KP-Kondensator

Kunststoff-Folienkondensatoren, auch „Folienkondensatoren“ oder kurz „Folkos“ genannt, sind elektrische Kondensatoren mit isolierenden Kunststofffolien als Dielektrikum. Die Kunststoffe werden dafür in speziellen Verfahren zu extrem dünnen Folien bis herab zu 0,6 µm gezogen, mit den Elektroden versehen und dann als Wickel oder geschichtet aus Einzellagen zu einem Kondensator zusammengefügt.

Kunststoff-Folienkondensatoren gehören nach den Keramikkondensatoren und Elektrolytkondensatoren zu den am häufigsten eingesetzten Kondensatorbauarten, und werden in vielen Bereichen der Elektronik und Elektrotechnik genutzt. Typische Kapazitätswerte dieser Kondensatoren in der Mikroelektronik beginnen bei einigen 100 Pikofarad und reichen in den Mikrofaradbereich hinein, die Spannungsfestigkeit beginnt je nach Konstruktion bei 40 V und reicht bis in den vierstelligen Volt-Bereich hinein. Entsprechend vielfältig sind die Bauformen und -größen: von wenigen Kubikmillimetern bis hin zu metergroßen Typen.

Die besonderen elektrischen Eigenschaften von Kunststoff-Folienkondensatoren sind die gegenüber den Kondensatoren anderer Kondensator-Familien sehr hohe Impulsbelastbarkeit und die relativ geringen internen ohmschen Verluste, deshalb werden sie häufig zum Abblocken von Spannungsspitzen und hohen (Stör)Impulsen eingesetzt. Dank der Möglichkeit, mit Kunststoff-Folienkondensatoren auch kleinere Kapazitätswerte mit niedrigen internen Verlusten herstellen zu können (kleine Kap.-Werte = hohe Frequenzen), können auch steile Impulse abgeblockt werden: Folkos gelten als „besonders schnell“.

Ein weiteres Charakteristikum von Kunststoff-Folienkondensatoren, speziell die von Folienkondensatoren mit Polypropylenfolie als Dielektrikum, ist die die vergleichsweise niedrige Temperaturabhängigkeit der elektrischen Werte. Daher findet man sie als so genannte „Klasse-1-Kondensatoren“ häufig auch in frequenzbestimmenden Gliedern von Oszillatorschaltungen.

Spezielle Kunststoff-Folienkondensatoren haben selbstheilende Eigenschaften, wodurch Durchschläge nicht zur Zerstörung des Bauteils führen. Dadurch eigenen sie sich gut als Berührungsschutzkondensatoren im Bereich der Entstörtechnik.

Gebecherte und tauchlackierte Kunststoff-Folienkondensatoren
Prinzipdarstellung des Aufbaus von Kunststoff-Folienkondensatoren

Inhaltsverzeichnis

Aufbau und Herstellung

Bei den Kunststoff-Folienkondensatoren werden aufgrund unterschiedlicher Elektrodenkonstruktionen zwei Bauarten unterschieden:

  • Metallfolienkondensatoren, auch Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallbelägen genannt, bestehen aus zwei Metallfolien als Elektrode und zwei dazwischenliegenden Kunststofffolien als Isolator. Metallfolienkondensatoren besitzen die höchste Stromimpulsbelastbarkeit aller bekannten Kondensatoren.
  • Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren: Bei ihnen stellen direkt auf die Isolierfolien ein- oder beidseitig aufgebrachte Metallisierungen die Elektrode dar. Sie besitzen selbstheilende Eigenschaften. Durch geeignete Konstruktionen kann das auch für Metallfolienkondensatoren gelten.
Wickel eines Kunststoff-Folienkondensators mit Blick auf eine „schoopierte“ Stirnfläche und dem angelöteten Anschluss

Kunststoff-Folienkondensatoren bestehen üblicherweise aus zwei metallisierten oder mit Metallfolien belegten Kunststofffolien. Da die Kapazität eines Kondensators umso größer ist, je dünner das Dielektrikum ist, werden die Folien mit entsprechenden Verfahren so dünn gezogen, wie es technisch machbar ist und die gewünschte Spannungsfestigkeit des späteren Kondensators es zulässt. Im Folgenden wird der Fertigungsprozess am Beispiel metallisierter Kunststoff-Folienkondensatoren beschrieben.

  1. Metallisierung: Die Folien werden zunächst als sogenannte „Mutterrollen“ mit etwa einem Meter Breite gefertigt. Diese Mutterrollen werden in geeigneten Bedampfungsanlagen im Hochvakuum bei etwa 1015 bis 1019 Luftmolekülen pro Kubikmeter mit Aluminium oder Zink metallisiert.
  2. Folienschneiden: Die Mutterrollen werden entsprechend der Baugröße der späteren Kondensatoren auf die geforderte Breite geschnitten.
  3. Wickeln: Die Folien werden zu einem Wickel gerollt. Dabei werden die beiden metallisierten Folien, die zu einem Kondensator gehören, leicht gegeneinander versetzt gewickelt, so dass durch die versetzte Anordnung der Elektroden jeweils eine Kante der Metallisierung aus einer der beiden Seitenflächen (Stirnflächen) des Wickels herausragt.
  4. Kontaktieren: Die herausragenden Elektroden werden mit einem nach Max Schoop genannten Verfahren mit Zinn, Zink und/oder Aluminium metallisiert (schoopiert), also elektrisch kontaktiert. Dabei wird das Kontaktmetall verflüssigt und unmittelbar mit Hilfe von Pressluft als fein verteilter Nebel auf die jeweilige Stirnfläche des Kondensators aufgesprüht.
  5. Ausheilen: Der Wickel, der durch die Schoopierung elektrisch kontaktierbar ist, wird „ausgeheilt“. Dabei wird eine geeignete Spannung an den Wickel gelegt und es werden dann eventuell vorhandene Fehlstellen m Wickel „weggebrannt“, d. h. ausgeheilt. (Siehe auch „Selbstheilung“ weiter unten)
  6. Imprägnieren: Zum erhöhten Schutz gegen Umwelteinflüsse können die Wickel nach dem Ausheilen noch imprägniert werden, z. B. mit einem Silikonlack.
  7. Anschweißen der Anschlüsse: An die Schoopschicht der Stirnflächen des Wickels werden die Anschlüsse angelötet oder angeschweißt.
  8. Umhüllung: Nach dem Anbringen der Anschlüsse wird die Kondensatorzelle in das gewünschte Gehäuse gebracht oder mit einer Schutzlackierung versehen. Aus Gründen der geringeren Herstellkosten kommen aber auch Folienkondensatoren ohne weitere Umhüllung des Wickels zum Einsatz.
Schematische Darstellung des Fertigungsprozesses zur Herstellung von Metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren mit tauchlackierter Umhüllung

Die Herstellung von Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallfolien erfolgt in ähnlicher Weise. Hier werden beim Wickeln lediglich die Metallfolien zwischen die Kunststofffolien mit eingewickelt.

Die Wickel der Folienkondensatoren werden üblicherweise in der Form und der Größe des späteren Kondensators hergestellt. Eine weitere Herstellmöglichkeit besteht darin, den Wickel auf einen Kern mit einem großen Durchmesser zu wickeln und daraus einzelne Segmente herauszusägen. Dieser Fertigungsprozess erlaubt bei metallisierten Kunststofffolien die preiswerte Herstellung sogenannter Mehrschichtkondensatoren oder auch „stacked“ Folienkondensatoren genannt, wobei das durch das Sägen zerstörte Gefüge an den Schnittflächen im Laufe der weiteren Fertigung ausgeheilt wird.

Durch die Kontaktierung der Elektroden an den Stirnflächen des Kondensatorwickels wird die gesamte Stromzuführung zu den beiden Elektroden sehr kurz gehalten. Es werden gewissermaßen eine Vielzahl von Einzelkondensatoren parallel geschaltet. Dadurch werden die internen ohmschen Verluste reduziert. Ebenfalls reduziert wird dadurch auch die parasitäre Induktivität des Kondensators. Kunststoff-Folienkondensatoren haben deshalb schon von ihrem Aufbau her sehr geringe ohmsche Verluste und eine sehr niedrige parasitäre Induktivität, wodurch sie speziell für Applikationen mit sehr niedrigen ohmschen Verlusten, für Anwendungen im höheren Frequenzbereich oder für steile Impulsflanken bzw. hohe Impulsstrombelastbarkeit geeignet sind.

Konstruktive Möglichkeiten zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit

Technisch ergibt sich die Spannungsfestigkeit von Kunststoff-Folienkondensatoren zunächst einmal aus der Dicke der Kunststofffolie, dem Dielektrikum. Beispielsweise reicht die minimal verfügbare Folienstärke von 0,7 µm bei Polyesterfolien aus, um Kondensatoren mit der Nennspannung von 400 V Gleichspannung herzustellen. Werden höhere Nennspannungen benötigt, so wird man normalerweise eine dickere Folie verwenden. Aus Gründen der Verfügbarkeit, der Lagerhaltung und der vorhandenen Verarbeitungsmöglichkeiten kann es aber sinnvoll sein, die höhere Spannungsfestigkeit unter Verwendung des vorhandenen Folienmaterials zu erzeugen. Das kann man erreichen, indem man durch partielle Metallisierung der Isolierfolien eine interne Serienschaltung von miteinander verbundenen Einzelkondensatoren erzeugt. Die Spannungsfestigkeit des Kondensators steigt, weil sich die Gesamtspannung aus der Anzahl mehrerer Einzelspannungen ergibt.

Beispiele für konstruktive Maßnahmen bei metallisierten Folienkondensatoren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit durch partielle Metallisierung der Isolierfolie

Konstruktive Möglichkeiten zur Erhöhung der Impulsfestigkeit

Eine wichtige Eigenschaft von Kunststoff-Folienkondensatoren ist die Fähigkeit, hohe Spannungs- bzw. Stromimpulse aufnehmen oder abgeben zu können. Dazu gehört, dass alle konstruktiven Teile des Folienkondensators den auftretenden Spitzenstrom bis zu einer zulässigen internen Temperaturerhöhung vertragen können. Hier sind die Kontaktbereiche der Schoopierung mit den Elektroden als eine Begrenzung der Stromtragfähigkeit zu sehen. Diese Kontaktierung besteht letztendlich aus einer Vielzahl punktförmiger Kontakte, die den kritischen Bereich des Kondensator-Innenwiderstandes darstellen. Durch Stromfluss wird insbesondere in diesen Kontaktpunkten Wärme erzeugt, die punktuell zu so hohen Temperaturen führen kann, dass es zu einem Abbrennen des Kontaktes kommen kann. Eine zweite Begrenzung der Stromtragfähigkeit ist in der Dicke der Elektroden zu sehen. Bei metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren, die mit Schichtstärken von 0,02 bis 0,05 μm arbeiten, wird die Stromtragfähigkeit auch durch diese dünnen Schichten begrenzt.

Auf der anderen Seite verdanken die Folienkondensatoren ihrem Aufbau sowieso schon eine (im Vergleich zu anderen Kondensatortechnologien) hohe Impulsfestigkeit. Durch die Wickel- bzw. Schichttechnik werden die Elektroden an den Stirnflächen des Wickelpaketes über die Schoopierung kontaktiert. Dadurch wird gewissermaßen eine große Anzahl von Einzelkondensatoren parallel geschaltet; auch ihre ohmschen und induktiven Verluste, die sich im äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und in der äquivalenten Serieninduktivität (ESL) (siehe Kondensator, Induktivität und Reihenwiderstand) niederschlagen, werden parallel geschaltet. Die gesamten ohmschen Kondensatorverluste sinken ab, auch die Induktivität, die die Anstiegsgeschwindigkeit eines Impulses begrenzt, wird kleiner. Die Induktivität ist etwa proportional zur Breite des Kondensators.

Konstruktiv kann durch verschiedene Maßnahmen die Impulsfestigkeit von Kunststoff-Folienkondensatoren beeinflusst werden. Neben der einfachen Ausführung eines einseitig metallisierten Folienkondensators, der gegenüber anderen Kondensatortechnologien schon eine recht hohe Impulsbelastbarkeit aufweist, können die Folien auch doppelseitig metallisiert werden. Der Gesamtstrom für eine Folie verteilt sich auf zwei Zweige. Somit verdoppeln sich zulässige Stromdichte und Impulsfestigkeit. Außerdem halbiert diese Konstruktion die Induktivität des Kondensators, weil im Prinzip zwei Induktivitäten parallel geschaltet werden, was wiederum schnellere Impulse (also \frac{\mathrm dU}{\mathrm dt} größer) ermöglicht.

Die beidseitig bedampfte Folie ist wegen beidseitig gleichem Potentials feldfrei und trägt nicht zur Kapazität bei. Sie kann daher abweichend von der Dielektrikumsfolie aus einem preiswerteren Material bestehen, z. B. bei Polypropylen-Folienkondensatoren aus einer Polyesterfolie, die nicht nur preiswerter, sondern auch dünner ist und somit zur Verkleinerung des Kondensators beiträgt. Denn Folienkondensatoren mit beidseitig bedampfter Folie sind gegenüber Kondensatoren mit einseitig bedampfter Folie etwas großvolumiger und jede Möglichkeit zur Bauteilverkleinerung wird ausgenutzt. Folienkondensatoren mit beidseitig bedampfter Folie haben im Gegensatz zu den Metallfolienkondensatoren ebenfalls selbstheilende Eigenschaften.

Die höchste Impulsbelastbarkeit haben Folienkondensatoren, deren Elektroden aus Metallfolien gebildet werden. Bei dieser Konstruktion ist der Übergangswiderstand im Bereich der Schoopierung am geringsten. Der Metallfolienkondensator ist allerdings die teuerste und großvolumigste Lösung, da Metallfolien nur bis zu etwa 25 µm herunter gefertigt werden können.

Beispiele für konstruktive Maßnahmen bei Folienkondensatoren zur Erhöhung der Impulsbelastbarkeit

Selbstheilung von metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren

Stark vereinfachte schematische Darstellung der Selbstheilung bei einem punktuellen Kurzschluss zwischen metallisierten Kunststofffolien

Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren sind selbstheilend, d. h., bei einem punktuellen Kurzschluss zwischen den metallisierten Elektroden verdampft infolge hoher Lichtbogentemperatur sowohl das Dielektrikum in der Durchschlagstelle als auch die metallischen Folienbeläge, die nur eine Stärke von etwa 0,02 bis 0,05 μm haben, in der Umgebung der Durchschlagsstelle. Die Kurzschlussursache wird förmlich weggebrannt, wobei der entstehende Dampfdruck den Lichtbogen des Kurzschlusses auch noch ausbläst. Die Eigenschaft der Selbstheilung gestattet ein einlagiges Wickeln der metallisierten Folien ohne zusätzlichen Schutz gegen Fehlstellen und führt dadurch zur Verringerung des benötigten Bauvolumens.

Die Fähigkeit metallisierter Kunststofffolien zur Selbstheilung wird während des Herstellprozesses dieser Kondensatoren mehrfach ausgenutzt. So werden nach dem Zuschneiden der metallisierten Folien auf die gewünschte Breite eventuell entstandene Fehlstellen durch Anlegen einer geeigneten Spannung schon vor dem Wickeln ausgebrannt (geheilt) und auch nach dem Schoopieren werden eventuell entstandene Fehlstellen im Kondensator mit der gleichen Methode ausgeheilt.

Die durch die Selbstheilung entstandenen „Löcher“ in der Metallisierung mindern die Kapazität des Kondensators. Die Größenordnung dieser Minderung ist allerdings recht gering, selbst bei einigen Tausend ausgebrannten Fehlstellen wird diese Minderung meist deutlich kleiner als 1 % der Gesamtkapazität sein.

Exklusiv bei Wima kommen auch Folien mit Textur in der Bedampfungungsschicht zum Einsatz. Der Ausheilvorgang findet hier nur an speziell dafür in der Textur eingebrachten Schmelzsicherungen statt und ist somit definierbar. Kleine vom Kurzschluss betroffene Abschnitte werden quasi kontrolliert ohne die beim Ausheilen übliche Explosion abgeschaltet. Daher sind diese Kondensatoren nur durch extreme Überspannung zu zerstören, was insbesondere in der Hochleistungselektronik in der Größenordnung von Windkraftwerken sehr teure elektronische Bauteile länger schützt.

Materialien

Kunststoff-Folienkondensatoren werden meist nur mit einem Folienmaterial als Dielektrikum hergestellt. Hier haben sich einige Kunststoffe besonders bewährt. Die nachfolgende Tabelle benennt die heute am meisten verwendeten Kunststoffe für Folienkondensatoren.


Materialnamen von Kunststofffolien – Kurzbezeichnungen und Markennamen
Dielektrikum Chemische
Kurzbezeichnung
Markenname
Polyethylenterephthalat, Polyester PET Hostaphan®, Mylar®
Polyethylennaphthalat PEN Kaladex®
Polyphenylensulfid PPS Torelina®
Polypropylen PP Trespaphan®
Polytetrafluorethylen PTFE Teflon®
Polystyrol PS Styroflex
Polycarbonat PC Makrofol®

Die Kunststofffolien werden weltweit jeweils nur von einem oder zwei großen Lieferanten hergestellt. Grund dafür ist, dass die vom Markt insgesamt geforderten Mengen ziemlich klein sind. Dadurch ergibt sich eine große Abhängigkeit der Kondensatorhersteller von der chemischen Großindustrie. Beispielsweise führte die im Jahre 2000 von der Fa. Bayer AG aufgrund zu kleiner Verkaufsmengen bzw. zu geringer Preise eingestellte Fertigung von Polycarbonatfolie zu hohen Kosten bei Geräteherstellern, die ihre Produkte auf einen anderen Kondensatortyp umstellen mussten.

Die am häufigsten verwendeten Kunststofffolien sind Polyethylenterephthalat, (Polyester) und Polypropylen. Polyethylennaphthalat, Polyphenylensulfid werden für einige Hochtemperaturanwendungen verwendet. Polytetrafluorethylen-Folienkondensatoren werden nur für sehr spezielle Hochtemperaturanwendungen hergestellt. Kunststoff-Folienkondensatoren mit Polycarbonatfolie werden nur noch von wenigen, meist amerikanischen Herstellern hergestellt. Polystyrol-Folienkondensatoren sind weitgehend durch Polypropylen-Folienkondensatoren abgelöst worden.

Zur Erzielung spezieller Eigenschaften der Kondensatoren können aber auch sogenannte Mischdielektrika eingesetzt werden. Dann besteht das Dielektrikum aus zwei oder noch mehr unterschiedlichen Materialien, die übereinandergelegt gewickelt werden.

Bauformen

Kunststoff-Folienkondensatoren werden in den in der Industrie üblichen Bauformen hergestellt. Aus der Historie kommend ist die axiale Bauform heutzutage nur noch selten anzutreffen. Am häufigsten findet man auch heute noch die radiale Bauform mit einseitig herausgeführten Lötanschlüssen. Bedingt durch die Bestückungstechnik mit ihren genormten Lochabständen (Rastermaßen) werden radiale Kunststoff-Folienkondensatoren üblicherweise für diese genormten Rastermaße, beginnend mit 2,5 mm Abstand der Anschlüsse voneinander, hergestellt. Man bekommt diese radialen Kondensatoren in gebecherter Ausführung, d. h., der Wickel ist in einem Plastikbecher eingebaut und vergossen und dadurch weitgehend gegen Feuchteeinflüsse geschützt sowie standfest einzubauen als auch in lackierter Ausführung und auch als sogenannte „Nacktwickel“ ohne zusätzlichen Schutz. Letztere Version wird aus Gründen niedrigerer Kosten in Geräten mit geringen Umwelteinflüssen eingesetzt.

Kunststoff-Folienkondensatoren gibt es auch als Bauelemente für Oberflächenmontage (engl. „Surface Mounted Device“). Diese „SMD-Folienkondensatoren“, bei denen anstelle der Anschlussdrähte flächenhafte Anschlüsse den Folienwickel kontaktieren, werden auch für die erhöhten Lötbedingungen einer bleifreien Lötung angeboten.

Darüber hinaus werden Kunststoff-Folienkondensatoren auch mit speziellen Anschlüssen geliefert. Beispielsweise die sogenannten „Snubber“-Kondendensatoren, bei denen die Stromtragfähigkeit der Anschlüsse den recht hohen Stromimpulsen bei der IGBT-Beschaltung gewachsen sein muss.

Die Bilder der Bauformen zeigen nur Kunststoff-Folienkondensatoren für Elektronikschaltungen und für elektrische Schaltungen kleinerer Leistung. Entstörkondensatoren und Leistungskondensatoren für energietechnische Anwendungen werden hier nicht gezeigt.

Geschichte

Kunststoff-Folienkondensatoren sind eine Weiterentwicklung geschichteter oder gewickelter und imprägnierter Papierkondensatoren mit Metallfolienbelägen oder metallisierten Papierfolien. Papierkondensatoren wurden seit 1876 bzw. 1900 hergestellt und fanden in der beginnenden Kommunikationstechnik (Telefonie) als sogenannte Blockkondensatoren Verwendung. Als Metall-Papier-Kondensatoren (MP-Kondensatoren) sind diese Kondensatoren auch heute noch in Funkentstörkondensatoren oder in der Leistungselektronik zu finden.

Mit der Entwicklung von Kunststoffen in der organischen Chemie begann die Kondensatorindustrie, nach dem Zweiten Weltkrieg das Papier in den Papierkondensatoren durch dünnere und spannungsfestere Kunststofffolien zu ersetzen. Die Kunststoffe Polyester (PET) und Polypropylen (PP) beispielsweise wurden zu Beginn der 1950er Jahre erstmals in großen Mengen hergestellt, Polycarbonat (PC) folgte 1953. Die Einführung der Kunststoffe in Kunststoff-Folienkondensatoren erfolgte etwa in der Reihenfolge Polystyrol, Polyester, Celluloseacetat (CA), Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polyparaxylylen, Polypropylen, Polyethylennaphthalat und Polyphenylensulfid (Roe-22-79). Bis zur Mitte der 1960er Jahre hatte sich bereits eine breite Palette von unterschiedlichen Kunststoff-Folienkondenstoren entwickelt, die von vielen Herstellern angeboten wurden. Hier waren speziell Hersteller im deutschen Sprachraum wie WIMA, Roederstein, Siemens und Philips Trendsetter und führend auf dem Weltmarkt[1]. Die reiche Verfügbarkeit zunächst von Papierkondensatoren gefolgt von den Folienkondensatoren war gleichzeitig Wegbereiter für die absolute Marktführerschaft der deutschsprachigen Länder auf dem Gebiet der Unterhaltungselektronik.

Einer der großen Vorteile der Kunststofffolien für die Kondensatorfertigung war, dass sie erheblich weniger Fehlstellen im Material als die Kondensatorpapiere der Papierkondensatoren hatten. Dadurch konnten Kunststoff-Folienkondensatoren mit nur einer Lage Kunststofffolie gewickelt werden. Papierkondensatoren benötigten dahingegen immer eine doppellagige Papierwicklung. Kunststoff-Folienkondensatoren hatten daher von Anfang an deutlich kleinere Abmessungen bei gleichem Kapazitätswert und gleicher Spannungsfestigkeit als Papierkondensatoren.

Eine Besonderheit bei der Entwicklung von Kunststoff-Folienkondensatoren waren die Celluloseacetat-Folienkondensatoren, auch MKU-Kondensatoren genannt. Der polare Isolierstoff Celluloseacetat, ein Kunstharzlack, konnte für metallisierte Lack-Kondensatoren in Schichtdicken bis etwa 3 µm hergestellt werden. Das war eine Möglichkeit, die Dicke des Dielektrikums gegenüber anderen Kunststoff-Folienkondensatoren herabzusetzen, um zu kleineren Bauformen zu kommen. Der Lack wurde dazu zunächst auf einen Träger aus glattem (bewachstem) Papier aufgebracht, getrocknet und dann metallisiert; erst beim Wickeln wurde das Trägerpapier von der metallisierten Folie abgezogen und verworfen. Mit dieser dünnen Schichtdicke, die seinerzeit von den anderen Kunststofffolien nicht erreicht wurde, konnten Folienkondensatoren mit einer damals sehr hohen spezifischen Kapazität hergestellt werden. Das Resultat war eine seinerzeit relativ kleine Bauform, deren Spannungsfestigkeit mit 63 V allerdings auch recht gering war. CA-Folienkondensatoren werden nicht mehr hergestellt, weil Polyester-Folienkondensatoren inzwischen in kleineren Bauformen hergestellt werden können.

Die neuen Kunststoffe zeigten außerdem im Langzeitverhalten keine Anzeichen von chemischen Veränderungen, boten also eine hervorragende Langzeitstabilität der elektrischen Eigenschaften. Außerdem wiesen die neuen Kunststoffe geringere hygroskopische Eigenschaften als Papier auf, wodurch auch die Gehäuse der Kondensatoren aus den neuen, preiswerten Kunststoffmaterialien anstelle teurerer Metallbecher hergestellt werden konnten.

Die damals neuen Kondensatoren boten aber auch einige Verbesserungen gegenüber anderen Kondensatortechnologien. Sie erwiesen sich als hoch belastbar und unempfindlich gegenüber Stromimpulsen, speziell die Ausführungen mit Metallbelägen. Einige Folienarten eigneten sich wegen ihrer geringen und nahezu linearen elektrischen Verluste über einen sehr breiten Frequenzbereich auch für Schwingkreisanwendungen. Beides war vorher nur mit Keramikkondensatoren möglich. Für einfache Siebschaltungen boten außerdem speziell die Polyester-Kondensatoren preiswerte Lösungen mit hoher Langzeitstabilität, wodurch kleinere Elektrolytkondensatoren ersetzt werden konnten.

Aus den einfachen Anfängen hat sich heute eine sehr breite und hochspezialisierte Palette von Kunststoff-Folienkondensatoren entwickelt, die in bedrahteter Technik gleichwertig neben den beiden anderen großen Kondensatortechnologien, den Keramik- und den Elektrolytkondensatoren steht und die in Hinsicht auf Konstanz der elektrischen Werte, der Güte und der Sicherheit in vielen Bereichen Applikationen erfüllt, die mit den anderen Technologien nicht oder nur schwer zu erfüllen sind.

Auch hinsichtlich der Miniaturisierung haben sich bei den Folienkondensatoren erhebliche Fortschritte gegenüber dem Beginn der Folientechnik ergeben. Durch Entwicklung immer dünnerer Kunststofffolien konnte in den letzten 20 Jahren zum Beispiel eine Erhöhung eines gegebenen Kapazitäts-/Spannungswertes eines metallisierten Polyester-Folienkondensators bei gleichen Abmessungen um den Faktor 10 erreicht werden.

Aber insbesondere in dem Bereich, in dem höhere Leistungen auftreten, z. B. in elektrischen Anlagen, besitzen Kunststoff-Folienkondensatoren, hier „Leistungskondensatoren“ genannt, mit Spannungsfestigkeiten von mehreren Kilovolt als Substitution von MP-Kondensatoren ihren festen Platz.

Markt

Heutzutage werden im Wesentlichen nur noch fünf Kunststoffe in der Kondensatorindustrie als Folien für Kondensatoren eingesetzt: PET, PEN, PP, PPS und vereinzelt PTFE. Die übrigen Kunststoffe sind nicht mehr gebräuchlich, weil sie entweder vom jeweiligen Hersteller nicht mehr hergestellt werden oder durch bessere Materialien ersetzt wurden. Auch die lange Zeit weit verbreiteten Folienkondensatoren mit Polystyrol- und Polycarbonatfolien sind heutzutage weitgehend durch die oben genannten Folienarten ersetzt worden.

Die mengenmäßige Verteilung der unterschiedlichen Kunststofffolien für Folienkondensatoren (Lieferungen der Folienhersteller an die Kondensatorhersteller) in gelieferter Folienfläche war im Jahre 2006: Polypropylene (PP)= 55 %, Polyester (PET)= 40 %, Polyphenylensulfid (PPS) = 3 %, Polyethylennaphthalat (PEN)= 1 % sowie andere Folien (PTFT, PVDF, Siloxane) = 1 %. [2]

Wurden zu Beginn Kunststoff-Folienkondensatoren überwiegend in den Vereinigten Staaten und in Deutschland produziert, kam es gegen Ende des 20. Jahrhunderts teilweise zu einer Marktkonsolidierung, teilweise zu einer Verlagerung der Produktion nach Fernost.

Die weltweit größten Hersteller von Kunststoff-Folienkondensatoren sind:

In Deutschland sind noch wenige Hersteller von Folienkondensatoren verblieben. [7][8][9][10]

Eigenschaften der Kunststofffolien

Die elektrischen Eigenschaften, das Temperatur- und Frequenzverhalten von Kunststoff-Folienkondensatoren werden im Wesentlichen von der Foliensorte bestimmt, die das Dielektrikum des Kondensators bildet. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Materialeigenschaften der wichtigsten heutzutage verwendeten Kunststofffolien aufgelistet. Eigenschaften für Mischdielektrika können hier naturgemäß nicht gelistet werden.

Die Angaben in dieser Tabelle stammen von diversen unterschiedlichen Herstellern und gelten für Kunststoff-Folienkondensatoren für elektronische Anwendungen. Elektrische Werte von Leistungskondensatoren wurden nicht mit berücksichtigt. Die große Streubreite der Werte für den Verlustfaktor umfasst sowohl typische als auch maximale Angaben in den Datenblättern der unterschiedlichen Hersteller.

Materialeigenschaften von Kunststofffolien und Eigenschaften der damit hergestellten Folienkondensatoren
Folienmaterial
Folienkurzbezeichnung PET PEN PPS PP
Dielektrizitätszahl bei 1 kHz 3,3 3,0 3,0 2,2
Min. Foliendicke in µm 0,7 0,9 1,2 3,0
Feuchteabsorption in % gering 0,4 0,05 <0,1
Durchschlagsfestigkeit in V/µm 580 500 (?) 470 650
Typ. Nennspannungsbereich (VDC) in V 50…1000 16…250 16…100 40…2000
Typ. Kapazitätsbereich 100 pF…22 µF 100 pF…1 µF 100 pF…0,47 µF 100 pF…10 µF
Max. Betriebstemperatur in °C 125 / 150 150 150 105
ΔC/C über Temperaturbereich in % ±5 ±5 ±1,5 ±2,5
Verlustfaktor (·10-4) bei 1 kHz 50…100 42…80 2…15 1…5
bei 10 kHz 110…150 54…150 2,5…25 2…8
bei 100 kHz 170…300 120…300 12…60 2…25
bei 1 MHz 200…350 - 18…70 4…40
Zeitkonstante RIso·C in s bei 25 °C ≥10.000 ≥10.000 ≥10.000 ≥100.000
bei 85 °C 1.000 1.000 1.000 10.000
Dielektrische Absorption in % 0,2…0,5 1…1,2 0,05…0,1 0,01…0,1
Max. spez. Kapazität in nF·V/mm3 400 250 140 50

Polyester-Folienkondensator

Der Polyester-Folienkondensator ist ein Kunststoff-Folienkondensator mit dem thermoplastischen, polaren Kunststoff Polyethylenterephthalat (PET) aus der Familie der Polyester als Dielektrikum.

Polyester-Folienkondensatoren sind preiswerte Massenkondensatoren in der modernen Elektronik und besitzen relativ kleine Abmessungen bei vergleichsweise hohen Kapazitätswerten. Sie werden überwiegend für Gleichspannungsanwendungen eingesetzt.

Die Temperaturabhängigkeit der Kapazität von Polyester-Folienkondensatoren ist mit ±5 % über den gesamten Temperaturbereich im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren relativ hoch. Auch die Frequenzabhängigkeit der Kapazität der Polyester-Folienkondensatoren liegt mit –3 % im Bereich von 100 Hz bis 100 kHz im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren an der oberen Grenze. Ebenfalls bei der Temperatur- und Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors haben Polyester-Folienkondensatoren im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren höhere Abweichungen. Dafür können aufgrund der höheren Dielektrizitätszahl und der höheren Spannungsfestigkeit der Polyesterfolie kleinere Bauformen bei gegebener Kapazität und Nennspannung realisiert werden.

Die Polyesterfolie eignet sich gleichermaßen für Folienkondensatoren mit Metallbelägen als auch für die Metallisierung. Sie nimmt kaum Feuchte auf und ist bei milden Klimabedingungen deshalb auch für Bauformen geeignet, die ohne zusätzliche Umhüllung auskommen. Metallisierte Polyester-Folienkondensatoren werden sowohl als Wickelkondensatoren als auch als Schichtkondensatoren (engl. stacked film capacitors), die aus einem Großwickel herausgesägt wurden, hergestellt.

Polyethylennaphthalat-Folienkondensator

Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem biachsig ausgerichteten thermoplastischen Isolierstoff Polyethylennaphthalat (PEN) als Dielektrikum. Polyethylennaphthalat gehört ebenfalls in die Familie der Polyester mit großer chemischer Ähnlichkeit zu Polyethylenterephthalat (PET), besitzt aber eine höhere Temperaturfestigkeit.

Die PEN-Folienkondensatoren haben bei der Temperatur- und Frequenzabhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors ähnliche elektrische Eigenschaften wie die PE-Folienkondensatoren. Wegen der kleineren Dielektrizitätszahl und der geringeren Spannungsfestigkeit der PEN-Folie weisen die PEN-Folienkondensatoren bei gegebenem Kapazitäts- und Nennspannungswert jedoch größere Bauformen auf. Aus diesem Grunde werden PEN-Folienkondensatoren bevorzugt dann eingesetzt, wenn die Temperaturbelastung im Betrieb der Kondensatoren dauerhaft über 125 °C liegt. Sie werden hauptsächlich für Siebung, Kopplung und Entkopplung in elektronischen Schaltungen eingesetzt. Durch die hohe Temperaturfestigkeit sind PEN-Folienkondensatoren auch gut geeignet für Bauformen für die Oberflächenmontage.

Polyphenylennaphthalat-Folienkondensatoren mit Metallbelägen werden nicht hergestellt.

Polyphenylensulfid-Folienkondensator

Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem teilkristallinen und hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff Polyphenylensulfid (PPS) als Dielektrikum.

Die Temperaturabhängigkeit der Kapazität von PPS-Folienkondensatoren ist mit ±1,5 % über den gesamten Temperaturbereich im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren sehr klein. Auch die Frequenzabhängigkeit der Kapazität der PPS-Folienkondensatoren ist mit ±0,5 % im Bereich von 100 Hz bis 100 kHz im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren sehr gering. Der Verlustfaktor von PPS-Folienkondensatoren ist recht klein und die Temperatur- und Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors ist über einen weiten Bereich nahezu gleich null, d. h. sehr stabil. Lediglich bei Temperaturen oberhalb 100 °C steigt der Verlustfaktor stärker an.

Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren eignen sich gut für Anwendungen in frequenzbestimmenden Kreisen. Wegen ihrer guten elektrischen Eigenschaften sind PPS-Folienkondensatoren ein idealer Ersatz für Polycarbonat-Folienkondensatoren, deren Herstellung seit dem Jahre 2000 weitgehend eingestellt wurde.

Die Kapazitätskonstanz von Polyphenylensulfid- und Polycarbonat-Folienkondensatoren kann inzwischen auch durch eine Mischverarbeitung von preiswerter Polyester- und Polypropylenfolie wegen deren gegenläufigen und damit sich ausgleichenden Temperaturkoeffizienten dargestellt werden.[11]

Neben den sehr guten elektrischen Eigenschaften können PPS-Folienkondensatoren auch Temperaturen bis 270 °C ohne Beeinträchtigung der Folienqualität überstehen, so dass PPS-Folienkondensatoren auch für SMD-Bauformen, die die erhöhten Reflow-Löttemperaturen der RoHS-konformen bleifreien Lötung überstehen, geeignet sind.

Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren mit Metallbelägen werden nicht hergestellt.

Polypropylen-Folienkondensator

Polypropylen-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem teilkristallinen, unpolaren thermoplastischen Isolierstoff Polypropylen (PP) aus der Familie der Polyolefine als Dielektrikum.

Die Polypropylen-Folienkondensatoren weisen eine recht geringe Temperatur- und Frequenzabhängigkeit der elektrischen Parameter auf. Die Temperaturabhängigkeit der Kapazität von PP-Folienkondensatoren ist mit ±2,5 % über den gesamten Temperaturbereich im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren recht gering. Bei dem Vergleich der Frequenzabhängigkeit der Kapazität der PP-Folienkondensatoren ist diese mit ±0,3 % im Bereich von 100 Hz bis 100 kHz und ±1 % im Bereich von 100 Hz bis 1 MHz zu den anderen Folienkondensatoren am geringsten. Auch der Verlustfaktor von PP-Folienkondensatoren ist kleiner als derjenige der anderen Folienkondensatoren und die Temperatur- und Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors ist über einen weiten Bereich nahezu gleich null, d. h. sehr stabil. Deshalb sind Polypropylen-Folienkondensatoren geeignet für Anwendungen in frequenzbestimmenden Kreisen, Filtern, Oszillatorschaltungen, Audioschaltungen und Zeitgliedern und für Anwendungen im Bereich hoher Frequenzen. Sie sind für diese Präzisionsanwendungen in sehr engen Kapazitätstoleranzen lieferbar.

Aufgrund des im Vergleich zu anderen Kunststofffolien niedrigen Verlustfaktors auch bei sehr hohen Frequenzen und der hohen Spannungsfestigkeit von 650 V/µm werden Folienkondensatoren mit Polypropylenfolie auch für Impulsanwendungen eingesetzt, z. B. bei der FS-Zeilenablenkschaltung oder als sog. „Snubber“-Kondensatoren.

Ein großer Anwendungsbereich für Polypropylen-Folienkondensatoren sind Funkentstörkondensatoren, das sind Kondensatoren zum Verringern der Störungen des Funkempfanges, an die besondere Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit und der Nichtbrennbarkeit gestellt werden.

Darüber hinaus werden Polypropylen-Folienkondensatoren in Wechselstromanwendungen, z. B. als Motorstart- oder Motorbetriebskondensatoren eingesetzt. Auch die von den Abmessungen her größten Kondensatoren, die Leistungskondensatoren, verwenden heutzutage meist Polypropylenfolien als Dielektrikum. Hier findet man sowohl reine PP-Folienkondensatoren als auch ölgetränkte PP-Folienkondensatoren und PP/Papier-Folienkondensatoren in elektrischen Großanlagen. Die Wechselspannungsfestigkeit solcher Leistungskondensatoren kann bis 400 kV reichen.

Die Polypropylenfolie eignet sich gleichermaßen für Folienkondensatoren mit Metallbelägen als auch für die Metallisierung. Sie nimmt weniger Feuchte als Polyesterfolie auf und ist bei milden Klimabedingungen deshalb ebenfalls für Bauformen geeignet, die ohne zusätzliche Umhüllung auskommen. Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren werden sowohl als Wickelkondensatoren als auch als Schichtkondensatoren, die aus einem Großwickel herausgesägt wurden, hergestellt.

Polytetrafluorethylen-Folienkondensator

Polytetrafluorethylen-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem vollfluorierten Polymer Polytetrafluorethylen (PTFE) als Dielektrikum. PTFE ist besser bekannt als Teflon®[12].

Polytetrafluorethylen-Folienkondensatoren zeichnen sich durch eine besonders hohe Temperaturfestigkeit bis 200 °C, mit einer Spannungslastminderung (engl derating) sogar bis 260 °C aus. Der Verlustfaktor ist mit 2·10-4 recht klein und Kapazitätsänderung über den gesamten Temperaturbereich ist mit +1 % bis –3 % durchaus mit Polypropylen-Folienkondensatoren vergleichbar. Die dielektrische Absorption von Teflon-Folienkondensatoren ist besser als diejenige aller anderen Folienkondensatoren, so dass diese Kondensatoren speziell für Analogschaltungen gut geeignet sind. Da jedoch die zur Zeit geringste verfügbare Folienstärke mit 6,3 µm rund die doppelte Stärke wie Polypropylen aufweist, ist die Volumenausnutzung eines PTFE-Folienkondensators recht gering. Die Kondensatoren sind recht groß. Es kommt hinzu, dass die Folienstärke über die Fläche nicht konstant ist, so dass die Verarbeitbarkeit von Teflonfolien schwierig ist. Deshalb ist die Anzahl der Hersteller von PTFE-Folienkondensatoren begrenzt.

Polytetrafluorethylen-Folienkondensatoren gibt es als Folienkondensatoren mit Metallbelägen und als metallisierte Folienkondensatoren mit Spannungsfestigkeiten von 100 V bis 630 V Gleichspannung. Sie werden eingesetzt z. B. in militärischen Geräten, in Geo-Sonden, in Burn-In-Schaltungen und in hochprofessionellen Audioschaltungen. Wegen dieser recht speziellen Einsatzgebiete, von denen die militärische Anwendung die vom Umsatz her die gewichtigste ist, werden Teflon-Folienkondenstoren überwiegend im englischen Sprachraum gefertigt. [13] [14] [15] [16] [17] [18]

Kunststoff-Folienkondensator mit Mischdielektrikum

Neben den oben erwähnten und hauptsächlich verwendeten Kunststofffolien kommen für Kondensatoren auch noch Mischdielektrika zum Einsatz. Bekannt ist hier der „MKV“-Folienkondensator, der mit einem Mischdielektrikum aus einer beidseitig metallisierten und imprägnierten Papierfolie als Elektrode und einer Polypropylenfolie als Dielektrikum aufgebaut ist und für sehr hohe Verlustleistungen geeignet ist. Da aber fast jeder größere Hersteller seine eigenen Lösungen von Kunststoff-Folienkondensatoren mit Mischdielektrika anbietet, kann hier keine allgemeingültige und generelle Übersicht gegeben werden.

Polystyrol-Folienkondensator

Polystyrol-Folienkondensatoren waren unter der Bezeichnung „Styroflex-Kondensatoren“ lange Jahre bekannt als preiswerte Kunststoff-Folienkondensatoren für alle Anwendungen, bei denen es auf hohe Kapazitätskonstanz, kleinen Verlustfaktor und geringe Leckströme ankommt. Da aber die Folienstärke sich technisch nicht weit unter 10 µm herabsetzen ließ und die obere Grenztemperatur nur bis maximal 85 °C reichte, wurden die PS-Folienkondensatoren weitgehend durch Polyester-Folienkondensatoren ersetzt. Anbieter, die heutzutage noch PS-Folienkondensatoren im Fertigungsprogramm führen, können im Internet noch gefunden werden. Einige Hersteller haben noch große Mengen Polystyrolfolie gelagert.

Polycarbonat-Folienkondensator

Polycarbonat-Folienkondensatoren sind Folienkondensatoren mit dem polymerisierten Ester der Kohlensäure und des Dioxidiphenylpropans als Dielektrikum. Sie werden seit Mitte der 1950er Jahre hergestellt und haben wegen der relativ temperaturunabhängigen elektrischen Eigenschaften viele Anwendungen in Bereichen mit robusten Umweltbedingungen. Die Kondensatoren weisen eine relativ geringe Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur und einen kleinen Verlustfaktor auf. Sie werden überwiegend in Zeitschaltungen, präzisen Analogschaltungen und Filterschaltungen eingesetzt.

Der Hauptlieferant der Polycarbonatfolie für Kondensatoren hat im Jahre 2000 die Herstellung dieser Folie eingestellt, so dass in Folge davon die Herstellung von PC-Folienkondensatoren weltweit größtenteils eingestellt wurde. Es gibt jedoch Ausnahmen. Der Hersteller Electronic Concepts Inc, NJ, gibt im Internet an, selbst Hersteller seiner eigenen Polycarbonatfolie zu sein [19]. Neben diesem Hersteller von Polycarbonat-Folienkondensatoren gibt es weitere, meist US-amerikanische Hersteller. [20] [21] [22] [23]

Kunststoff-Folienkondensatoren für spezielle Applikationen

Entstörkondensatoren

Typischer Metallisierter Polypropylen-Folienkondensator (MKP) der Sicherheitsklasse „X2“

Eine wichtige Anwendung von Kunststoff-Folienkondensatoren und wichtiger Umsatzträger speziell von Metallisierten Polypropylen-Folienkondensatoren sind Entstörkondensatoren.

Entstörkondensatoren sind Kondensatoren zum Verringern von Störungen des Funkempfanges. Sie leiten hochfrequente Störsignale, hervorgerufen durch das Betreiben elektrischer oder elektronischen Betriebsmittel gegen die Masse oder schließen sie kurz und bewirken damit die Herabsetzung der elektromagnetischen Störungen. Darüber hinaus müssen Entstörkondensatoren, da sie am Netz liegen, sowohl das Gerät vor netzseitigen Überspannungen (Transienten) schützen, als auch leitungsgebundene Rückwirkungen des Gerätes auf das Versorgungsnetz unterdrücken.

Elektrisch müssen Entstörkondensatoren so ausgelegt sein, dass die verbleibenden restlichen Störsignale die vorgeschriebenen Grenzen der EMV-Richtlinie EN 50081 (EN 132400) nicht überschreiten. An sie werden außerdem, da sie im Falle eines Versagens durch Kurzschluss eine Gefährdung von Personen oder Tieren durch elektrischen Schlag verursachen können, besondere Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit und der Nicht-Brennbarkeit gestellt.

Entstörkondensatoren sind je nach Anforderungsprofil in X- und Y-Klassen definiert. Die Bedingungen für die Prüfungen und Messungen der elektrischen und mechanischen Parameter zur Zulassung der Funk-Entstörkondensatoren sind festgelegt in der Norm DIN IEC 60384-14. Kenntlich sind Entstörkondensatoren durch den Aufdruck der vielen Prüfsiegel bzw. Prüfzeichen (siehe auch: en:certification mark) der einzelnen nationalen Sicherheitsorganisationen.

Vom Aufbau her unterscheiden sich Entstörkondensatoren mit Polypropylenfolie nicht wesentlich von MKP-Kondensatoren für elektronische Anwendungen. Allerdings werden an das Gehäuse und die Wickel-Vergussmasse hinsichtlich der Nicht-Brennbarkeit besondere Anforderungen gestellt. Auch die Anschlüsse werden oft in verschiedenen Drahtlängen, mit isolierten Litzenanschlüssen mit oder ohne Anschlagteile oder auch mit isoliertem Massivdraht hergestellt.

Im Bild rechts ist ein typischer Metallisierter Polypropylen-Folienkondensator (MKP) der Sicherheitsklasse „X2“ dargestellt. Deutlich sichtbar in der vierten Zeile des Aufdrucks sind die vielen Prüfsiegel der verschiedenen nationalen Sicherheitsorganisationen.

Snubber-Kondensatoren

Snubberglieder (Bedämpfungskondensator und Widerstand in einem gemeinsamen Gehäuse)

Als Snubber bezeichnet man eine elektrische Schaltung zum Neutralisieren von Spannungsspitzen oder Transienten, die beim Schalten von induktiven Lasten auftreten, wenn der Stromfluss abrupt unterbrochen wird. Damit soll eine bessere Funkentstörung (elektromagnetische Verträglichkeit, EMV), die Löschung von Funken an Schaltkontakten (z. B. KFZ-Zündspule mit mechanischem Unterbrecher) und die Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit an Halbleiterschaltern (Thyristoren, IGBT, Bipolartransistoren) erreicht werden.

Üblicherweise wird eine Snubber-Schaltung mit einem Kondensator realisiert, ggf. in einer Reihenschaltung mit einem Widerstand. Der Kondensator übernimmt den induktiven Abschaltstrom temporär, so dass die entstehende Spannung begrenzt wird. Durch den Trend in der modernen Halbleitertechnik zu immer leistungsfähigeren Applikationen steigen jedoch die Ströme und Schaltgeschwindigkeiten immer stärker an. Neuere Schaltungen werden immer öfter mit IGBTs aufgebaut. Mit den damit realisierbaren kurzen Schaltzeiten müssen äußerst hohe Ströme geschaltet werden. Das bedingt einen sehr induktionsarmen Schaltungsaufbau.

Beide Anforderungen, induktionsarmer Aufbau und höchste Strombelastbarkeit können idealerweise mit Kunststoff-Folienkondensatoren erfüllt werden. Genügen für kleinere Schaltleistungen schon Standardausführungen metallisierter Kunststoff-Folienkondensatoren so steigen mit der ansteigenden Schaltleistung auch die Anforderungen an die Folienkondensatoren. Aus den steigenden Anforderungen heraus sind die sog. „Snubber-Kondensatoren“ entwickelt worden. Die wichtigsten Kriterien für die Auswahl eines solchen Kondensators sind niedrige Eigeninduktivität, niedriger ESR bzw. geringer Verlustfaktor und hohe Impulsbelastbarkeit. Diese Anforderungen werden durch konstruktive Maßnahmen im Kondensator bewerkstelligt. Eine Verringerung der Eigeninduktivität erreicht man durch schlankere Bauformen mit schmalerer Breite der Elektroden. Durch doppelseitige Metallisierung der Elektroden z. B. lassen sich zudem die internen ohmschen Verluste verringern und die Strombelastbarkeit erhöhen. Zur Verringerung der Induktivität und der Erhöhung der Strombelastbarkeit tragen auch speziell geformte Anschlüsse bei. Sie sind oft als breite, abgewinkelte Leiter ausgeführt und können direkt unter den Halbleiterschalter montiert werden.

Ein weiteres Bild eines Snubber-Kondensators ist im Absatz „Bauformen“ abgebildet.

Starkstromkondensatoren

Starkstromkondensatoren sind elektrische Kondensatoren aus der Gruppe der Leistungskondensatoren, die in der elektrischen Energietechnik Verwendung finden. Sie sind so aufgebaut, dass sie eine höhere elektrische Blindleistung verkraften können. Demzufolge können Starkstromkondensatoren recht große Abmessungen erreichen. Quaderförmige Gehäuse mit intern zusammen geschalteten Einzelkondensatoren können Baugrößen von Abmessung L×B×H = (350×200×1000) mm² und größer erreichen.

Mit steigender Baugröße eines elektrischen Bauelementes steigt die Anzahl möglicher Fehlstellen im internen Aufbau des Bauteils. Aufgrund der Selbstheilung, die bei metallisierten Folienkondensatoren für die Bereinigung interner Fehlstellen sorgt, können mit dieser Ausführungsart auch Bauelemente mit großen Abmessungen und hoher Zuverlässigkeit hergestellt werden. Wegen der hohen elektrischen Belastung sind dabei geringste ohmsche Verluste eine Grundvoraussetzung. Kondensatoren mit metallisierten Polypropylenfolien erfüllen diese Bedingungen von allen Folienarten am besten. Allerdings sind auch Metallpapierkondensatoren bzw. mit Kondensatoren mit Mischdielektrika unter dem Begriff „Starkstromkondensator“ auf dem Markt zu finden, siehe Leistungskondensator. Die Zugehörigkeit von Polypropylen-Folienkondensatoren zur Gruppe der Starkstrom- bzw. Leistungskondensatoren ist nicht eindeutig definierbar. Es gibt Überschneidungen, die sich aus dem sich ausweitenden Bereich der industriellen Leistungselektronik ergeben, siehe Snubberkondensator. Die Zuordnung eines Bauelementes zum Begriff Leistungs- oder Starkstromkondensator im deutschen Sprachraum ist deshalb meist, auch aus historischer Sicht, durch die Anwendung des Kondensators in der Elektrik, Starkstromtechnik und HF-Technik zu erklären. Aus diesem Anwendungsbereich ergibt sich eine nicht exakt definierbare untere Leistungsgrenze für Leistungskondensatoren bei einer Blindleistung von etwa 200 VA, zum Beispiel bei den Blindstrom-Kompensationskondensatoren für Leuchtstofflampen-Anwendungen.

Anwendungsbereiche

Innenansicht eines Schaltschrankes zur Blindleistungskompensation (PFC), 75 kvar, die Kondensatoren befinden sich im unteren Teil des Schaltschrankes

Starkstromkondensatoren werden in elektrischen Anlagen oder Geräten für den niederfrequenten Wechselspannungs- oder Gleichspannungsbetrieb und den Impuls-Gleichspannungsbetrieb eingesetzt. In Wechselspannungsanwendungen werden sie als Blindstrom-Kompensationskondensatoren, die parallel zum Verbraucher geschaltet werden, als Phasenschieberkondensatoren zur Verbesserung des Leistungsfaktors cos \varphi (Blindleistungskompensation) benötigt. Dieses ist z. B. beim Betrieb von Leuchtstofflampen, Halogen- und Natriumdampflampen und Quecksilber-Hochdrucklampen sowie in Starkstromanlagen, z. B. in Bahnenantrieben und in induktiven Schmelzöfen der Metallindustrie, erforderlich.

Ein weiterer Einsatzbereich, in dem jedenfalls zum Teil Starkstromkondensatoren eingesetzt werden, ist die Löschung bzw. die Dämpfung unerwünschter induktiver Spannungsspitzen, die beim Abschalten von Leistungshalbleitern (z. B. Thyristor, Triac oder IGBT) durch den sogenannten Trägerstaueffekt entstehen. Diese Bedämpfungskondensatoren, auch Kommutierungskondensatoren und für mittlere Strombelastungen auch Snubberkondensatoren genannt, sind Wechselspannungskondensatoren, die mit einem Widerstand in Reihe parallel zu Halbleiterbauelementen geschaltet werden. Haupteigenschaft solcher Kondensatoren ist eine sehr große Spitzenstrombelastbarkeit bei hoher Spannungsfestigkeit.

Weiterhin sind Starkstromkondensatoren in Gleichspannungsanwendungen als Stoß- oder Impulskondensatoren zu finden. Sie dienen der Aufnahme oder Abgabe eines starken, meist sehr kurzen aber energiereichen Stromstoßes. Stoß- oder Impulskondensatoren werden in verschiedenen Bereichen der Forschung und Technik zur Erzeugung von starken Magnetfeldern in der Plasmaforschung und der Kernfusion, zur Erzeugung von energiereichen Licht- oder Röntgenblitzen, in Kabelfehler-Ortungsgeräten und in Impuls-Schweißmaschinen benötigt.

Ebenfalls für Gleichspannungsanwendungen hinter einer Wechselspannungs-Gleichrichtung werden Starkstromkondensatoren als Stützkondensatoren, auch Zwischenkreiskondensatoren (DC-Link) genannt, eingesetzt. Sie glätten den gleichgerichteten Wechselstrom, filtern bzw. sieben die Wechselströme, die im Zwischenkreis fließen, gegen Masse ab und liefern die bei periodischem Spitzenstrombedarf kurzzeitig benötigten hohen Spitzenströme. Stützkondensatoren werden in vielen industriellen Anlagen, z. B. bei Frequenzumformern und Stell-Antrieben und für unterbrechungsfreie Stromversorgungen, benötigt.

Sicherheitsregeln für Starkstromkondensatoren

Starkstromkondensatoren, auch Hochspannungskondensatoren oder Leistungskondensatoren genannt, speichern elektrische Energie, oft mit sehr hoher Spannung. Sie haben eine recht geringe Selbstentladung und können auch nach dem Abschalten noch über längere Zeit mit lebensgefährlich hohen Spannungen geladen sein. Das gilt natürlich auch für alle Bauteile und Geräte, die leitend mit dem Kondensator verbunden sind. Deshalb unterliegen Starkstromkondensatoren und Anlagen, in denen diese Kondensatoren enthalten sind, besonderen sicherheitstechnischen Regeln und Bedingungen. Sie müssen den gültigen Vorschriften der VDE entsprechen, die in mehreren Teilen der DIN-VDE-Normen 0560, siehe DIN-VDE-Normen Teil 5, festgelegt sind.

Quellen

Ducati, CAPACITORS MV AND HV POWER FACTOR CORRECTION SYSTEMS AND FILTERS [2]

Electronicon, Kondensator-Kataloge, http://www.electronicon.com/index.php?itid=173

Epcos, General Technical Information, [3]

GE, Capacitors, [4]

Johnson & Phillips Capacitors, Medium and High Voltage Capacitors, [5]

Normung

Die Prüfungen und Anforderungen, die die Folienkondensatoren erfüllen müssen, wenn sie approbiert werden sollen, sind in den folgenden Rahmenspezifikationen festgelegt.

Übersicht über die Normen für Kunststoff-Folienkondensatoren
Norm Kondensatorfamilie
DIN IEC 60384-2 Metallisierte Polyester-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-11 Metallfolienbelegte Polyester-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-13 Metallfolienbelegte Polypropylen-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-16 Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-17 Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren für Wechselspannungs- und Impulsapplikationen
DIN IEC 60384-19 Oberflächenmontierbare metallisierte Polyester-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-20 Oberflächenmontierbare metallisierte Polyphenylsulfid -Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-23 Oberflächenmontierbare metallisierte Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen


Kunststoff-Folienkondensatoren, die speziell als Sicherheitskondensatoren (Funkentstörkondensatoren) dienen, sind nach der DIN IEC 60384-14 genormt. Da aber auch Papierkondensatoren für diese Zwecke eingesetzt werden, kann mit dieser Norm keine eindeutige Festlegung auf ein Folienmaterial gegeben werden.

Normbezeichnungen

Zu Beginn der Entwicklung der Kunststoff-Folienkondensatoren wurde versucht, die Bezeichnungen der unterschiedlichen Kondensatorbaureihen zu normieren. Es entstand die DIN 41379, die für jedes Material eine Kurzbezeichnung für die beiden Versionen „metallisiert“ und „mit Metallbelägen“ vorschrieb.

Die damals geltende Norm schrieb für die seinerzeit bekannten Foliensorten dazu folgende Kurzbezeichnungen fest:

Übersicht über die ehemalige Normkurzbezeichnungen für Folienkondensatoren
Dielektrikum Chemische
Kurzbezeichnung
Kurzbezeichnung nach DIN 41379
Folienkondensator
mit Metallbelägen
Metallisierter
Folienkondensator
Papier (P) - (MP)
Polyethylenterephthalat, Polyester PET (F)KT MKT
Polyethylennaphtalat PEN (F)KN MKN
Polyphenylensulfid PPS (F)KI MKI
Polypropylen PP (F)KP MKP
Polytetrafluorethylen PTFE - -
Polystyrol PS KS MKS
Polycarbonat PC (F)KC MKC

Diese Kurzbezeichnungen wurden von den seinerzeit großen Herstellern zu weiten Teilen übernommen, sogar die holländische Valvo/Philips (heute BCc/Vishay) übernahm die Vorschläge der deutschen Norm. Mit der Verlagerung des Massengeschäftes bei den passiven Bauelementen, zu denen die Kunststoff-Folienkondensatoren gehören, nach Fernost ab Mitte der 1970er Jahre legten viele der neuen Hersteller sich eigene von der Norm abweichende Kurzbezeichnungen für ihre Folienkondensatorbaureihen fest.

Die DIN 41379 ist inzwischen im Rahmen der internationalen Harmonisierung zurückgezogen worden. Die damaligen Normkurzbezeichnungen werden, jetzt nur noch von wenigen, aber bedeutenden Herstellern, darunter WIMA (mit einigen Ausnahmen) und BCc/Vishay, verwendet.

Wichtige Kennwerte

Ersatzschaltbild

Serienersatzschaltbild eines Kunststoff-Folienkondensators

Die elektrischen Kennwerte von Kondensatoren werden in der technischen Anwendung im internationalen Bereich harmonisiert durch die Rahmenspezifikation IEC 60384-1, die in Deutschland als DIN EN 60384-1 (VDE 0565-1) im März 2007 erschienen ist. Die elektrischen Kennwerte werden beschrieben durch ein idealisiertes Serien-Ersatzschaltbild eines Kondensators, in diesem Fall eines Kunststoff-Folienkondensators.

In der nebenstehenden Abbildung sind:

  • C, die Kapazität des Kondensators,
  • Risol, der Isolationswiderstand des Dielektrikums,
  • RESR, der äquivalente Serienwiderstand, er fasst die ohmschen Verluste des Bauelementes zusammen. Dieser Wirkwiderstand wird allgemein nur ESR (Equivalent Series Resistance) genannt,
  • LESL, die Äquivalente Serieninduktivität, sie fasst die Induktivität des Bauelementes zusammen, sie wird allgemein nur ESL (Equivalent Series Inductivity L) genannt.

Scheinwiderstand Z und Wirkwiderstand ESR

Grafische Darstellung der Berechnung des Scheinwiderstandes im Zeigerdiagramm

Analog zum ohmschen Gesetz, wo der Quotient aus Gleichspannung UDC und Gleichstrom IDC gleich einem Widerstand R ist, wird der Quotient aus Wechselspannung UAC und Wechselstrom IAC:

Z = \frac{U_{AC}}{I_{AC}}

Wechselstromwiderstand oder Scheinwiderstand Z genannt.

Sind die Serienersatzwerte eines Kondensators bekannt, dann kann der Scheinwiderstand auch über diese Werte berechnet werden. Dann ist der Scheinwiderstand Z der Betrag der vektoriellen Summe des Ersatzserienwiderstandes ESR und des kapazitiven Blindwiderstandes XC abzüglich des induktiven Blindwiderstandes XL.

Die beiden Blindwiderstände weisen mit der Kreisfrequenz ω folgende Beziehungen auf:

X_C=\frac{1}{\omega C}, \qquad X_L=\omega \mathrm{ESL}

womit sich für den Blindwiderstand Z folgende Gleichung ergibt:

Z=\sqrt{\mbox{ESR}^2 + (X_L - X_C)^2}

Im Sonderfall der Resonanz, bei dem der kapazitive und der induktive Blindwiderstand gleich groß sind, XC=XL, wird der Scheinwiderstand gleich dem ESR des Kondensators.

Verlustfaktor tan δ

Bei Kunststoff-Folienkondensatoren wird in den Datenblättern anstelle des ESR der Verlustfaktor tan δ spezifiziert. Der Verlustfaktor ergibt sich aus dem Tangens des Phasenwinkels zwischen dem kapazitiven Blindwiderstand XC abzüglich des induktiven Blindwiderstandes XL und ESR. Unter der Vernachlässigung der Induktivität ESL kann der Verlustfaktor errechnet werden zu:

\tan \delta = \mbox{ESR} \cdot \omega C

Besonderheiten der Kennwerte von Kunststoff-Folienkondensatoren

Kapazität und Kapazitätstoleranz

Die Kapazität eines Kunststoff-Folienkondensators ist frequenzabhängig. Sie wird gemessen mit der Frequenz von 1 kHz. Der Messwert muss innerhalb des spezifizierten Toleranzbereiches um den Nennwert der Kapazität liegen. Die lieferbaren Nennkapazitätswerte, die nach den genormten E-Reihen gestaffelt sind und die bevorzugten Toleranzen sind miteinander gekoppelt:

  • Nennkapazitätswerte nach E96, zugehörige Toleranz ±1 %, Kennbuchstabe „F“
  • Nennkapazitätswerte nach E48, zugehörige Toleranz ±2 %, Kennbuchstabe „G“
  • Nennkapazitätswerte nach E24, zugehörige Toleranz ±5 %, Kennbuchstabe „J“
  • Nennkapazitätswerte nach E12, zugehörige Toleranz ±10 %, Kennbuchstabe „K“
  • Nennkapazitätswerte nach E6, zugehörige Toleranz ±20 %, Kennbuchstabe „M“

Daneben werden Folienkondensatoren auch noch in weiteren Toleranzen, z. B. 1,5 %, 2,5 % usw. geliefert.

Die benötigte Kapazitätstoleranz wird durch die jeweilige Applikation bestimmt. Für frequenzbestimmende Anwendungen wie Schwingkreise werden sehr genaue Kapazitätswerte benötigt, die mit engen Toleranzen spezifiziert sind. Dahingegen reichen für allgemeine Applikationen wie z. B. für Sieb- oder Koppelschaltungen größere Toleranzbereiche aus.

Frequenz- und Temperaturverhalten der Kapazität

Die unterschiedlichen Folienmaterialien weisen temperatur- und frequenzabhängige Abweichungen ihrer Kennwerte auf. In den nachfolgenden Bildern ist ein typisches Frequenz- und Temperaturverhalten der Kapazität der unterschiedlichen Folienmaterialien aufgezeichnet.

Kapazitätsverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur und der Frequenz von Folienkondensatoren mit unterschiedlichen Folienmaterialien

Spannungsfestigkeit

Spannungsderating von Kunststoff-Folienkondensatoren bei Temperaturen oberhalb der oberen Nenntemperatur von 85 °C (PP, PET) bzw. 105 °C (PEN, PPS), UR = Nennspannung

Die Spannungsfestigkeit von Kunststoff-Folienkondensatoren wird spezifiziert mit dem Begriff „Nennspannung UR“, in den neuen Ausgaben der Normung jetzt „Bemessungsspannung UR“ genannt. Damit ist die Gleichspannung gemeint, die dauernd im Nenntemperaturbereich bis zur oberen Nenntemperatur (Bemessungstemperatur) anliegen darf.

Die zulässige Betriebsspannung von Kunststoff-Folienkondensatoren nimmt mit steigender Temperatur ab, weil die Spannungsfestigkeit des verwendeten Folienmaterials mit steigender Temperatur absinkt. Das nachfolgende Bild zeigt die erforderliche Spannungslastminderung (engl. derating), wenn ein Kondensator oberhalb seiner oberen Nenntemperatur in dem Bereich der sogenannten „Kategorietemperatur“ betrieben werden soll. Die Werte in diesem Bild sind den entsprechenden DIN-IEC-Normen (siehe jeweilige Norm Punkt 2.2.4 „Kategoriespannung“) entnommen worden. Die aufgezeigten Derating-Faktoren gelten sowohl für Gleichspannung als ggfs. auch für Wechselspannung. Einzelne Hersteller können durchaus von diesen Kurven abweichende Derating-Kurven für ihre Kondensatoren haben, beispielsweise sind für bestimmte Polyester-Folienkondensatoren des Herstellers WIMA Temperaturen bis 150 °C mit entsprechender Lastminderung erlaubt.

Überlagerte Wechselspannung

Die Summe aus einer am Kondensator anliegenden Gleichspannung und dem Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung darf die für den Kondensator spezifizierte Nennspannung nicht überschreiten. Der zulässige Scheitelwert der überlagerten Wechselspannung ist frequenzabhängig.

Die geltenden Normen schreiben unabhängig von der Foliensorte dazu folgende Bedingungen vor:

Frequenz der überlagerten Wechselspannung Anteil des max. Scheitelwert einer überlagerten
Wechselspannung an der Nennspannung
50 Hz 20 %
100 Hz 15 %
1 kHz 3 %
10 kHz 1 %

Wechselspannungs- oder Wechselstrombelastbarkeit

Typischer Kurvenverlauf der zulässigen Wechselspannung an 63-V-Folienkondensatoren in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselspannung für hier 4 unterschiedliche Kondensatoren.

Eine Wechselspannung oder eine einer Gleichspannung überlagerte Wechselspannung bewirkt Lade- und Entladevorgänge im Folienkondensator. Es fließt ein Wechselstrom, der umgangssprachlich auch Ripple-Strom (Brummstrom) genannt wird. Dieser Wechselstrom fließt über den ESR des Kondensators und führt zu ohmschen Verlusten, die den Kondensator von Innen heraus erwärmen. Die internen Wärmeverluste sind frequenzabhängig. Die entstandene Wärme wird an die Umwelt abgegeben. Dieses hängt von den Maßen des Kondensators und weiteren Bedingungen, wie z. B. Zwangskühlung ab. Die zulässige Wechselstrombelastung eines Kunststoff-Folienkondensators wird allgemein so berechnet, dass eine zulässige interne Temperaturerhöhung von 8 bis 10 K die Grenze bildet.

In den Datenblättern von Folienkondensatoren wird anstelle eines Wechselstromes eine maximal zulässige effektive Wechselspannung spezifiziert, die innerhalb des Nenntemperaturbereiches am Kondensator dauernd anliegen darf. Da mit steigender Frequenz die ohmschen Verluste im Kondensator ansteigen, die interne Wärmeentwicklung bei gleichbleibender Effektivspannung also größer wird, muss bei höheren Frequenzen die Spannung reduziert werden, um die zulässige Temperaturerhöhung einzuhalten.

Die maximale Wechselspannung darf nicht überschritten werden. Ein Überschreiten der spezifizierten Wechselspannung kann zur Zerstörung des Kondensators führen. Diese Bedingung führt zu den für Folienkondensatoren so typischen Darstellungen der zulässigen Wechselspannung in Abhängigkeit von der Frequenz.

Impulsfestigkeit, Impulsbelastbarkeit

Eine wichtige Eigenschaft von Kunststoff-Folienkondensatoren ist die Fähigkeit, hohen Spannungs- bzw. Stromimpulsen widerstehen zu können. Da ein Impuls zunächst als Spannungsänderung du/dt innerhalb einer Zeit definiert ist, ergibt sich aus der Spannungsänderung ein daraus resultierender Strom i(t) = C·du/dt. Die maximale Impulsfestigkeit ist somit das Vermögen des Kondensators, den Spitzenstrom über alle seine konstruktiven Teile bis zu einer zulässigen internen Temperaturerhöhung tragen zu können.

Die zulässige Impulsbelastbarkeit eines Kunststoff-Folienkondensators wird allgemein so berechnet, dass eine zulässige interne Temperaturerhöhung von 8 bis 10 K die Grenze bildet.

In den Datenblättern von Folienkondensatoren wird eine maximal zulässige Impulsbelastung spezifiziert, die innerhalb des Nenntemperaturbereiches am Kondensator angelegt werden darf. Diese maximale Impulsbelastung darf nicht überschritten werden. Ein Überschreiten der spezifizierten Impulsbelastung kann zur Zerstörung des Kondensators führen.

Sofern diese Daten aus den Unterlagen eines Herstellers nicht hervorgehen, muss diese Belastung im Einzelfall berechnet werden. Eine allgemein gültige Vorschrift zur Berechnung der Impulsbelastbarkeit von Folienkondensatoren wird es aber wegen herstellerbedingter Unterschiede nicht geben. Deshalb kann die Berechnungsvorschrift des Herstellers WIMA[24] zur Erklärung der allgemein geltenden Zusammenhänge zu diesem Thema empfohlen werden.

Scheinwiderstand (Z)

Typische Impedanzkurven von Folienkondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität

Der Scheinwiderstand eines Folienkondensators ist ein Maß für die Fähigkeit des Kondensators, Wechselströme weiterleiten oder ableiten zu können. Je kleiner der Scheinwiderstand ist, desto besser können Wechselströme weiter- oder abgeleitet werden.

Kunststoff-Folienkondensatoren zeichnen sich durch im Vergleich mit den anderen Kondensatorfamilien (Keramikkondensatoren, Elektrolytkondensatoren) durch sehr kleine Scheinwiderstandswerte und sehr hohe Resonanzfrequenzen aus.

ESR und Verlustfaktor tan δ

Im äquivalenten Serienwiderstand ESR sind alle im Kondensator auftretenden ohmschen Verluste zusammengefasst. Das sind der Zu- und Ableitungswiderstand, der Übergangswiderstand der Elektrodenkontaktierung, der Leitungswiderstand der Elektroden und die dielektrischen Verluste im Dielektrikum.

Bei Kunststoff-Folienkondensatoren wird in den Datenblättern anstelle des ESR der Verlustfaktor tan δ spezifiziert. Das hängt damit zusammen, dass Folienkondensatoren ursprünglich überwiegend in frequenzbestimmenden Kreisen eingesetzt wurden. Der Kehrwert des Verlustfaktors ist z. B. in Schwingkreisen ein Kennzeichen für die Güte Q. So kann man mit dem Verlustfaktor des Kondensators und dem der Spule recht einfach die Güte des Schwingkreises ermitteln.

Der Verlustfaktor bei Folienkondensatoren mit Metallbelägen ist, gleiches Folienmaterial vorausgesetzt, kleiner als derjenige der metallisierten Ausführung. Das liegt am geringeren Kontaktwiderstand zur Elektrodenfolie gegenüber der Metallisierung.

Der Verlustfaktor von Kunststoff-Folienkondensatoren ist frequenz-, temperatur- und zeitabhängig. Während die Frequenz- und die Temperaturabhängigkeit physikalischen Gesetzen entspringt, hängt die Zeitabhängigkeit mit Alterungsvorgängen wie z. B. Nachschrumpfungsvorgängen und Feuchte-Aufnahme zusammen.

Frequenz- und Temperaturverhalten des Verlustfaktors

Die unterschiedlichen Folienmaterialien weisen temperatur- und frequenzabhängige Abweichungen ihrer Kennwerte auf. In den nachfolgenden Bildern ist ein typisches Frequenz- und Temperaturverhalten des Verlustfaktors der unterschiedlichen Folienmaterialien aufgezeichnet.

Verlustfaktoren der unterschiedlichen Folienmaterialien in Abhängigkeit von der Frequenz und der Temperatur

Isolationswiderstand

Typischer Isolationswiderstand Risol der unterschiedlichen Kunststoff-Folienkondensatoren in Abhängigkeit von der Temperatur

Ein geladener Kondensator entlädt sich mit der Zeit über seinen eigenen Isolationswiderstand Risol. Die Selbstentladezeitkonstante τisol ergibt sich aus der Multiplikation des Isolationswiderstandes mit der Kapazität des Kondensators τisol = Risol·C. Sie ist ein Maß für die Qualität des Dielektrikums in Hinsicht auf seine Isolationsfähigkeit und wird in Sekunden angegeben. Bei Kunststoff-Folienkondensatoren ist sie im Allgemeinen größer, je spannungsfester die Isolierfolie, das Dielektrikum des Kondensators ist. Üblich sind Werte zwischen 1000 s bis zu 1.000.000 s. Diese Zeitkonstanten sind immer dann relevant, wenn Kondensatoren als zeitbestimmendes Glied (z. B. in Zeitrelais) oder zur Speicherung eines Spannungswertes wie in einer „Abtast-Halte-Schaltung“ oder Integrierern eingesetzt werden.

Dielektrische Absorption, Nachladeeffekt

Waren Kondensatoren einmal geladen und werden sie dann vollständig entladen, können sie anschließend ohne äußeren Einfluss eine Spannung aufbauen, die an den Anschlüssen gemessen werden kann. Dieser Nachladeeffekt ist als dielektrische Absorption oder als dielektrische Relaxation bekannt.

Während sich die Kapazität eines Kondensators im Wesentlichen über die Raumladung definiert, kommt es daneben durch atomare Umstrukturierung in den Molekülen der Kunststofffolie zu einer geometrischen Ausrichtung der elektrischen Elementardipole in Richtung des herrschenden Feldes. Diese Ausrichtung läuft mit einer wesentlich langsameren Zeitkonstante ab, als der Raumladungsprozess des Kondensators und verbraucht zugeführte Energie. Umgekehrt verliert sich diese Ausrichtung ebenso langsam mit der Entladung eines Kondensators und gibt die so freiwerdende Energie in Form einer Raumladung und somit einer Spannung am Kondensator zurück. Somit wirkt der dielektrische Effekt immer einer Spannungsänderung entgegen und bewirkt so auch die teilweise Entladung eines kürzlich aufgeladenen Kondensators. Der Unterschied zwischen der Zeitkonstante des Raumladungsprozesses und der Dipolausrichtung macht die Größe der dielektrischen Absorption aus und ist zueinander proportional.

Polypropylen-Folienkondensatoren haben einen recht kleinen Nachladeeffekt. Deshalb eignen sie sich hervorragend für Analogschaltungen oder auch für Integratoren und Abtast-Halte-Schaltungen. Bei den dafür weniger geeigneten Polyester-Kondensatoren kann der Nachladeeffekt durchaus 5% der ursprünglichen Spannung ausmachen.

Problemarisch ist dieser Effekt bei Hochspannungsleitungen, wo der den Isolatoren entspringende Nachladeeffekt auch nach dem Abschalten und Entladen lebensbedrohliche Spannungen hervorrufen kann. Daher müssen abgeschaltete Leitungen im Kurzschluss gehalten werden.

Alterung

Kunststoff-Folienkondensatoren unterliegen gewissen recht kleinen, aber doch messbaren Alterungsvorgängen. Sie beruhen auf einem geringen Nachschrumpfen der Kunststofffolie, das im Wesentlichen während des Lötvorganges auftritt, aber auch im Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen oder bei hoher Strombelastbarkeit nachweisbar ist und einer kleinen Feuchteaufnahme im Kondensatorwickel bei Betriebsbedingungen in feuchten Klimaten. Durch die Wärmebelastung während des Lötvorganges kann sich beispielsweise der Kapazitätswert von bedrahteten Folienkondensatoren um 1 bis 5 % vom Anfangswert ändern. Bei SMD-Bauformen kann unter Umständen die Änderung des Kapazitätswertes durch den Lötvorgang sogar bis zu 10 % betragen.

Auch Verlustfaktor und Isolationswiderstand von Folienkondensatoren können sich durch die oben geschilderten externen Einflüsse ändern, insbesondere durch Feuchte-Aufnahme in feuchten Klimaten. Die Hersteller von Folienkondensatoren können allerdings die Alterungsvorgänge, die durch Feuchteaufnahme verursacht werden, in gewissen Grenzen beeinflussen, indem sie z. B. die Feuchteaufnahme durch dichtere Gehäuse reduzieren. Diese Maßnahmen führen unter Umständen dazu, dass Folienkondensatoren mit ansonsten gleicher Bauart in unterschiedlichen Anforderungsstufen geliefert werden können.

Kennzeichnung

Die Kennzeichnung von Kunststoff-Folienkondensatoren kennt heutzutage keine Farbcodierung mehr. Sofern der Platz dazu ausreicht, sollten die Kondensatoren durch Aufdrucke gekennzeichnet sein mit: Nennkapazität, Toleranz, Nennspannung, Nenntemperaturbereich (Klimakategorie), Temperaturkoeffizient und Stabilitätsklasse, Herstelldatum, Hersteller, Bauartbezeichnung. Funkentstörkondensatoren müssen darüber hinaus noch mit den entsprechenden Zulassungen gekennzeichnet sein.

Kapazität, Toleranz, und Herstelldatum können nach DIN EN 60062 mit Kurzkennzeichen gekennzeichnet werden. Beispiele einer Kurz-Kennzeichnung der Nennkapazität (Nanofarad): n47 = 0,47 nF, 4n7 = 4,7 nF, 47n = 47 nF

Anwendungen

Die Hauptvorteile von metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren sind sehr niedrige ohmsche Verluste (ESR) und eine kleine Induktivitaet (ESL) verbunden mit einer gegenüber Kondensatoren anderer Kondensatorfamilien hohen Impulsbelastbarkeit, die konstruktiv anstelle der Folienmetallisierung durch Beläge aus Metallfolien auch noch erhöht werden kann. Bei der Polypropylenfolie kommt außerdem noch eine geringe Temperaturabhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors hinzu. PP-Folienkondensatoren erfüllen damit die Kriterien von Klasse-1-Kondensatoren und werden in Oszillatoren, Schwingkreisen für höhere Leistungen, Frequenzfilter, Abstimmkreisen und temperaturstabilen Zeitgliedern eingesetzt. Auch in Hoch- oder Tiefpass-Filtern mit hoher Güte für z. B. für Frequenzweichen in Lautsprechern finden sie Anwendungen. Darüber hinaus werden sie in Analog-Digital-Wandler (Sample and hold A-D converters) und in Spitzenspannungsdetektoren eingesetzt.[25]

Die hohe Impulsbelastbarkeit und die geringen ohmschen Verluste verbunden mit einem stabilen Verhalten über einen größeren Temperaturbereich sind auch die Gründe für den Einsatz von Polypropylen-Folienkondensatoren für die Anwendungen in Röhren-Fernsehgeräten als Synchronimpuls-Kondensator (TV S-correction) und als Zeilenrücklauf-Kondensator (englisch TV fly-back tuning). In der Leistungselektronik werden Polypropylen-Folienkondensatoren aus diesen Gründen als Bedämpfungskondensatoren („Snubber“-Kondensatoren), oftmals mit speziellen Anschlüssen, die für hohe Strombelastung ausgelegt sind, zur Funkenlöschung an IGBT- oder GTO-Schaltern eingesetzt.

Wegen der hohen Impulsbelastbarkeit werden PP-Kondensatoren auch für den Einsatz in Impulsanwendungen, z. B. in Kabelfehler-Ortungsgeräten, in Impuls-Schweißmaschinen, in Lasern zum Erzeugen von Laserblitzen oder in der Plasmaforschung und der Kernfusion, zur Erzeugung von energiereichen Licht- oder Röntgenblitze, benötigt.

Darüber hinaus werden Polypropylen-Folienkondensatoren mittlerer Baugröße in Wechselstromanwendungen, z. B. als Phasenschieber in Leuchtstofflampen oder als Motor-Betriebskondensatoren eingesetzt.

Sehr große Abmessungen erreichen Polypropylen-Folienkondensatoren als Leistungskondensatoren für Wechselstromanwendungen im Anlagenbereich, wo sie z. B. zur Blindstromkompensation und zur Oberwellenlöschung eingesetzt werden.

Für einfachere Anwendungen, bei denen es nicht so sehr auf stabile Kennwerte in einem grossen Temperaturbereich ankommt, wie z. B. die Siebkondensatoren zum Sieben von Störsignalen oder Störimpulsen und zur Rauschunterdrückung oder zum Koppeln von Wechselstromsignalen werden preiswertere Kunststoff-Folienkondensatoren verwendet. Frueher waren es Polystyrolkondensatoren (KS), häufig als „stacked“ Bauformen, heutzutage sind diese durch Polyesterfolie (KT) ersetzt. Dank der Möglichkeit, mit diesen Kunststoff-Folienkondensatoren auch kleinere Kapazitätswerte herstellen zu können, die für höhere Frequenzen ausgelegt sind, können mit den „Folkos“ auch höhere Frequenzen oder steile Impulse abgeblockt werden. Folkos gelten deshalb als „besonders schnell“ und sie werden oft am Ausgang von Netzteilen eingesetzt, parallel zu einem Elektrolytkondensator mit einer sehr viel größeren Kapazität, um im Zusammenwirken mit dem „Elko“ ein breites Frequenzspektrum sieben zu können.

Auch in Spannungsregler- oder in Spannungsverdopplerschaltungen werden Kunststoff-Folienkondensatoren häufig eingesetzt.

Die Tatsache, dass spezielle Kunststoff-Folienkondensatoren selbstheilende Eigenschaften haben und Durchschläge nicht zur Zerstörung des Bauteils führen, macht diese Kondensatoren als Berührungsschutzkondensatoren auch gut geeignet für Anwendungen im Bereich der Entstörkondensatoren.

Folienkondensatoren mit Polytetraflurätylenfolien (Teflon) werden nur für sehr spezielle Anwendungen eingesetzt, z. B. in militärischen Geräten, in Geo-Sonden, in Burn-In-Schaltungen und in hochprofessionellen Audio-Schaltungen.

Vorteile von Kunststoff-Folienkondensatoren

Für „frequenzstabile Schaltungen“ werden Folienkondensatoren meist eingesetzt, wenn größere Kapazitäten erforderlich sind, als sie mit Klasse-1-Keramikkondensatoren wirtschaftlich zu realisieren sind. Wie Klasse-1-Keramikkondensatoren haben sie außerdem noch die Vorteile:

  • Kleine Verlustfaktoren, hohe Güte.
  • Geringe Abhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors von der Temperatur und der Frequenz

Im Bereich „Stromversorgung“ konkurrieren die Folienkondensatoren mit Elektrolytkondensatoren und hochkapazitiven Klasse-2-Keramikkondensatoren aus Keramiken wie X7R, gegenüber denen sie einen Reihe von Vorzügen haben:

  • Elektrisch stabile und verlustleistungsarme Kondensatoren
  • Aufgrund der Selbstheilung bessere Toleranz gegenüber (seltenen) Überspannungsspitzen
  • Hohe Impulsfestigkeit
  • Hohe Strombelastbarkeit
  • Keine nennenswerte Alterung im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren
  • Höherer Spannungsbereich als Elektrolytkondensatoren
  • Keine Mikrophonie im Gegensatz zu Keramikkondensatoren

Nachteile von Kunststoff-Folienkondensatoren

Die beiden größten Nachteile von Folienkondensatoren gegenüber Elektrolytkondensatoren und hochkapazitiven Keramikkondensatoren sind:

  • Relativ große Bauformen
  • Begrenztes Angebot an preiswerten SMD-Bauformen

Quellen

  • I. E. C. Hughes: Electronic Engineer’s Reference Book. Heywood & Company LTD, London 1958
  • Dieter Nührmann: Werkbuch Elektronik : d. grosse Arbeitsbuch mit Entwurfsdaten, Tab. u. Grundschaltungen für alle Bereiche der angewandten und praktischen Elektronik. Franzis-Verlag, München 1981, ISBN 3-7723-6543-4
  • Tadeusz Adamowicz: Handbuch der Elektronik: eine ausführliche Darstellung für Ingenieure in Forschung, Entwicklung u. Praxis. Franzis-Verlag, München 1979, ISBN 3-7723-6251-6
  • Kurt Leucht: Kondensatorenkunde für Elektroniker: eine ausführliche Darstellung der Kondensatoren und ihrer Kennwerte, Bauformen und speziellen Eigenschaften ; Anwendungsbeispiele u. Kennzeichensysteme. Franzis, München 1981, ISBN 3-7723-1491-0
  • Hans Loth: Filmkondensatoren : Bauarten, Technologien und Anwendungen. Verlag Moderne Industrie, Landsberg/Lech 1990, ISBN 3-478-93046-4
  • Otto Zinke, Hans Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer, Berlin/Heidelberg/New York 1982, ISBN 3-540-11334-7
  • DIN EN 60384-1, -2, -11, -13, -14, -16, -17, -19, -23, Beuth-Verlag
  • Petrick, Nögel, Helwig: Moderne Kondensator-Technologien, Roederstein 22–79, Kondensatoren- und Widerstandstechnik
  • G. Hunger: Einsatzkriterien und Konstruktionsmerkmale moderner Kunststoff-Folienkondensatoren, elektronik journal 8, 1981
  • W. Westermann: Wickel- oder Schichttechnik, das ist hier die Frage, Elektronik 5/6, 1988
  • R. Hecker: Mini ist in, Wege zur Miniaturisierung von Kunststoff-Folienkondensatoren, Elektronik 13, 1991
  • W. Westermann: Der Folienkondensator, ein „Auslaufmodell“ ?, WIMA Sonderdruck 09.2005
  • P. Olbrich: Thicker Layer on Thinner Substrates, Passive Component Industry, Nov/Dec 2005
  • CapSite 2007 - Introduction to Capacitors, release 3.9, [6] (engl.)

Weblinks

Suchlisten von Herstellern passiver Bauelemente, auch Folienkondensatoren

Hersteller und Produkte

Neben denen unter dem Untertitel "Markt" in diesem Artikel genannten Herstellern gibt es viele, die auf Folienkondensatoren spezialisiert sind. Eine Übersicht über die Produktspektren weltweit operierender Hersteller von Kunststoff-Folienkondensatoren (ohne Leistungs- bzw. Starkstromkondensatoren, Stand Juli 2008) gibt die folgende Tabelle:

Produktprogramme weltweit operierender Hersteller von Kunststoff-Folienkondensatoren
Hersteller Verfügbare Ausführungen
SMD-
Konden-
satoren
Standard-
Konden-
satoren
Entstör-
Konden-
satoren
Snubber-,
Impuls-
Konden-
satoren
PTFE-
und-
Spezial-
Folien-
Konden-
satoren
AVX/Kyocera Ltd., Thomson CSF[26] X X
American Capacitor Corp.[27] X X X
Bishop Electronics[28] X X
Capacitor Industries[29] X X
Cornell-Dubillier[30] X X X X
Custom Electronics, Inc.[31] X X
Dearborne[32] X X X
DEKI Electronics[33] X X X
Epcos[34] X X X
EFC [Electronic Film Capacitors][35] X X X X
Electrocube[36] X X X X
Electronic Concepts Inc.[37] X X X X
Eurofarad[38] X X X X
Hitachi AIC Inc.[39] X X X
Hitano Enterprise Corp.[40] X X -
IIllinois Capacitor[41] X X X
ITW Paktron [42] X X X X
KEMET Corporation, einschl. Arcotronics, Evox-Rifa[43] X X X
Meritek Electronics Corp.[44] X X
MFD Capacitors[45] X X X
NIC [46] X X X X
Nichicon[47] X X X X
Panasonic [48] X X X X
Pilkor Electronics[49] X X
Richey Capacitor Inc. [50] X X
RTI Electronics[51] X X X
Rubycon[52] X
Solen Electronique Inc.[53] X X X
Suntan Technology Company Limited[54] X X X
Surge Components [55] X X
Tecate Group[56] X X X
TSC[57] X - X X
United ChemiCon [58] X X
Vishay Intertechnology Inc. einschl. Roederstein, BCc [59] X X X
WIMA[60] X X X X

Einzelnachweise

  1. http://techdoc.kvindesland.no/radio/passivecomp/20061223155212518.pdf
  2. Paumanok Publications Inc., PCInewsletterOct2007cmp
  3. Evox Rifa
  4. Arcotronics Nissei Group
  5. Panasonic - Kondensatoren
  6. Hitachi Passive Bauelemente, Hitachi Passive Bauelemente Europe
  7. ELECTEL
  8. Fischer & Tausche
  9. ELECTRONICON
  10. FRAKO
  11. http://www.wima.de/DE/mkm4.htm
  12. Handelsname der Firma DuPont
  13. American Capacitors
  14. Custom Electronics
  15. Dearborne
  16. Electronic Concept Inc.
  17. Solen Electronique Inc.
  18. V-Cap
  19. Polycarbonate Dielectric and Capacitors - Schreiben der Firma Electronic Concepts Inc. (engl.)
  20. EFC
  21. Electrocube
  22. Eurofarad
  23. TSC Electronics Inc.
  24. Berechnungsvorschrift für die Impulsbelastbarkeit auf den Internetseiten des Herstellers WIMA
  25. Übersicht über die Hauptanwendungen von Kunststoff-Folienkondensatoren mit generellen Schaltbeispielen der Fa. Wima.
  26. Webpräsenz des Herstellers AVX/Kyocera Ltd., Thomson CSF
  27. Webpräsenz des Herstellers American Capacitor Corp.
  28. Webpräsenz des Herstellers Bishop Electronics
  29. Webpräsenz des Herstellers Capacitor Industries
  30. Webpräsenz des Herstellers Cornell-Dubillier
  31. Webpräsenz des Herstellers Custom Electronics, Inc.
  32. Webpräsenz des Herstellers Dearborne
  33. Webpräsenz des Herstellers [1]
  34. Webpräsenz des Herstellers Epcos
  35. Webpräsenz des Herstellers Electronic Film Capacitors
  36. Webpräsenz des Herstellers Electrocube
  37. Webpräsenz des Herstellers Electronic Concepts Inc.
  38. Webpräsenz des Herstellers Eurofarad
  39. Webpräsenz des Herstellers Hitachi AIC Inc.
  40. Webpräsenz des Herstellers Hitano Enterprise Corp.
  41. Webpräsenz des Herstellers IIllinois Capacitor
  42. Webpräsenz des Herstellers ITW Paktron
  43. Webpräsenz des Herstellers Kemet
  44. Webpräsenz des Herstellers Meritek Electronics Corp.
  45. Webpräsenz des Herstellers MFD Capacitors
  46. Webpräsenz des Herstellers NIC
  47. Webpräsenz des Herstellers Nichicon
  48. Webpräsenz des Herstellers Panasonic
  49. Webpräsenz des Herstellers Pilkor Electronics
  50. Webpräsenz des Herstellers Richey Capacitor Inc.
  51. Webpräsenz des Herstellers RTI Electronics
  52. Webpräsenz des Herstellers Rubycon
  53. Online-Katalog des Herstellers Solen Electronique Inc.
  54. Webpräsenz des Herstellers Suntan Technology Company Limited
  55. Webpräsenz des Herstellers Surge Components
  56. Webpräsenz des Herstellers Tecate Group
  57. Webpräsenz des Herstellers TSC
  58. Webpräsenz des Herstellers United ChemiCon
  59. Webpräsenz des Herstellers Vishay
  60. Webpräsenz des Herstellers Wima

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