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Bauarten und Bauformen

Im Laufe der Historie der Kondensatoren haben sich viele industriell genutzte Bauarten, auch Familien oder Technologien genannt, entwickelt. Diese werden gemäß der Eingruppierung in den internationalen und nationalen Normen in Kondensatoren mit fester Kapazität, die „Festkondensatoren“, und Kondensatoren mit veränderbarer Kapazität, die „Veränderbaren oder Variablen Kondensatoren“, unterteilt.

Kondensatoren mit fester Kapazität, Festkondensatoren

Kondensatoren mit fester Kapazität haben einen definierten Kapazitätswert. Es gibt sie je nach den technischen Anforderungen (Größe, Spannungsfestigkeit etc.) sowie nach wirtschaftlichen Anforderungen (Preis) in zahlreichen verschiedenen Ausführungen, die nach der Art des Dielektrikums, der Elektroden oder der geometrischen Form unterschieden werden.

Mit Ausnahme der Elektrolytkondensatoren werden typischerweise Kapazitäten im Bereich weniger Pikofarad bis einiger Mikrofarad realisiert. Elektrolytkondensatoren schließen sich daran an und erstrecken sich bis in den Farad-Bereich, Doppelschicht-Kondensatoren bis in den Kilofaradbereich, letztere jedoch bei einer Spannungsfestigkeit von nur wenigen Volt.

Keramikkondensatoren

haben keramische Dielektrika mit hoher Spannungsfestigkeit bei verschieden hoher Dielektrizitätskonstante (Permittivität). Sie bilden eine große Gruppe von Kondensatoren im unteren Kapazitätsbereich (0,5 pF bis zu 100 µF oder mehr). Die verwendeten Keramikarten gehören einerseits zu den paraelektrischen Materialien mit feldstärkeunabhängiger relativer Dielektrizitätskonstante, beispielsweise Titandioxid (TiO2), andererseits zu den ferroelektrischen Materialien mit feldstärkeabhängiger relativer Dielektrizitätskonstante, wie z. B. Bariumtitanat (BaTiO3). Keramikkondensatoren werden aus feingemahlenen Granulaten durch Sinterung im Temperaturbereich zwischen 1200 und 1400 °C hergestellt. Durch geeignete Zusatzstoffe (Aluminium-Silikate, Magnesium-Silikate. Aluminiumoxide) kann die relative Dielektrizitätskonstante εr eines Keramikkondensators zwischen 6 und 14.000 liegen. Die Keramikkondensatoren werden anhand ihrer Keramikart und damit zusammenhängend ihren elektrischen Eigenschaften klassifiziert; je nach Klasse eignen sie sich für Hochfrequenz- und Filteranwendungen oder eher als Energiespeicher.

Kunststoff-Folienkondensatoren

verwenden Folien aus Kunststoff oder Kunststoffmischungen als Dielektrikum und werden in zwei Ausführungen hergestellt:

* Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallbelag bestehen aus je zwei Lagen Metallfolie und Kunststofffolie. Diese sind abwechselnd geschichtet und üblicherweise aufgerollt. Entweder werden sie so gewickelt, dass auf jeder Seite des Wickels eine der Metallfolien übersteht, die dann großflächig und induktionsarm mit dem Anschluss kontaktiert wird, oder die beiden Anschlüsse werden beim Wickeln eingelegt.

* Ein metallisierter Kunststoff-Folienkondensator besteht aus zwei Kunststofffolien, die auf beiden Seiten mit Aluminium bedampft sind und aufgewickelt werden. Diese Bauform gibt es auch als Schichtkondensatoren – die Lagen werden zu einem großen Block geschichtet, aus dem die einzelnen Kondensatoren herausgesägt werden. Diese Kondensatorart ist (wie der MP-Kondensator) bei einem Durchschlag selbstheilend, da die dünne Metallschicht vom Lichtbogen um den Durchschlagskanal herum verdampft wird.

Folienkondensatoren werden für Hochspannungsanwendungen auch mit sogenannter innerer Reihenschaltung gefertigt, dazu werden versetzt metallisierte Folien gewickelt, von denen nur diejenigen am Rand des Wickels kontaktiert werden.

Metallpapierkondensatoren (MP-Kondensatoren)

bestehen aus je zwei Lagen ölgetränktem Papier (Isolierpapier) und Metallfolie, die zu einem Wickel aufgewickelt sind. Das Papier dient als mechanischer Separator der Elektroden und legt deren Abstand fest, das Öl bestimmt die dielektrischen Eigenschaften. MP-Kondensatoren finden vor allem im Bereich der Leistungselektronik und als Entstörkondensator Verwendung. MP-Kondensatoren für Netzanwendung sind selbstheilend: Die Elektroden werden als dünne Metallschicht auf das Papier aufgedampft. Bei einem Durchschlag verdampft diese in etwa 1 cm Umkreis, so dass der Kondensator keinen Kurzschluss bilden kann.

Elektrolytkondensatoren

Die große Gruppe der Elektrolytkondensatoren gibt es in drei Bauarten bzw. Technologien:

• Aluminium-Elektrolytkondensator mit Aluminiumoxid als Dielektrikum
• Tantal-Elektrolytkondensator mit Tantal-Pentoxid als Dielektrikum
• Niob-Elektrolytkondensatoren mit Niob-Pentoxid als Dielektrikum.

Bei einem Elektrolytkondensator (auch „Elko“) wird auf dem Metall der Anodenelektrode durch Elektrolyse (anodische Oxidation, Formierung) eine nichtleitende Isolierschicht erzeugt, die das Dielektrikum des Kondensators bildet. Der Elektrolyt bildet die Kathode (Gegenelektrode) des Elektrolytkondensators. Sie kann aus einem flüssigen oder pastösen Elektrolyten (Ionenleiter) oder einem festen Elektrolyten (Elektronenleiter) bestehen. Neueste Entwicklung auf diesem Gebiet sind Polymer-Elektrolyte. Die Stromzuführung zum Elektrolyten erfolgt über Folien gleichen Metalls wie das der Anode oder über eine geeignete Kontaktierung des Elektrolyten. Die Anode des Elektrolytkondensators wird zur Vergrößerung der Oberfläche strukturiert, bei Al-Elkos ist es eine aufgeraute Anodenfolie, bei Ta-Elkos ein gesinterter Metallschwamm. Aufgrund der großen Oberfläche und des äußerst dünnem Dielektrikums können mit Elektrolytkondensatoren bei kleiner Bauweise relativ hohe elektrische Kapazitäten von bis zu einem Farad erreicht werden. Elektrolytkondensatoren sind fast immer gepolte Bauelemente, die Anode ist der positive Anschluss. Sie dürfen nicht mit falscher gepolter Spannung betrieben werden (Explosionsgefahr) und können schon bei geringer Überspannung zerstört werden. Durch gegenpolige Serienschaltung zweier Anodenfolien in einem Kondensatorgehäuse können jedoch für spezielle Anwendungen (z. B. Tonfrequenzweichen) auch Bipolar-Elektrolytkondensatoren für Wechselspannungsbetrieb hergestellt werden. Niob-Elektrolytkondensatoren ähneln Tantal-Elektrolytkondensatoren; sie stellen bei Spannungen zwischen 1,8 V und 6 V eine kostengünstige Alternative dar.

Doppelschicht-Kondensatoren

(Markennamen Gold Cap, Supercap, UltraCap, BoostCap) zeichnen sich durch höchste Energiedichte aus. Ihre hohe Kapazität basiert auf der Dissoziation von Ionen in einem flüssigen Elektrolyt, die an der Grenzschicht zu den Elektroden ein dünnes Dielektrikum von wenigen Atomlagen bilden. Das ist kombiniert mit einer großen Elektrodenoberfläche, die meist aus Aktivkohle hergestellt wird. Doppelschicht-Kondensatoren haben nur eine Spannungsfestigkeit von max. 5,5 Volt, eine typischerweise auf eine Million begrenzte Anzahl von Ladungs-Entladungszyklen und eine geringe Brauchbarkeitsdauer bei erhöhten Temperaturen (etwa tausend Stunden bei 70 °C). Doppelschicht-Kondensatoren sind wie Elektrolytkondensatoren ebenfalls gepolte Bauelemente.

Vakuumkondensatoren

Sie sind bei großen hochfrequenten Strömen und Spannungen im Kilovolt-Bereich vorteilhaft und werden vorzugsweise bei Sendern eingesetzt. Es gibt auch Bauformen mit variabler Kapazität. [7][8][9]

Glas-Dielektrikum

erlaubt einen hohen Temperaturbereich von −75 °C … +200 °C; typische Werte sind 300 pF … 100 nF. [10]

Kondensatoren auf Siliziumsubstrat

In integrierten Schaltkreisen werden Kondensatoren konventionell durch eine Schichtfolge von Silizium, Siliziumoxid, Aluminium hergestellt. Silizium und Aluminium bilden dabei die Elektroden des Kondensators; das Siliziumoxid (auch Siliziumnitrid) bildet das Dielektrikum. Sind besonders viele Kondensatoren erforderlich, wie in Halbleiterspeichern, so kommen auch schwieriger zu verarbeitende Dielektrika mit höherer Dielektrizitätszahl zum Einsatz. In besonderen Fällen, wenn der Speicherinhalt ohne Energieversorgung erhalten bleiben soll, auch Ferroelektrika. Nach einem ähnlichen Verfahren werden auch diskrete Kondensatoren hergestellt, die bei Frequenzen bis in den Gigahertz-Bereich gute Eigenschaften besitzen.

Glimmerkondensatoren

haben ein Dielektrikum aus dem natürlich vorkommenden Mineral Glimmer. Dieses weist eine hohe Spannungsfestigkeit auf und ist aufgrund seiner Schichtstruktur spaltbar in dünne Blättchen bis hinab zu 20 µm Dicke. Kondensatoren aus diesem Material werden aufgrund der niedrigen Verlustfaktoren in der Sendetechnik und aufgrund ihre Kapazitätskonstanz in Meßnormalen und in Filter- und Schwingkreisanwendungen für hohe Anforderungen eingesetzt. Sie werden oft auch als Mica-Kondensatoren bezeichnet, nach dem englischen Wort für Glimmer.

Neben der Unterteilung von Kondensatoren nach verwendetem Dielektrikum bzw. bei Elkos nach der Kathode kann auch eine Klassifizierung nach Anwendungsbereich oder nach Bauform erfolgen. Wichtige Beispiele sind:

• Leistungskondensatoren sind Metallpapier- oder Kunststoff-Folienkondensatoren. Sie können direkt an Versorgungsnetzspannung betrieben werden und zeichnen sich durch eine größere Bauform, je nach Leistungsbereich durch Steck- oder Schraubanschlüsse sowie meist durch Blechgehäuse aus.
• Durchführungskondensatoren leiten hochfrequente Störungen, zum Beispiel einkoppelnde Funkwellen aus der Umgebung, aus einer Geräte-Zuleitung gegen Masse ab. Sie bestehen oft aus Keramikkondensatoren und haben drei Anschlüsse, von denen zwei miteinander verbunden sind und die innere Elektrode kontaktieren. Der dritte, äußere Anschluss dient zur induktionsarmen Verbindung mit dem Erdpotential bzw. der Masse und bildet oft gleichzeitig das Gehäuse. Durchführungskondensatoren werden durch eine Löt- oder Schraubverbindung in entsprechende Gehäuseöffnungen eingesetzt und stellen damit gleichzeitig eine gute elektrische Verbindung zur Masse her. Die beiden anderen Anschlüsse ragen jeweils innen und außen hervor und bilden die Durchführung für die Zuleitung.
• Ein Schutzringkondensator ist eine spezielle Bauform eines Plattenkondensators, um Randeffekte in Messvorgängen zu reduzieren.

Bauformen

Die heutzutage industriell genutzten Bauformen von Festkondensatoren spiegeln die Entwicklung der industriellen Technik der letzten 100 Jahre wider. Die Bauformen zu Beginn des letzten Jahrhunderts wurden noch mechanisch mit Schrauben befestigt und die Anschlüsse per Hand gelötet oder auch angeschraubt. Der Preisdruck in der Fertigung führte Mitte des 20. Jahrhunderts zur Leiterplattentechnik. Dafür wurden bedrahtete Bauteile benötigt und die Kondensatoren wurden entsprechend mit Anschlussdrähten entwickelt. Aus zunächst liegenden Bauformen mit axialen Anschlüssen wurden, um Leiterplattenkosten einzusparen, dann etwas später radiale, stehende Bauformen. Nochmals aus Kostengründen, denn die Bohrungen in der Leiterplatte sind auch eine Kostenfrage, diesmal aber auch verbunden mit der zunehmenden Miniaturisierung der Bauteile, begann in den 90er Jahren der Siegeszug der oberflächenmontierbaren Bauelemente, der sog. „SMD“-Chips.

Bauformen von Kondensatoren

Neben den Bauteilen für das industrielle Massengeschäft finden sich aber auch weiterhin Bauformen, die sich aus speziellen Anforderungen der jeweiligen Schaltung ergeben. Beispielsweise die Flachbandanschlüsse von Folienkondensatoren für eine hohe Impuls-Strombelastbarkeit, die Schraubanschlüsse großer Aluminium-Elektrolytkondensatoren für hohe Strombelastbarkeit oder spezielle Bauformen für z. B. Durchführungskondensatoren. Die quantitativ größte Anzahl von Kondensatoren ist aber eine direkte Folge der Digitalisierung und der damit verbundenen Miniaturisierung in der Elektronik. Es sind die kapazitiven Strukturen in Dynamic RAM’s, auch „Silicium-Kondensatoren“ genannt, die in einem epitaktischen Prozess auf Siliziumkristallen hergestellt werden und eine ganz spezielle Bauform unter den Kondensatoren bilden.

Kondensatoren mit veränderbarer Kapazität

Neben als Sensoren verwendeten variablen Kondensatoren (Winkelgeber, Näherungsschalter, Touchscreen) gibt es Bauformen, deren Kapazität mechanisch von Hand verstellbar ist. Sie werden zur Frequenzeinstellung in Oszillatoren, zur Abstimmung eines Radioempfängern auf einen Sender oder zur Impedanzanpassung in Hochfrequenz-Schaltungen eingesetzt. Beim Drehkondensator wird das Prinzip der sich gegenüberliegenden Platten besonders deutlich. Mehrfachdrehkondensatoren können mehrere solche Einheiten enthalten, wie der abgebildete Zweifachdrehkondensator „Quetscher“ Quetsch-Trimmkondensatoren

Drehkondensatoren

Ein Drehkondensator (Plattendrehkondensator) besteht aus Metallflächen, deren gegenüberliegende Flächenanteile durch einen Drehmechanismus verändert werden können. Zur Kapazitäts-Vervielfachung werden ineinandergreifende Plattenpakete aufgebaut. Als Dielektrikum wird Luft, Keramik oder Kunststofffolie verwendet. Sie wurden zum Verändern der Resonanzfrequenz von Schwingkreisen, zum Beispiel in älteren Radios zum Einstellen von Sendern und werden noch heute zur Impedanzanpassung in Hochfrequenz-Schaltungen eingesetzt. Kleinsignalanwendungen (Senderwahl) sind heute weitgehend durch Kapazitätsdioden abgelöst. Der bewegliche Teil wird „Rotor“, der feste „Stator“ genannt. Der Stator ist meist isoliert befestigt. Der Rotor ist über einen Schleifkontakt an Gehäusemasse angeschlossen oder er ist isoliert (Keramikwelle) und bewegt sich zweigeteilt in zwei Statoren.

Mehrfachdrehkondensatoren haben jeweils miteinander mechanisch gekoppelte Rotoren (bewegliche Teile) und Statoren (feste Teile). Diese müssen gute Gleichlaufeigenschaften aufweisen und werden zum Beispiel in Überlagerungsempfängern eingesetzt. Manche Drehkondensatoren enthalten am bzw. im gleichen Gehäuse Trimmkondensatoren zum Abgleichen.

Trimmer

Von einem „Trimmer“ oder Trimmkondensator spricht man, wenn der Kondensator in seinem Einsatz einmalig oder selten, z. B. zum Abgleich eines Schwingkreises betätigt wird, um seine Kapazität zu ändern. Verändert wird die wirksame Fläche oder der Abstand (Quetschtrimmer). Als Dielektrikum in Trimmkondensatoren wird Luft (Lufttrimmer), Keramik (Scheibentrimmer), Glimmer (Quetschtrimmer) oder Kunststofffolie verwendet. Lufttrimmer und Trimmer aus Kunststofffolie sind wie ein kleiner Drehkondensator oder als Tauchtrimmer aufgebaut.

Sogenannte Tauchkondensatoren oder Tauchtrimmer bestehen aus konzentrischen zylinderförmigen Elektroden, die ineinander geschoben wurden. Sie hatten Luft als Dielektrikum und dienten ebenfalls dem Abgleich von Schwingkreisen. Die Linearbewegung des eintauchenden Teils gestattete eine erste (mechanische) Lösung (Fa. Philips ca. 1930) eines Programmwahlschalters, um mit einem Tastensatz mittels voreingestellter Kapazitäten verschiedene Sender anzuwählen. Nachteilig war die mangelhafte mechanische Genauigkeit und der geometrisch bedingte lineare Kapazitätsverlauf, der den Schwingkreisgesetzen nicht entgegenkommt. So gehörte diese interessante Lösung schon nach kurzer Zeit der Vergangenheit an. Das Prinzip hat sich jedoch bei Vakuumkondensatoren mit variabler Kapazität erhalten.

Trimmkondensatoren können oft nur mit einem isolierenden (HF-neutralen) Werkzeug eingestellt werden.

SF6-Kondensatoren

Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus Schwefelhexafluorid werden bei hohen Hochfrequenzleistungen (Spannungen bis über 10kV) eingesetzt. Sie sind durch Variation des Innengasdruckes in ihrer Kapazität variabel. Schwefelhexafluorid besitzt, verglichen mit anderen Gasen, eine hohe Durchschlagsfestigkeit und eine hohe Dielektrizitätszahl[15].

Kapazitätsdiode

Die Kapazitätsdiode, auch Varicap, Varaktor, Abstimmdiode oder Ladungsspeicherdiode genannt, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauteil. Wird eine Diode in Sperrrichtung betrieben, so entsteht am p-n-Übergang eine Ladungsträgerverarmungszone (die als Dielektrikum wirkt), an der sich auch ein elektrisches Feld aufbaut. Mit steigender Spannung vergrößert sich die Breite der ladungsfreien Zone, damit nimmt die Kapazität ab. Durch Änderung der angelegten Spannung lässt sich eine elektrisch steuerbare Kapazität erreichen.

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