Ratgeber
Kondensatoren gehören – neben Widerständen und Spulen – zu den „einfachen“ elektronischen Bauelementen. Einfach deshalb, weil sich ihr Konstruktionsprinzip seit Jahrhunderten nicht verändert hat. So entwickelten bereits 1743 unabhängig voneinander deutsche und holländische Experimentatoren die „Leidener Flasche“: Ein mit Wasser gefülltes Gefäss mit zwei eingetauchten Metallplatten zur Speicherung von elektrischer Energie. Ergo: Den ersten Kondensator.
Heute existieren zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für Kondensatoren. In elektronischen Schaltkreisen blockieren sie beispielsweise Gleichstrom und lassen gleichzeitig Wechselstrom durch. In analogen Filternetzen glätten sie den Ausgang von Stromversorgungen, in Schwingkreisen stimmen sie Frequenzen, und in elektrischen Stromübertragungssystemen stabilisieren sie Spannung und Leistungsfluss.
Zu den nach den Widerständen am zweithäufigsten eingesetzten passiven elektrischen Bauelementen gehören Kondensatoren mit einer Folie als Dielektrikum (Nichtleiter). Lesen Sie hier, wie Folienkondensatoren aufgebaut sind, welche Typen es gibt und welche Kriterien für Auswahl und Ersatz mageblich sind.
So sind Folienkondensatoren grundsätzlich aufgebaut
Folienkondensatoren sind elektrische Ladungsspeicher mit einem isolierenden Plastikfilm als Dielektrikum. Je nach gewünschter Durchschlagsfestigkeit sind die Folien in einem speziellen Verfahren auf eine extreme Dünne gezogen und anschliessend mit Elektroden versehen worden. Die Elektroden bestehen in der Regel aus Aluminium, das entweder direkt auf die Oberfläche der Kunststofffolie aufgedampft ist oder als hauchdünne Metallfolie verwendet wird.
Da die Kapazität eines Kondensators von der Elektrodenfläche abhängt, ist bei Folienkondensatoren die mit leitfähigem Material versehenen Kunststofffolie in zahlreichen Lagen aufgewickelt (zylinderförmige Ausführung) oder mehrfach übereinandergelegt (rechteckige Ausführung).
Im Gegensatz zu Elektrolyt- oder Tantalkondensatoren muss man sich bei Folienkondensatoren keine Sorgen um die richtige Polung machen: Beide Elektroden können sowohl als Kathode als auch als Anode funktionieren. Deshalb ist es häufig kein Problem, Folienkondensatoren auch in Schaltungen mit Wechselstrom einzusetzen.
Die wichtigsten Konstruktionsmerkmale
Hinsichtlich der Fertigung werden bei Folienkondensatoren drei Typen unterschieden, die massgeblich die Baugrösse und die elektrische Impulsbelastbarkeit beeinflussen: Ladungsspeicher mit einseitig und mit doppelseitig metallisierter Folie sowie Ladungsspeicher, bei denen die Folie mit einem Belag aus Metall versehen ist.
Die einseitig metallisierte Folie ist gleichzeitig Dielektrikum und Leiter. Durch die stramme Wicklung beziehungsweise das enge Aufeinanderlegen entsteht auf kleinstem Raum das für Ladungsspeicher typische Abwechseln von Dielektrikum und Leiter. Folienkondensatoren dieser Bauart sind für Schaltungen gedacht, in denen nur mit niedrigen Stromimpulsen zu rechnen ist.
Kondensatoren mit beidseitig metallisierter Folie enthalten zwischen den einzelnen Elektrodenoberflächen eine extra Folie ohne aufgedampftes Metall zur Isolierung. Das vergrössert zwar die Abstände zwischen den Elektrodenfolien untereinander und somit auch das Gesamtvolumen des Kondensators; Kondensatoren dieser Bauart sind aber deutlich unempfindlicher gegenüber hohen Stromimpulsen.
Die höchste Impulsbelastbarkeit bieten Ladungsspeicher mit einem separaten Metallfilm statt einer auf die Folie aufgedampften Metallschicht. Da bei dieser Kombination eine deutlich dickere Elektrode vorliegt, sind Metallfilmkondensatoren weitgehend unempfindlich gegen Spitzenströme und bieten eine hohe Spannungsfestigkeit.
Folienkondensatoren – vor allem jene mit aufgedampftem Metall – verfügen über die so genannte Selbstheilung. Darunter ist die Fähigkeit zu verstehen, elektrische Durchschläge oder Kurzschlüsse ohne Zerstörung des Bauteils zu verkraften: An der Durchschlagsstelle verdampft die Elektrode einfach, übrig bleibt eine blanke und damit nichtleitende Stelle auf dem Dielektrikum. Diese Prüfung auf Selbstheilung ist heute ein standardisiertes Verfahren während der Produktion von Folienkondensatoren.
Um die unterschiedlichen Bauarten von Folienkondensatoren auf einen Blick zu unterscheiden, werden von den meisten Herstellern Abkürzungen genutzt. Die beiden ersten Buchstaben kennzeichnet dabei die Bauart, der letzte Buchstabe das Folienmaterial. MK steht für Kondensatoren mit aufgedampfter Elektrode, FK für die Kombination aus Foliendielektrikum und Metallfilm. Hier eine Übersicht:
MKP: Metallisierte Polypropylenfolie
MKT: Metallisierte Polyesterfolie
MKS: Metallisierte Polystyrolfolie
FKP: Kombination aus Polypropylenfolie und Metallfilm
FKT: Kombination aus Polyesterfolie und Metallfilm
- FKS: Kombination aus Polystyrolfolie und Metallfilm
Ein wesentlicher Vorteil des Innenaufbaus moderner Folienkondensatoren ist der direkte Kontakt zu den Elektroden an beiden Enden der Wicklung. Dieser Kontakt hält alle Strompfade sehr kurz. Die interne Geometrie der Folienkondensatorstruktur führt zu sehr niedrigen ohmschen Verlusten und einer sehr niedrigen parasitären Induktivität. Dadurch eignen sich bestimmte Kondensatortypen, so genannte Snubber, besonders für Anwendungen mit sehr hohen Stossströmen oder Wechselstromanwendungen und für Anwendungen bei höheren Frequenzen.
Das wichtigste Kriterium für die Auswahl ist natürlich der Einsatzzweck. Für Standardanwendungen sind in aller Regel Ladungsspeicher des MK-Typs ausreichend. Sie sind klein, preiswert, langzeitstabil und unempfindlich gegen Feuchtigkeit. Nicht zu vergessen: Bei Durchschlägen oder Kurzschlüssen heilen sie sich selbst.
Rechnen Sie bei Ihrer Schaltung dagegen mit hohen Impulsströmen, sollten Sie sich für Kondensatoren des FK-Typs entscheiden. Typische Anwendungsfälle sind Schaltnetzteile, Frequenzumrichter oder Anwendungen in der Energietechnik. Die grösseren Folienkondensatoren werden als Leistungskondensatoren in elektrischen Kraftwerken und Anlagen verwendet. Sie können sehr hohen Leistungen oder sehr hohen angelegten Spannungen standhalten. Die Spannungsfestigkeit dieser Kondensatoren kann bis in den vierstelligen Spannungsbereich reichen.
Ob für Neuentwicklungen oder im Bereich Wartung und Reparatur: Die wesentlichen elektrischen Parameter von Folienkondensatoren betreffen die Kapazität, die Spannungsfestigkeit sowie die Toleranz. Für MK-Typen reicht die Kapazität von 1000 Pikofarad bis zu 1100 Mikrofarad, für FK-Typen von 47 Pikofarad bis zu 2,2 Mikrofarad. Hinsichtlich der Spannungsfestigkeit beginnen beide Typen bei 63 Volt Gleichspannung. Der Maximalwert liegt jeweils bei 3000 Volt (MK) beziehungsweise 6000 Volt (FK). Wichtig: Während einige Varianten der MK-Typen auch Wechselstrom vertragen, sind FK-Kondensatoren ausschliesslich für Gleichspannung ausgelegt.
Die für die elektrischen Werte ausgewiesene Toleranz sollte nicht unterbewertet werden: Je geringer sie ausfällt, desto zuverlässiger arbeitet das Bauelement. Dies gilt insbesondere für den Austausch. Lediglich 2,5 Prozent Toleranz bieten einige Typen der FK-Bauart, während der Wert bei MK-Typen bei 5 Prozent beginnt. Die höchste Toleranz liegt bei beiden Bauarten bei 20 Prozent.
FAQ – häufig gestellte Fragen
Wie sind die Anschlüsse von Folienkondensatoren konfektioniert?
Die früher übliche axiale Verdrahtung – also mit Anschlussdrähten an beiden Enden des Bauteils – ist heute kaum noch zu finden, da solche Modelle auf der Platine mehr Platz benötigen. Moderne Folienkondensatoren besitzen ein radiales Anschlussschema, die beiden Drähte befinden sich also auf einer Seite. Einige Ladungsspeicher besitzen Flachsteckanschlüsse oder konfektionierte Anschlusskabel. In der Klasse der besonders leistungsfähigen Kondensatoren existieren Modelle mit Befestigungsgewinden am Kunststoff- oder Aluminiumgehäuse. SMD-Folienkondensatoren mit ihren kompakten Gehäusen bestehen aus wärmebeständigem Kunststoff, ihre Bauform ist stets rechteckig.
Welchen Temperaturen können Folienkondensatoren ausgesetzt werden?
MK-Typen sind bis zu einer Temperatur von 110 °C einsatzfähig, bei FK-Typen endet die Temperaturbeständigkeit bei 100 °C.