommern) und der Physiker Pieter van Musschenbroek in Leiden in den Jahren 1745 bzw. 1746. Die Leidener Flasche besaß eine Kapazität in der Größenordnung um die 5nF. Heutige Technologien können diesen Kapazitätswert mit einem Bruchteil an Volumen realisieren.

Mehr zur Leidener Flasche

Kondensatoren: Schaltungssymbole und das Ersatzschaltbild

In Schaltplänen, auf Platinen, in der Literatur etc. wird der Kondensator im Allgemeinen mit zwei gegenüber liegenden Platten und Anschlüssen abgebildet. Die Ausprägung ist je nach Kulturkreis unterschiedlich.

Verschiedene Schaltungsymbole für einen Kondensator. Gepolte Varianten (+-Zeichen) verweisen meist auf einen Elektrolyt-Kondensator

Der reale Kondensator wird mit folgendem vereinfachten Ersatzschaltbild charakterisiert:

Dabei ist C: Die Kapazität
LESL: Die serielle Induktivität, die besonders von den Anschlüssen verursacht wird
RESR: Der serielle Widerstand, verursacht durch die Verluste der Zuleitungen und auch der begrenzten Leitfähigkeit von Elektrolyten.
R: Ein paralleler Widerstand, der durch den Anodenfilm verursacht wird.

LESL und RESR sind die dominantesten Nebeneffekte.

Eine Induktivität verhält sich umgekehrt zu einem Kondensator. Somit nimmt die Reaktanz der Induktivität mit der Frequenz zu. Ab einer bestimmten Frequenz fR übernimmt die Induktivität den durch die Frequenz bestimmten Anteil des Blindwiderstandes. fR ist die Resonanzfrequenz.

Verlauf der Impedanz (Scheinwiderstand) eines Kondensators ohne RESR (links) und mit einem RESR (rechts).

Der RESR und R bestimmen die Güte des Kondensators. Er wandelt die Ströme, die durch den Kondensator fließen zum Teil in Wärme um und erzeugt eine Verlustleistung. Er ist ein leistungsbegrenzender Faktor und sollte klein gehalten werden. Im Frequenzdiagramm wird die Kurve der Impedanz beim Übergang von einem dominierenden kapazitiven Anteil in einem dominierenden induktiven Anteil abgeflacht.

Keramikkondensatoren

Diese Art von Kondensatoren hat in den vergangenen Jahrzehnten einen starken Technologiesprung verzeichnet und konnte sogar andere Technologien verdrängen. So ist es den führenden Herstellern gelungen die Kapazitätsdichte seit dem Beginn dieses Jahrhunderts jedes Jahrzehnt nahezu zu verzehnfachen.

Entwicklung der Kapazitätsdichte bei Keramikkondensatoren (Quelle: Murata). Gezeigt werden die errreichten Kapazitäten bei bestimmten Bauformen (EIA).

Im Allgemeinen wird eine gesinterte Keramik als Dielelektrikum (siehe oben) verwendet. Eine breite Verwendung findet der Multi Layer Ceramic Capacitor (MLCC, keramischer Vielschichtkondensator), bei dem viele Metallschichten im Wechsel mit Keramikschichten die Kapazität bilden.

Die verwendeten Keramiken haben dabei ganz bestimmte Bezeichnungen und Eigenschaften. Keramiken mit genauerer Toleranz und geringerer Temperaturabhängigkeit haben eine geringere Permittivitiät εr und somit Kapazitätsdichte. So werden Class 2 Keramiken (X5R, X7R, X6S,...) vorrangig als Sieb- und Pufferkondensatoren in Stromversorgungen eingesetzt. Class 1 Keramiken (C0G, U2J) finden eher Verwendung als frequenzbestimmende Bauteile oder wo hohe Güten verlangt werden, wie z.B. in Hochfrequenzanwendungen.

Keramik Referenztemperatur Temperaturbereich Kapazitätsänderung über Temperaturbereich Gängige Toleranz der Kapazität
C0G 25°C -55 bis 125°C 0±30ppm/°C 5%
U2J 25°C -55 bis 125°C -750±120ppm/°C 5%
X5R 25°C -55 bis 85°C ±15% 10%
X7R 25°C -55 bis 125°C ±15% 10%
X6S 25°C -55 bis 105°C ±22% 10%
X7T 25°C -55 bis 125°C +22% -33% 10%
X6T 25°C -55 bis 105°C +22% -33% 10%
X5S 25°C -55 bis 85°C ±22% 10%
X7S 25°C -55 bis 125°C ±22% 10%
X8G 25°C -55 bis 125°C 0±30ppm/°C 10%
B 20°C -55 bis 85°C ±10% 10%

Wichtige Keramiken als Dielektrikum in Keramikkondensatoren und deren Eigenschaften.

Keramische Kondensatoren bieten gewisse Vorteile, haben jedoch aufgrund des Materials spezielle Eigenschaften, die beim Design unbedingt Beachtung finden müssen.

Das DC-Derating

Elektrisch besonders wichtig ist die Tatsache, dass die Kapazität bei Belastung mit der Nennspannung bis auf ein Zehntel des Nennwertes sinkt (DC-Baising oder DC-Derating). Der Nennwert der Kapazität dagegen wird bei einer Spannung von einem Volt ermittelt.

DC-Biasing oder Derating einiger Keramikkondensatoren (Quelle: Murata).

Die Verringerung der Kapazität ist von der Art der Keramik abhängig. Die häufig für Stütz- und Siebkondensatoren verwendeten X5R/X7R Keramiken weisen nur noch um die 10% der ursprünglichen Kapazität bei Nennspannung auf. Neuere hochkapazitive Keramiken wie X6S oder X7T schaffen 20-25%. Für die Praxis ist es wichtig diesen Sachverhalt in die Berechnung mit einzubeziehen. Möchte man eine bestimmte Kapazität erzielen ist aus Datenblättern oder ähnlichen Hilfsmitteln die resultierende Kapazität heranzuziehen! Bei Bestrebungen zur Miniaturisierung ist zu berücksichtigen, dass größere Bauformen bei vergleichbarer Kapazität und Spannungsfestigkeit tendenziell ein geringeres DC-Biasing aufweisen. Zur Vollständigkeit: Die Class 1 Keramiken (C0G/NP0 oder U2J) haben den Effekt des DC-Deratings nicht, diese Kondensatoren werden jedoch eher in Entkoppelungs-, Koppelungs- und Filteranwendungen eingesetzt.

Risse durch mechanische Krafteinwirkungen

Keramiken sind ein sprödes Material, was bei zu großer Belastung brechen kann. Diese unerwünschte Eigenschaft trifft auch auf Keramikkondensatoren zu wenn die Platine, auf welcher der Keramikkondensator angebracht ist, einem zu hohen mechanischem Stress unterliegt. Das ist besonders bei einer Biegung der Platine der Fall. Der Kondensator ist auf beiden Seiten im Lot fest eingefasst und kann bei zu hohen Druck oder Zug brechen.

Ausprägung von Rissen im Keramikkondensator (links) und Anordnung einer zusätzlichen flexiblen Polymerschicht in der Terminierung (rechts).

Das Problem lässt sich mit speziellen Serien in den Griff bekommen. Die Terminierungen werden bei diesen spezielleren Ausführungen mit einer zusätzlichen Schicht eines leitenden Polymers versehen. Dieses ist flexibler als die reine Metallterminierung und lässt eine größere mechanische Belastung zu.

Pros Cons
Hohe Kapazitätsdichte Derating/Biasing bei Gleichspannung (DC) bei Class 2 Keramiken
Kleinste Bauformen Rissbildung durch mechanische Krafteinwirkung
Lebensdauer nahezu unendlich Piezoeffekt
Keine Polung Mikrofonie, Singen, Klirren
Geringe dielektrische Verluste Temperaturzyklen
Hohe Güte, niedriges RESR  
Hohe Ripple-Ströme  
Geringe Erwärmung  

 
Vorteile und Nachteile von Keramikkondensatoren.

Tantal-und Niobiumkondensator

Tantal und Niobiumkondensatoren füllten zu früheren Zeiten die Lücke im Bereich der Kapazitäts-Spannungsfestigkeit (CV) zwischen den Keramik- und den Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren. Da einerseits der CV-Bereich der Keramikkondensatoren zu höheren Werten ausgeweitet wurde und andererseits der Tantalpreis in den letzten Jahren gestiegen ist, sind viele Hersteller zwischenzeitlich aus dieser Technologie ausgestiegen. Darüber hinaus weisen Tantalkondensatoren ein recht hohes RESR auf. Auch sind die Miniaturisierungspotentiale erschöpft bzw. man sieht darin keine Wirtschaftlichkeit.
 

Schnitt durch einen Tantalkondensator (Quelle Wikipedia).

Pros Cons
Kein DC-Biasing/Derating Gepolt
Mechanisch robust Nur Gleichspannungsbetrieb
Bis 200°C (Derating i.d.R. ab ca. 85°C) Empfindlich gegen Verpolung, Überspannung und Ripplestrom
Kompakte Bauformen Brennbar
  Kurzschluss möglich

 
Vorteile und Nachteile von Tantal- und Niobkondensatoren.

Elektrolyt-Kondensatoren

Im Elektrolyt-Kondensator werden die Anode und Kathode mit Folien aufgebaut und mit einem Trägermaterial separiert. Die Folien, meist aus Aluminium, deswegen oft auch Aluminium-Elektrolyt-Kondensator (Alu-Elko), werden mit Ätztechniken stark aufgeraut, um die Oberfläche zu vergrößern. Die Anbindung der feinen Strukturen an die Kathode wird mit einer Flüssigkeit hergestellt, dem Elektrolyt.

Aufbau und Prinzip eines Elektrolytkondensators.

Die Herstellung eines Elektrolytkondensators erfolgt meist mit einer Wickelmethode, die den Elektrolyt-Kondensator für weite Bereiche skalierbar macht. Es sind Kapazitäten bis zu 0,1F möglich. Die Technologie bietet eine sehr hohe Kapazitätsdichte, die mit einem sehr guten Preisleistungsverhältnis realisiert werden kann. Spannungsfestigkeiten sind bis ca. 600V erhältlich. Höhere Spannungsfestigkeiten sind technologisch möglich, stehen aber nicht mehr in einem sinnvollen Verhältnis zu den Kosten des Materialeinsatzes. Eine weitere wichtige Eigenschaft des Elektrolytkondensators ist die Unipolarität.

Die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren

Der Elektrolytkondensator mit flüssigem Elektrolyt, wie es z.B. in Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren verbreitet benutzt, hat eine begrenzte Lebensdauer. Die Lebensdauer äußert sich dadurch, dass sich Kennwerte mit der Zeit verschlechtern. Je nach Definition und bei Grenzüberschreitungen ist der Kondensator nur noch bedingt nutzbar bzw. verlässt die ursprüngliche Spezifikation. Die Verschlechterung der Kennwerte wird verursacht durch die allmähliche Verdampfung des Elektrolyts und ist sehr stark von der Temperatur abhängig. Diese wird durch die Umgebung bestimmt, aber auch im hohen Maße vom Betrieb des Kondensators. Der Innenwiderstand (Impedanz und RESR) verursacht Wärmeverluste, die den Kondensator aufheizen. Ein herausragender Aspekt ist, dass mit der Zeit die Kapazität sinkt und der Innenwiderstand steigt.

Beispiele zur Veränderung der Kennwerte in einem Elektrolytkondensator (Quelle: Wikipedia).

Die Lebensdauer wird in Stunden angegeben und bezieht sich im Allgemeinen auf eine Temperatur. Klassischerweise ist das die Obergrenze des zulässigen Temperaturbereiches der Spezifikation. Gängige Werte sind: 85°C, 105°C, 125°C oder sogar 150°C. Die Lebensdauern variieren von 2.000h bei Standardserien bis zu aktuell angebotenen 20.000h, ggf. sogar mehr. Serien mit Lebensdauern gleich oder größer 5.000h werden als „Long Life Serien“ bezeichnet. Die Definition zum Ende der Lebensdauer ist im Datenblatt ersichtlich, z.B. wenn die Kapazität des Kondensators nur noch 70% des Nennwertes beträgt.
 

Beispiel Definition der Lebensdauer (Endurance, Quelle: Rubycon).

Die Lebensdauer kann ein kritischer Faktor sein. Besonders wenn die Kondensatoren unter maximalen Lasten gefahren werden. Die Berechnung der Lebensdauer ist im Detail sehr aufwendig, wobei der Hersteller mit der Kenntnis seiner Produkte am besten unterstützen kann. Eine wichtige Faustregel ist die Verdoppelung der Lebensdauer bei einer um 10°C geringeren Temperatur des Elektrolyt-Kondensators.

Mehr zum Elektrolytkondensator und der Berechnung der Lebensdauer

Vergleicht man die Angabe der Lebensdauern verschiedener Hersteller muss zwingend die Definition im Datenblatt geprüft werden. Zum Teil unterscheiden sich diese erheblich und es besteht die Gefahr falscher Rückschlüsse. Die Bezeichnungen variieren wie z.B. „rated life“, „voltage endurance“ oder auch „useful lifetime“.

Ripple Strom und Impedanz

Die Impedanz und der RESR nehmen bei einem Elektrolytkondensator zu tiefen Temperaturen stark zu. Diese Eigenschaft ist zu berücksichtigen wenn eine Applikation meist im Kaltstart bei ca. unter -10°C anläuft. Der RESR wird von den Übergangwiderständen der Elektrodenkontaktierung, der Verbindung zu den Außenanschlüssen und den Anschlüssen selbst beeinflusst.

Der ESR als Funktion der Frequenz und Temperatur (Quelle: Wikipedia).

Ein Wert für die Belastbarkeit von Elektrolyt-Kondensatoren ist der sogenannte Ripple-Strom. Das ist der Strom, der in den Kondensator hinein und hinausfließt. Der für einen Typ angegebene maximale Ripple-Strom ist der Strom, der den Kondensator auf die maximale Temperatur der Spezifikation (z.B. 105°C) aufheizt. Der Zusammenhang des maximalen Ripple-Stromes mit der Impedanz ist umgekehrt-proportional, heißt, je geringer die Impedanz, desto höher der zulässige Ripple-Strom. Serien mit geringeren Innenwiderständen („low impedance“) sind teurer, mit Ihnen kann man jedoch auch die notwendige Anzahl an Kondensatoren einsparen. Kondensatoren mit geringeren Innenwiderständen erwärmen sich bei gleicher Belastung auch weniger und weisen so eine höhere Lebensdauer auf.

Pros Cons
Hohe Kapazitätsdichte Lebensdauerproblematik
Breiter Anwendungsbereich Unipolarität
Hohe Kapazitäten Leckstromverhalten
Hohe Spannungsfestigkeiten

Geringere Güte bei niedrigen Temperaturen (bei wasserbasierten Elektrolyten)

Geringe Kosten pro Kapazität  

 
Vorteile und Nachteile von Elektrolytkondensatoren.

Polymerkondensatoren

Polymerkondensatoren sind eigentlich Elektrolytkondensatoren mit einem recht festen Elektrolyt aus Polymer, die meist in SMD-Bauformen angeboten werden. Aufgrund seiner Festigkeit kann das Polymer nicht so gut die feinen Strukturen der Anoden- und Kathodenfolien ausfüllen, was die Kapazitätsdichte senkt. Dafür werden sehr niedrige und über den gesamten Temperaturbereich konstante RESR Werte erreicht. Die erzielbaren maximalen Belastbarkeiten mit Ripple-Strömen sind somit sehr hoch, z.B. 3.000 mA in einer Bauform 7,3 x 4,3 x 1,9mm. Da das Polymer keine, oder nur geringe Flüssiganteile besitzt ist die Lebensdauer viel höher und verfünffacht sich bei einer um 10°C geringeren Temperatur. Polymerkondensatoren haben jedoch im Vergleich zu Kondensatoren mit flüssigen Elektrolyten relativ hohe Leckströme. Die möglichen Anwendungen sind aufgrund der maximalen Spannungsfestigkeiten von ca. 25V beschränkt.

Beispiel Polymerkondensatoren (Quelle: Murata).

Mit diesen Eigenschaften eigneten sich die Polymerkondensatoren nur für bestimmte (höherwertige) Anwendungen zumal sie auch recht teuer sind.

Pros Cons
Geringer ESR, sehr hohe Güte Begrenzte Spannungsfestigkeiten und Kapazitäten
Hohe Rippleströme Unipolarität
Niedrige und kompakte Bauformen Leckstromverhalten
Lange Lebensdauer

 

Stabiles Verhalten über Temperatur  

 
Vorteile und Nachteile Polymerkondensatoren.

Hybrid-Polymer-Kondensatoren

Ein Hybrid-Polymer-Kondensator ist eine neuartige Technologie, die gerade ihren Siegeszug antritt, vereinigt die positiven Eigenschaften der Polymer-Kondensatoren und die der „nassen“ Elektrolytkondensatoren. Zusätzlich zu einem Polymer wird eine weitere Elektrolyt-Flüssigkeit in den Kondensator eingebracht. Damit verbessert sich wieder die Anbindung der Kathode an die Folie. Wie der Polymer-Kondensator brilliert der Hybrid-Polymerkondensator mit exzellenten Werten bei der Impedanz bzw. dem RESR. Er kann in Bechergrößen von beispielsweise 10 x 12mm bis zu 4.000mA an Ripple-Strom Belastbarkeit anbieten. Leckströme sind auf ein Bruchteil des einfachen Polymer-Kondensators reduziert. Je nach Hersteller ist auf den RESR bei tiefen Temperaturen zu achten. Werden wasserbasierende Elektrolyte verwendet ist dieser bei tiefen Temperaturen (siehe oben) wesentlich höher. Der Hersteller Rubycon beispielsweise setzt ein Polymergel ein, dessen Verhalten auch einen sehr geringen RESR bei -40°C aufweist. 

Beispiel Hybridkondensatoren (Quelle: Rubycon).

Die Kondensatoren werden in Bechern gewickelt und in SMD- bzw. bedrahteter Ausführung angeboten. Die aktuellen Spannungsfestigkeiten gehen bis ca. 125V, somit können diese Kondensatoren einen großen Teil an Applikationen erreichen. Tatsächlich lassen sich Kondensatorbänke, die beispielsweise mit herkömmlichen Aluminium-Elektrolyt- oder Keramikkondensatoren aufgebaut sind erheblich miniaturisieren und die Anzahl der Kondensatoren verringern:

Der Hybrid-Konden-sator als Alternative zu den herkömmlichen Kondensatortechnologien

Eines bleibt noch: Die Lebensdauerproblematik aufgrund des Anteiles eines flüssigen Elektrolyts. Wie oben schon beschrieben, bewirkt die Verminderung der Temperatur um 10°C eine ungefähre Verdoppelung der Lebensdauer bei den Hybrid-Kondensatoren. Die derzeitigen Serien gehen z.B. bis 10.000h bei 105°C und 4.000h bei 125°C. Serien bis 150°C sind ebenfalls schon erhältlich. Die gute Botschaft: Serien mit diesen langen Lebenszeiten sind der Standard. Im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyt-Kondensatoren ist die Ripple-Strom-Belastbarkeit der Hybrid-Kondensatoren auch wesentlich höher. Davon profitiert die Lebensdauer ebenso, weil sich die Kondensatoren nicht so stark erwärmen. 

Der Trend scheint klar: Mit der fortschreitenden „Economy of Scale“ und einem verbesserten Angebot an Kapazitäten und Spannungsfestigkeiten hat der Hybrid-Polymerkondensator das Potential eine der führenden Technologien zu werden.

Pros Cons
Geringer ESR, sehr hohe Güte Begrenzte Spannungsfestigkeiten und Kapazitäten
Hohe Rippleströme Unipolarität
Miniaturisierungspotential Geringere Güte bei niedrigen Temperaturen (bei wasserbasierten Elektrolyten)
Breiter Anwendungsbereich

Lebensdauer

Hohe Temperaturen  

 
Vorteil und Nachteile Hybrid-Polymerkondensatoren.

Folienkondensatoren

Folienkondensatoren werden in der Regel gewickelt und sind „trockene“ Kondensatoren. Metall wird als Anode und Kathode auf Kunststofffolien als Dielektrikum aufgedampft und meist mit einer papiernen Schicht separiert. Der entstandene Wickel wird in ein Gehäuse aus Metall oder Kunststoff eingebracht, oder in Flüssigharz oder -kunststoff getaucht. Mit dieser im Prinzip einfachen Bauweise sind sehr große Bandbreiten und Skalierbarkeiten im Leistungsbereich möglich. Mit der Dicke der Folien lassen sich hohe Spannungsfestigkeiten von vielen Kilovolt einstellen. Die Wickel lassen sich relativ groß fertigen, um hohe Kapazitäten zu erreichen.
 


Folienkondensatoren unterschiedlicher Ausprägung. Das Bild in der Mitte sind Kondensatoren für Leistungsanwendungen (Quellen: NIC Components, Rubycon, Samwha).

Im Gegensatz zu den Elektrolytkondensatoren sind Folienkondensatoren bipolar. Eine Eigenschaft, die eine Schaltung zwischen den Phasen von Wechselstromleitungen erlaubt. Bei Spannungsfestigkeiten größer als 500V mit Kapazitäten um die 100µF ist bei den vorher diskutierten Technologien auch die Grenze des Machbaren erreicht. Aus diesen Gründen werden Kondensatoren für die Leistungselektronik und Energietechnik gerne mit Folienkondensatoren aufgebaut. Folienkondensatoren haben einen geringen RESR, so dass hohe Ströme möglich sind. Die „trockene“ Ausführung von Folienkondensatoren macht die Bauteile auch unter Dauerbelastung langlebig. Ein weiterer Vorteil ist die sogenannte Selbstheilung. Bei einem Kurzschluss zwischen den Elektroden verdampft aufgrund der Lichtbogenbildung die Metallisierung und das Dielektrikum, so dass der Kurzschluss keiner mehr ist. Selbst sehr viele dieser "Selbstheilungen" haben keinen nennenswerten Einfluss auf die Kapazität.

Folienkondensatoren sind im Allgemeinen sehr impuls- und durchschlagsfest, so dass sie sich sehr für sicherheitsrelevante Anwendungen eignen, z.B. als Entstörkondensatoren (X/Y-Kondensatoren) in der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit).

Pros Cons
Geringer ESR, sehr hohe Güte Geringe Kapazitätsdichte
Hohe Rippleströme  
Breiter Anwendungsbereich  
Hohe Spannungsfestigkeiten  
Selbstheilung  
Bipolarität  
Kein DC-Biasing/Derating  
Stabiles Verhalten über Temperatur  
Vernachlässigbare Lebensdauerproblematik  

 
Vorteile und Nachteile Folienkondensatoren.

Doppelschichtkondensatoren

Doppelschichtkondensatoren, oft auch „EDLC“ (electric double layer capacitors) genannt, werden ausschließlich für Anwendungen in der Energiespeicherung benutzt. EDLCs konkurrieren deshalb nicht mit den bisher diskutierten Technologien. Im Allgemeinen reichen ihre Kapazitäten von ca. einem halben Farad bis zu einigen Kilofarad. Die Spannungsfestigkeiten sind relativ niedrig und liegen bei ca. 2,5V bis 3,2V. Die Gehäuse sind im Allgemeinen als Becher ausgeführt und meist auch zwischen den Herstellern hinsichtlich der Größe vergleichbar. Bei den größeren Bauformen sind die Terminierungen im Standard mit M10/12 Gewinden oder mit Schweißflächen ausgeführt, um die hohen Ströme zuverlässig ableiten zu können. Die Elektroden von Doppelschichtkondensatoren bestehen aus aktiviertem Karbon mit einer sehr großen effektiven Oberfläche. Im geladenen Zustand des Kondensators lagert sich sowohl eine negative wie auch positiv geladene Schicht an, was die Energiedichte nochmals vergrößert.

Aufbau Doppelschichtkondensator, Lade- und Entladevorgang (Quelle: Samwha)

Doppelschichtkondensatoren haben eine enorme Leistungsdichte und gewinnen aus diesem Grund als Zwischenspeicher im Leistungsbereich zunehmend an Bedeutung. In Ergänzung und Verschaltung mit Batterien kann diese hohe Leistungsdichte mit der wesentlich höheren Energiedichte von elektrochemischen Speichern kombiniert werden, was deren Lebensdauer verbessert.

Aufgrund der geringen Spannungsfestigkeit der Doppelschichtkondensatoren müssen diese in der Regel zu Modulen verschaltet werden, um höhere Nennspannungen zu erreichen. Da die einzelnen Kondensatoren (Zellen) aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht genau gleich sind, entstehen bei den Lade- und Entladevorgänge unterschiedliche Ladezustände. Man kennt den gleichen Effekt auch von elektrochemischen Speichern. Um wieder ausgeglichene Ladezustände zu erreichen ist ein sogenanntes „Balancing“ notwendig. Gängig sind passive Methoden. Hier werden die Zellen mit Widerständen verschaltet. Über diese fließen dann die Ausgleichströme.

Aufbau möglicher Schaltung zum passiven Balancing. Als Faustformel kann R = 1/(0,015 x C), C in F, angesetzt werden.

Der Vorteile des passiven Balancing ist der einfache und kostengünstige Aufbau. Begleitet wird die Methode von Wärmeverlusten, die durch die Widerstände entstehen. Eine Verbesserung ist ein aktives Balancing, das die Ladezustände der Zellen misst und Ströme über eine aktive Schaltung zielgenau allokiert. Diese Lösung kann auch zugekauft werden. Alternativ sind komplette Module erhältlich.

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