Grundlagen: Verstehen der Eigenschaften von Kondensatortypen, um sie angemessen und sicher zu verwenden

Kondensatoren sind Energiespeicher, die sowohl für analoge als auch für digitale elektronische Schaltungen unerlässlich sind. Sie werden zur Zeitsteuerung, zur Erzeugung und Formung von Wellenformen, zur Sperrung von Gleichstrom und zur Kopplung von Wechselstromsignalen, zur Filterung und Glättung und natürlich zur Energiespeicherung eingesetzt. Aufgrund des breiten Anwendungsspektrums hat sich eine Fülle von Kondensatortypen herausgebildet, die eine Vielzahl von Plattenmaterialien, isolierenden Dielektrika und physikalischen Formen verwenden. Jeder dieser Kondensatortypen ist für einen bestimmten Bereich von Anwendungen vorgesehen. Die große Vielfalt an Optionen bedeutet, dass es einige Zeit dauern kann, sie alle zu durchforsten, um die optimale Wahl für ein Design in Bezug auf Leistungsmerkmale, Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Stabilität und Kosten zu finden.

Die Kenntnis der Eigenschaften jedes Kondensatortyps ist erforderlich, um den Kondensator richtig an die vorgesehene Schaltungsanwendung anzupassen. Dieses Wissen muss die elektrischen, physikalischen und wirtschaftlichen Eigenschaften von Kondensatoren abdecken.

Dieser Artikel beschreibt die verschiedenen Arten von Kondensatoren, ihre Eigenschaften und die Schlüsselkriterien für ihre Auswahl. Beispiele aus Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation, und AVX Corporation werden verwendet, um die wichtigsten Unterschiede und Attribute zu veranschaulichen.

Was ist ein Kondensator?

Der Kondensator ist ein elektronisches Gerät, das Energie in einem internen elektrischen Feld speichert. Es handelt sich um ein grundlegendes passives elektronisches Bauelement zusammen mit Widerständen und Induktivitäten. Alle Kondensatoren bestehen aus der gleichen Grundstruktur, zwei leitenden Platten, die durch einen Isolator, das so genannte Dielektrikum, getrennt sind, der durch Anlegen eines elektrischen Feldes polarisiert werden kann (Abbildung 1). Die Kapazität ist proportional zur Plattenfläche, A, und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Platten, d.

Abbildung 1: Der Basiskondensator besteht aus zwei leitenden Platten, die durch ein nicht leitendes Dielektrikum getrennt sind, das Energie als polarisierte Bereiche im elektrischen Feld zwischen den beiden Platten speichert. (Bildquelle: DigiKey)

Der erste Kondensator war der Leydener Krug, der 1745 entwickelt wurde. Es bestand aus einem Glasgefäß, das an der Innen- und Außenseite mit Metallfolie ausgekleidet war und ursprünglich zur Speicherung statischer elektrischer Ladungen verwendet wurde. Benjamin Franklin benutzte einen, um zu beweisen, dass es sich bei Blitzen um Elektrizität handelt, was zu einem der frühesten dokumentierten Anwendungen wurde.

Die Kapazität des Basis-Parallelplattenkondensators kann mit Gleichung 1 berechnet werden:

 Gleichung 1

Dabei gilt:

C ist die Kapazität in Farad

A ist die Plattenfläche in Quadratmetern

d ist der Abstand zwischen den Platten in Metern

ε ist die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials

ε ist gleich der relativen Permittivität des Dielektrikums, ε_r, multipliziert mit der Permittivität eines Vakuums, ε₀. Die relative Dielektrizitätskonstante, ε_r, wird oft als Dielektrizitätskonstante k bezeichnet.

Basierend auf Gleichung 1 ist die Kapazität direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante und Plattenfläche und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Platten. Um die Kapazität zu erhöhen, kann die Fläche der Platten vergrößert und der Abstand zwischen den Platten verringert werden. Da die relative Dielektrizitätskonstante eines Vakuums 1 ist und alle Dielektrika eine relative Dielektrizitätskonstante größer als 1 haben, wird durch das Einsetzen eines Dielektrikums auch die Kapazität eines Kondensators erhöht. Kondensatoren werden im Allgemeinen nach der Art des verwendeten dielektrischen Materials bezeichnet (Tabelle 1).

Tabelle 1: Eigenschaften der gebräuchlichen Kondensatortypen, sortiert nach dielektrischem Material. (Quelle der Tabelle: DigiKey)

Einige Anmerkungen zu den Spalteneinträgen:

• Die relative Permittivität oder Dielektrizitätskonstante eines Kondensators beeinflusst den maximalen Wert der Kapazität, der für eine gegebene Plattenfläche und dielektrische Dicke erreichbar ist.
• Die Durchschlagfestigkeit ist ein Maß für den Widerstand des Dielektrikums gegen Spannungsdurchbruch in Abhängigkeit von seiner Dicke.
• Die minimal erreichbare Dielektrikumsdicke beeinflusst die maximal realisierbare Kapazität sowie die Durchbruchspannung des Kondensators.

Kondensator-Konstruktion

Kondensatoren sind in einer Vielzahl von physischen Montagekonfigurationen erhältlich, einschließlich axialer, radialer und Oberflächenmontage (Abbildung 2).

Abbildung 2: Kondensatormontage bzw. Konfigurationstypen umfassen axiale, radiale und Oberflächenmontage. Die Oberflächenmontage ist zur Zeit sehr weit verbreitet. (Bildquelle: DigiKey)

Der axiale Aufbau basiert auf abwechselnden Schichten aus Metallfolie und Dielektrikum oder einem beidseitig metallisierten Dielektrikum, das zu einer zylindrischen Form gewalzt wird. Die Verbindungen zu den leitenden Platten können über eine eingesetzte Lasche oder eine runde leitende Endkappe erfolgen.

Der radiale Typ besteht in der Regel aus abwechselnd metallischen und dielektrischen Schichten. Die Metallschichten sind an den Enden überbrückt. Radiale und axiale Konfigurationen sind für die Montage in Durchgangsbohrungen vorgesehen.

Oberflächenmontierte Kondensatoren beruhen ebenfalls auf abwechselnd leitenden und dielektrischen Schichten. Die Metallschichten an jedem Ende sind für die Oberflächenmontage mit einer Lötkappe überbrückt.

Modell einer Kondensatorschaltung

Das Schaltungsmodell für einen Kondensator umfasst alle drei passiven Schaltungselemente (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Schaltungsmodell für einen Kondensator besteht aus den kapazitiven, induktiven und ohmschen Elementen. (Bildquelle: DigiKey)

Das Schaltungsmodell eines Kondensators besteht aus einem Reihenwiderstandselement, das den ohmschen Widerstand der leitenden Elemente zusammen mit dem dielektrischen Widerstand darstellt. Dies wird als äquivalenter oder effektiver Serienwiderstand (ESR) bezeichnet.

Die dielektrischen Effekte treten auf, wenn Wechselstromsignale an den Kondensator angelegt werden. Wechselspannungen bewirken, dass sich die Polarisation des Dielektrikums bei jedem Zyklus ändert, was zu einer internen Erwärmung führt. Die dielektrische Erwärmung ist eine Funktion des Materials und wird als Dissipationsfaktor des Dielektrikums gemessen. Der Verlustfaktor (DF) ist eine Funktion der Kapazität des Kondensators und des ESR und kann mit Gleichung 2 berechnet werden:

 Gleichung 2

Dabei gilt:

X_C ist der kapazitive Blindwiderstand in Ohm (Ω)

ESR ist der äquivalente Serienwiderstand (in Ω)

Der Verlustfaktor ist aufgrund des kapazitiven Reaktanzterms frequenzabhängig und dimensionslos, oft in Prozent ausgedrückt. Ein geringerer Verlustfaktor führt zu einer geringeren Erwärmung und damit zu geringeren Verlusten.

Es gibt ein Reiheninduktionselement, das als effektive oder äquivalente Reiheninduktivität (ESL) bezeichnet wird. Dies stellt die Blei- und Leiterbahninduktivität dar. Die Reiheninduktivität und die Kapazität führen zu einer Reihenresonanz. Unterhalb der Serienresonanzfrequenz zeigt das Gerät hauptsächlich kapazitives Verhalten, darüber ist das Gerät induktiver. Diese Reiheninduktivität kann in vielen Hochfrequenzanwendungen problematisch sein. Lieferanten minimieren die Induktivität durch die Verwendung des Schichtaufbaus, der in den radialen und oberflächenmontierten Komponentenkonfigurationen gezeigt wird.

Der Parallelwiderstand stellt den Isolationswiderstand des Dielektrikums dar. Die Werte der verschiedenen Modellkomponenten sind abhängig von der Kondensatorkonfiguration und den für die Konstruktion gewählten Materialien.

Keramikkondensatoren

Diese Kondensatoren verwenden ein keramisches Dielektrikum. Es gibt zwei Klassen von Keramikkondensatoren, Klasse 1 und Klasse 2. Klasse 1 basiert auf para-elektrischer Keramik wie Titandioxid. Keramikkondensatoren dieser Klasse haben eine hohe Stabilität, einen guten Temperaturkoeffizienten der Kapazität und einen geringen Verlust. Aufgrund ihrer inhärenten Genauigkeit werden sie in Oszillatoren, Filtern und anderen HF-Anwendungen eingesetzt.

Keramikkondensatoren der Klasse 2 verwenden ein keramisches Dielektrikum auf der Basis ferroelektrischer Materialien wie Bariumtitanat. Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante dieser Materialien bieten die Keramikkondensatoren der Klasse 2 eine höhere Kapazität pro Volumeneinheit, haben aber eine geringere Genauigkeit und Stabilität als Kondensatoren der Klasse 1. Sie werden für Bypass- und Kopplungsanwendungen verwendet, bei denen der Absolutwert der Kapazität nicht kritisch ist.

Murata Electronics' GCM1885C2A101JA16 ist ein Beispiel für einen Keramikkondensator (Abbildung 4). Der pF-Kondensator der Klasse 1 100 picoFarad (pF) hat eine Toleranz von 5%, ist für 100 Volt ausgelegt und wird in einer oberflächenmontierbaren Konfiguration geliefert. Dieser Kondensator ist für den Einsatz in Kraftfahrzeugen mit einer Nenntemperatur von -55° bis +125° C vorgesehen.

<Abbildung 4: Der GCM1885C2A101JA16 ist ein oberflächenmontierbarer Keramikkondensator der Klasse 1, 100 pF mit 5% Toleranz und einer Nennspannung von 100 Volt. (Bildquelle: Murata Electronics)

Folienkondensatoren

Folienkondensatoren verwenden eine dünne Plastikfolie als Dielektrikum. Leitende Platten können entweder als Folienschichten oder als zwei dünne Metallisierungsschichten, eine auf jeder Seite der Kunststofffolie, ausgeführt werden. Der für das Dielektrikum verwendete Kunststoff bestimmt die Eigenschaften der Kondensatoren. Folienkondensatoren gibt es in vielen Formen:

Polypropylen (PP): Diese haben besonders gute Toleranz und Stabilität bei niedrigem ESR und ESL und hohen Spannungsdurchbruchraten. Aufgrund der Temperaturgrenzen des Dielektrikums sind sie nur als bedrahtete Bauelemente erhältlich. Die PP-Kondensatoren finden Anwendung in Schaltungen, in denen hohe Leistungen oder hohe Spannungen auftreten, wie z.B. in Schaltnetzteilen, Ballastschaltungen, Hochfrequenz-Entladeschaltungen und in Audiosystemen, in denen ihr niedriger ESR und ESL für Signalintegritätszwecke geschätzt werden.

Polyethylenterephthalat (PET): Auch Polyester- oder Mylar-Kondensatoren genannt, sind diese Kondensatoren aufgrund ihrer höheren Dielektrizitätskonstante die volumetrisch effizientesten der Folienkondensatoren. Sie werden im Allgemeinen als radiale Leitungsvorrichtungen eingesetzt. Sie werden für allgemeine kapazitive Anwendungen verwendet.

Polyphenylensulfid (PPS): Diese Kondensatoren werden nur als metallisierte Folienbauteile hergestellt. Sie haben eine besonders gute Temperaturstabilität und werden daher in Schaltungen eingesetzt, die eine gute Frequenzstabilität erfordern.

Ein Beispiel für einen PPS-Filmkondensator ist der ECH-U1H101JX5 von Panasonic Electronics Corporation. Der 100 pF Baustein hat eine Toleranz von 5%, ist für 50 Volt ausgelegt und wird in einer oberflächenmontierbaren Konfiguration geliefert. Er hat einen Betriebstemperaturbereich von -55° bis 125°C und ist für allgemeine Elektronikanwendungen vorgesehen.

Polyethylennaphthalat (PEN): Wie die PPS-Kondensatoren sind diese nur in einer metallisierten Folienausführung erhältlich. Sie verfügen über eine hohe Temperaturtoleranz und sind in oberflächenmontierter Konfiguration erhältlich. Die Anwendungen konzentrieren sich auf solche, die eine hohe Temperatur- und Hochspannungsleistung erfordern.

Polytetrafluorethylen- (PTFE) oder Teflon-Kondensatoren zeichnen sich durch hohe Temperatur- und hohe Spannungstoleranz aus. Sie werden sowohl in metallisierter als auch in Folienausführung hergestellt. PTFE-Kondensatoren finden meist Anwendungen, die eine hohe Temperatur erfordern.

Elektrolytkondensatoren

Elektrolytkondensatoren zeichnen sich durch hohe Kapazitätswerte und einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad aus. Dies wird erreicht, indem ein flüssiger Elektrolyt als eine seiner Platten verwendet wird. Ein Aluminium-Elektrolytkondensator besteht aus vier separaten Schichten: einer Aluminiumfolien-Kathode; einem elektrolytgetränkten Papierseparator; einer Aluminiumanode, die chemisch behandelt wurde, um eine sehr dünne Aluminiumoxidschicht zu bilden; und schließlich einem weiteren Papierseparator. Diese Baugruppe wird dann gerollt und in eine versiegelte Metalldose gelegt.

Elektrolytkondensatoren sind gepolte Gleichstromvorrichtungen, d.h. die angelegte Spannung muss an den spezifizierten Plus- und Minuspol angelegt werden. Wird der Elektrolytkondensator nicht korrekt angeschlossen, kann es zu einem explosionsartigen Versagen kommen, obwohl die Gehäuse mit Druckentlastungsmembranen ausgestattet sind, um die Reaktion zu steuern und das Schadenspotential zu minimieren.

Die Hauptvorteile des Elektrolytkondensators sind hohe Kapazitätswerte, geringe Größe und relativ geringe Kosten. Die Kapazitätswerte haben einen großen Toleranzbereich und relativ hohe Leckströme. Die häufigsten Anwendungen für Elektrolytkondensatoren sind als Filterkondensatoren in linearen und Schaltnetzteilen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Beispiele für Elektrolytkondensatoren; alle haben eine Kapazität von 10 Mikrofarad (µF). (Bildquelle: Kemet und AVX Corp.)

Abbildung 5 zeigt von links nach rechts, dass es sich bei dem ESK106M063AC3FA von Kemet um einen radial bedrahteten Aluminium-Elektrolytkondensator mit 10 µF, 20%, 63 Volt, handelt. Sie kann bei Temperaturen von bis zu 85°C betrieben werden und hat eine Lebensdauer von 2.000 Stunden. Es ist für allgemeine elektrolytische Anwendungen einschließlich Filter-, Entkopplungs- und Bypass-Operationen vorgesehen.

Eine Alternative zum Aluminium-Elektrolytkondensator ist der Aluminium-Polymerkondensator, der den flüssigen Elektrolyten durch einen festen Polymerelektrolyten ersetzt. Der Polymer-Aluminium-Kondensator hat einen niedrigeren ESR als der Aluminium-Elektrolytkondensator und eine längere Betriebslebensdauer. Wie alle Elektrolytkondensatoren sind sie gepolt und finden in Stromversorgungen als Filter- und Entkopplungskondensatoren Anwendung.

Der Kemet A758BG106M1EDAE070 ist ein radial geführter Aluminium-Polymer-Kondensator mit 10 µF, 25 Volt, mit radialer Zuleitung, mit längerer Lebensdauer und größerer Stabilität über einen breiten Temperaturbereich. Es ist für industrielle und kommerzielle Anwendungen wie z.B. Ladegeräte für Mobiltelefone und medizinische Elektronik bestimmt.

Tantalkondensatoren sind eine weitere Form von Elektrolytkondensatoren. In diesem Fall wird auf Tantalfolie chemisch eine Tantaloxidschicht gebildet. Ihr volumetrischer Wirkungsgrad ist besser als der eines Aluminiumelektrolyten, aber die maximalen Spannungspegel sind im Allgemeinen niedriger. Tantal-Kondensatoren weisen einen niedrigeren ESR und eine höhere Temperaturtoleranz als Aluminium-Elektrolyte auf, was bedeutet, dass sie dem Lötprozess besser standhalten können.

Der Kemet T350E106K016AT ist ein 10 µF, 10%, 16 Volt, radialer Blei-Tantal-Kondensator. Sie bietet die Vorteile der geringen Größe, der geringen Leckage und des niedrigen Verlustfaktors für Filter-, Bypass-, AC-Kopplungs- und Timing-Anwendungen.

Der letzte Elektrolytkondensatortyp ist der Nioboxid-Elektrolytkondensator. Der Niob-Elektrolytkondensator wurde während eines Tantalmangels entwickelt und ersetzt Tantal durch Niob und Niobpentoxid als Elektrolyt. Aufgrund seiner höheren Dielektrizitätskonstante bietet es eine kleinere Gehäusegröße pro Kapazitätseinheit.

Ein Beispiel für eine Nioboxid-Elektrolyse ist die NOJB106M010RWJ von AVX Corp. Dies ist ein 10 µF, 20%, 10 Volt Kondensator in einer oberflächenmontierten Konfiguration. Wie die Tantal-Elektrolyse wird sie für Filter-, Bypass- und Wechselstromkopplungsanwendungen verwendet.

Glimmer Kondensatoren

Glimmerkondensatoren (meist Silberglimmer) zeichnen sich durch eine enge Kapazitätstoleranz (±1%), einen niedrigen Temperaturkoeffizienten der Kapazität (typischerweise 50 ppm/°C), einen außergewöhnlich niedrigen Verlustfaktor und eine geringe Kapazitätsschwankung bei angelegter Spannung aus. Durch die enge Toleranz und hohe Stabilität sind sie für HF-Schaltungen geeignet. Das Dielektrikum aus Glimmer ist auf beiden Seiten versilbert, um die leitenden Oberflächen zu bilden. Glimmer ist ein stabiles Mineral, das mit den meisten gängigen elektronischen Verunreinigungen nicht interagiert.

Der Cornell Dubilier Electronics' MC12FD101J-F ist ein 100 pF, 5%, 500 Volt, Glimmerkondensator in einer oberflächenmontierten Konfiguration (Abbildung 6). Es wird in HF-Anwendungen wie MRI, Mobilfunkgeräten, Leistungsverstärkern und Oszillatoren eingesetzt. Sie sind für eine Betriebstemperatur im Bereich von -55° bis 125°C ausgelegt.

Abbildung 6: Der Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F ist ein oberflächenmontierbarer Glimmerkondensator für HF-Anwendungen. (Bildquelle: Cornell Dubilier Electronics)

Fazit:

Kondensatoren sind eine wesentliche Komponente im Elektronikdesign. Im Laufe der Jahre wurde eine Vielzahl von Bauelementtypen mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt, die einige Kondensatortechnologien für bestimmte Anwendungen besonders geeignet machen. Für Konstrukteure ist es lohnenswert, sich gute Kenntnisse über die verschiedenen Typen, Konfigurationen und Spezifikationen anzueignen, um sicherzustellen, dass die optimale Wahl für eine bestimmte Anwendung getroffen wird.