Welche Arten von Kondensatoren gibt es und wie unterscheiden sie sich?

Kondensatoren sind passive Bauelemente, die elektrische Ladung speichern. Diese Funktion kann jedoch auf viele Arten in verschiedensten Anwendungen genutzt werden – für AC- und DC-Anwendungen, egal ob analog oder digital. Anwendungsbeispiele sind unter anderem Timing- und Wave-Shaping-Schaltungen, Kopplungs- und Entkopplungsvorgänge, Signalfilter und -glättung, TV- und Radioeinstellung, Oszillatoren und – bei Superkondensatoren – Ladungsspeicher für Geräte wie Blitzlampen für Kameras. Diese Flexibilität, in Kombination mit der Möglichkeit, unterschiedliche Pegel von Leistung, Strom und Spannung zu berücksichtigen, bedeutet, dass Kondensatoren in vielen Formen, Größen und Bauweisen erhältlich sind.

Dieser Artikel untersucht Kondensatoren und die Bedeutung der elektrischen Kapazität. Anschließend werden die weiteren Eigenschaften neben der Kapazität beschrieben, welche die Leistung und den Einfluss der Bauelemente auf Zielschaltkreise bestimmen. Als nächstes wird erläutert, wie sich diese Eigenschaften in den verschiedenen Kondensatortypen am Markt äußern und wie sie die Kondensatorwahl von Entwicklern beeinflussen.

Manchmal ist jedoch die scheinbare erste Wahl für ein Projekt möglicherweise nicht die beste. So wünschen sich einige Entwickler, eine Kondensatortechnologie aus einem bestimmten Grund durch eine andere zu ersetzen. Dementsprechend endet der Artikel mit einem kurzen Beispiel, wie Polymerkondensatoren Keramikvielschichtkondensatoren (MLCCs) ersetzen können.

Was ist ein Kondensator?

Wie Abb. 1 zeigt, umfasst ein Kondensator zwei leitende Platten in unmittelbarer Nähe zueinander, die durch einen Isolator oder ein Dielektrikum getrennt sind. Wenden Sie einen Gleichstrom auf die Platten an, bauen die beiden gleiche und entgegengesetzte Ladungen auf: negativ auf der einen Platte und positiv auf der anderen. Entfernen Sie die Stromquelle, so behalten die Platten ihre Ladung, abgesehen von eventuellem Leckstrom. Wenn die Platten dann über eine solche Kamera-Blitzlampe angeschlossen sind, geben sie ihre gesamte Energie in sie ab, um den Blitz anzutreiben.

Abb. 1 Kondensator-Symbole – Bildrechte Premier Farnell

Beachten Sie, dass das Design eines Kondensators bedeutet, dass er Gleichstrom sperrt, Wechselstrom jedoch leitet. Im Allgemeinen gilt, je höher die Wechselspannungsfrequenz ist, desto besser leitet der Kondensator den Wechselstrom.

Die Menge an Energie, die ein Kondensator speichern kann, ist durch seine Kapazität definiert, die in Farad gemessen wird. Da ein Farad aufgrund seiner Größe eine unpraktische Kapazitätseinheit ist (mit Ausnahme von Superkondensatoren), werden reale Bauelemente je nach Bedarf in einem der folgenden SI-Bereiche eingestuft:

• 1 mF (Millifarad, ein Tausendstel (10-3) eines Farad)
• 1 μF (Mikrofarad, ein Millionstel (10-6) eines Farad)
• 1 nF (Nanofarad, ein Milliardstel (10-9) eines Farad)
• 1 pF (Picofarad, ein Billionstel (10-12) eines Farad)

In jedem Fall ist die Kapazität C in Farad durch die folgende Gleichung gegeben:

q = die Ladung in Coulomb (+q- und -q-Ladungen auf den Platten) und V = die Spannung in Volt auf den Platten.

Dies ergibt die folgende Beziehung zwischen Spannung und Strom:

i = Strom in Ampere.

Die in einem Kondensator gespeicherte Energie wird durch die Integration der Arbeit W (Watt) gefunden

WLadung = 1/2 CV^2

Die erste der obigen Gleichungen verrät uns, dass eine Erhöhung der Kapazität ermöglicht, mehr Ladung für eine gegebene Spannung über dem Kondensator zu speichern. Die Kapazität kann erhöht werden, indem die Platten vergrößert oder näher zusammen bewegt werden oder indem die Isolationseigenschaften des Dielektrikums optimiert werden. Kondensatoren aller Art erreichen ihre Zielkapazitätswerte, wenn diese drei Variablen entsprechend angepasst werden. Wenn also ein erforderlicher Kapazitätswert mit verschiedenen Kondensatortypen erreicht werden kann, wie entscheiden wir dann, welcher Typ für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist?

Die Antwort ist, dass ideale Kondensatoren zwar nur Kapazität aufweisen, reale Geräte jedoch auch über viele weitere Parameter und Eigenschaften verfügen, die ihre Leistung innerhalb und für ihre Zielanwendung beeinflussen. Diese Faktoren hängen von der verwendeten Kondensatortechnologie ab und müssen bei der Auswahl einer geeigneten Lösung berücksichtigt werden.

Kriterien sind Betriebsspannung, Gerätegröße, Frequenzgang, Alterung (Austrocknen des nassen Elektrolyts), Kapazitätsverlust, maximale empfohlene Betriebstemperatur, Entflammbarkeit und selbstheilende Eigenschaften. Manchmal ist ein extrem niedriger parasitärer Widerstand (der sogenannte Ersatzserienwiderstand oder ESR) notwendig, um I2R-Verluste in Hochstromanwendungen zu minimieren.

Als nächstes betrachten wir diese und andere Kondensatoreigenschaften genauer und dann, wie sie sich in den verschiedenen Kondensatortypen widerspiegeln.

Kondensatoreigenschaften

Der Artikel „Introduction to capacitor technologies“ (Einführung in Kondensatortechnologien) von KEMET enthält viele nützliche Informationen und lieferte den Hintergrund für die Diskussion der unten genannten Kondensatoreigenschaften.

Dielektrische Eigenschaften und Kondensator-CV

Dielektrische Eigenschaften beeinflussen den volumetrischen Wirkungsgrad von Kondensatoren, sprich die Menge an Kapazität pro bestimmtem Volumen. Dies wird als CV-Wert ausgedrückt, wobei C für die Kapazität und V für die Spannung steht. CV-Werte sind Punkte bei der Entwicklung von portablen Systemen oder sehr dicht bestückten Leiterplatten, die eine hohe Kapazität bei minimalem Volumen erfordern.

Einige Dielektrika, wie z. B. Tantal, sind für ihre hohen CV-Eigenschaften bekannt. CV kann auch erhöht werden, indem die nutzbare Elektrodenoberfläche maximiert und der Paket-Overhead minimiert wird.

Kapazitätsprobleme in der Praxis

Die nutzbare Kapazität eines Kondensators kann aufgrund mehrerer Faktoren von seinem Nennwert abweichen. Dazu gehören:

• Temperatur
• Luftfeuchtigkeit
• AC-/DC-Spannung
• Signalfrequenz
• Kondensatoralter
• Mechanische Faktoren
• Piezoelektrischer Effekt

Bei der Auswahl eines Kondensators für eine Anwendung müssen seine Bewertungen für diese Faktoren berücksichtigt werden.

Toleranzen sind ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt. Kondensatoren sind toleranzkodiert, wobei die gebräuchlichsten Codes die folgenden sind:

• ± 20% = M
• ± 10% = K
• ± 5% = J
• ± 2,5% = H
• ± 2% = G
• ± 1% = F

Leckstrom oder Isolationswiderstand?

Die dielektrischen Materialien in Kondensatoren sind keine idealen Isolatoren; Sie können aus verschiedenen Gründen, die für jeden dielektrischen Typ spezifisch sind, einen kleinen DC-Leckstrom durchlassen. Das führt dazu, dass die Klemmenspannung eines geladenen Kondensators langsam abfällt, wenn der Leckstrom seine Ladung ableitet.

Im Allgemeinen neigt der Isolationswiderstand dazu, sich zu verringern, wenn sich die Kapazitätswerte erhöhen. Leckstrom nimmt mit steigender Temperatur zu.

Die Beziehung zwischen dem Leckstrom (LC) und dem Isolationswiderstand (IR) des Kondensatordielektrikums ist durch eine einfache Formel gegeben:

I(LC) = V/R(IR)

Verhalten bei Lade-/Entladevorgängen

Wenn eine DC-Spannung auf einen Kondensator in Reihe mit einem Widerstand angewandt wird, lädt sich der Kondensator mit einer Rate auf, die durch die angelegte Spannung, den Ladezustand relativ zu seinem Endwert, den Reihenwiderstand und seine eigene Kapazität festgelegt ist. Das Widerstandskapazitätsprodukt RC ist als die Zeitkonstante der Schaltung bekannt. Um genau zu sein, ist die RC-Zeitkonstante die Zeit, die benötigt wird, um den Kondensator um 63,2% der Differenz zwischen den Anfangs- und Endwerten zu laden. Derselbe RC-Wert bestimmt auch die Zeit, die zum Entladen des Kondensators durch den Vorwiderstand benötigt wird.

Spannungsfestigkeit

Wenn die Spannung an einem Kondensator ausreichend erhöht wird, wird das elektrische Feld schließlich dazu führen, dass das Dielektrikum zusammenbricht und Strom leitet. Bei einigen Dielektrika ist dieser Effekt permanent, so dass der Kondensator zerstört wird.

Einige Dielektrika können sich jedoch selbst heilen. über solche Selbstheilungseigenschaften verfügen beispielsweise Film- und Papierkondensatoren mit sehr dünnen Elektroden. Da der große Durchbruchsstrom die Elektrodenschichten erhitzt, verdampfen Metalle und oxidieren von dem betroffenen Bereich weg. Dadurch wird der Kurzschlusspfad vom Rest des Kondensators isoliert. Dieser Prozess kann sogar in Anwendungen mit sehr hoher Leistung auftreten, die bis zu mehreren Kilowatt betragen.

Verlust von Energie

Wenn eine Wechselspannung an einen Kondensator angelegt wird, fließt Strom durch sein dielektrisches Material und seine leitenden Teile. In der Praxis wird ein Teil dieses Stroms in dem kleinen Widerstand innerhalb des Kondensators verbraucht. Diese Dissipation manifestiert sich als Temperaturanstieg im Kondensator. Der Gesamtwiderstand des Kondensators, der als äquivalenter Serienwiderstand (ESR) bezeichnet wird, besteht aus zwei Elementen:

• Widerstand des dielektrischen Materials
• Widerstand der leitenden Teile

Induktivität

Die Elektroden und Anschlussdrähte oder Anschlüsse eines Kondensators sind Metallleiter, denen eine gewisse Induktivität zugeordnet ist. Diese Induktivität neigt dazu, Änderungen des Wechselstroms durch den Kondensator zu widerstehen. Dies ist als äquivalente Serieninduktivität oder ESL bekannt.

Äquivalente Schaltungsbeschreibung des Kondensators

Die leitfähigen Teile eines Kondensators weisen einen zugehörigen ohmschen Widerstand auf, der sich mit dem dielektrischen Widerstand zu einem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) verbindet. Ein praktischer Kondensator kann unter Verwendung einer sogenannten Ersatzschaltung wie in Abb. 2 beschrieben werden, wobei ein Widerstand (ESR) und eine Induktivität (ESL) in Reihe mit einer reinen Kapazität parallel zu einem Widerstand gleich dem Isolationswiderstand des Dielektrikums liegen.

Abb. 2: Ersatzschaltung eines Kondensators mit parasitärer Induktivität und Widerstand – Bild via KEMET

Verschiedene Kondensatortypen

In Abb. 3 sind die verschiedenen verfügbaren Kondensatortypen zusammengefasst. Wir prüfen die untenstehenden Festkondensatortypen.

Abb. 3: Hierarchie der Kondensatortypen – Bild via Würth Elektronik

Caoacitorguide.com bietet detaillierte Erklärungen zu den verschiedenen Kondensatortypen und deren Bauweisen. Die Informationen zum Kondensatortyp (außer Glas- und Durchführungskondensatoren) basieren auf diesem Inhalt.

Folienkondensatoren

Folienkondensatoren verwenden einen dünnen Kunststofffilm als ihr Dielektrikum. Dies kann metallisiert oder unbehandelt bleiben, abhängig von den erforderlichen Eigenschaften des Kondensators. Diese Typen bieten Stabilität, geringe Induktivität und geringe Kosten. Zu den verschiedenen Folienausführungen gehören Polyester, Metall, Polypropylen, PTFE und Polystyren. Kapazität von 1 nF bis 30 μF

Diese Kondensatortypen sind nicht polarisiert, wodurch sie für AC-Signal- und Leistungsanwendungen geeignet sind. Folienkondensatoren können sehr hohe Präzisionskondensatorwerte aufweisen, die sie länger beibehalten als andere Kondensatortypen. Sie sind sehr zuverlässig mit langen Lager- und Standzeiten, mit einem Alterungsprozess, der im Allgemeinen langsamer ist als bei anderen Typen, wie z. B. bei Elektrolytkondensatoren. Sie weisen niedrige ESR- und ESL-Werte und somit sehr geringe Verlustfaktoren auf. Sie können Spannungen im Kilovoltbereich standhalten und sehr hohe Stoßstromimpulse liefern.

Power-Folienkondensatoren können einer Blindleistung von mehr als 200 Volt-Ampere standhalten. Diese werden in Leistungselektronikgeräten, Phasenschiebern, Röntgenblitzen und gepulsten Lasern verwendet. Die Low-Power-Varianten werden als Entkopplungskondensatoren, Filter und in A/D-Wandlern eingesetzt. Andere bemerkenswerte Anwendungen sind Sicherheitskondensatoren, Unterdrückung elektromagnetischer Interferenz, Vorschaltgeräte mit Fluoreszenzlicht und Snubber-Kondensatoren.

Abb. 4: Polyester-Folienkondensatoren – Bild via Wikimedia Commons

Keramik

Keramikkondensatoren verwenden ein keramisches Material als ihr Dielektrikum. Der Vielschicht-Chipkondensator (MLCC) und der Keramikscheibenkondensator sind die am häufigsten verwendeten Typen in der modernen Elektronik. MLCCs werden in SMT-Formen (Surface Mount Technology) hergestellt und aufgrund ihrer geringen Größe häufig verwendet. Kapazitätswerte liegen typischerweise zwischen 1 nF und 1 μF, obwohl Werte bis zu 100 μF verfügbar sind. Sie sind unpolarisiert und können daher in Wechselstromkreisen verwendet werden. Sie haben einen großen Frequenzgang aufgrund von niederohmigen und induktiven parasitären Effekten.

Es gibt heute zwei Klassen von Keramikkondensatoren: Klasse 1 und Klasse 2. Keramikkondensatoren der Klasse 1 werden dort eingesetzt, wo hohe Stabilität und geringe Verluste gefordert sind. Sie sind sehr genau und verfügen über einen Kapazitätswert, der in Bezug auf angelegte Spannung, Temperatur und Frequenz stabil ist.

Kondensatoren der Klasse 2 haben eine hohe Kapazität pro Volumen und werden für weniger empfindliche Anwendungen verwendet. Ihre thermische Stabilität beträgt typischerweise ± 15% im Betriebstemperaturbereich, während die nominalen Toleranzen etwa 20% betragen.

MLCCs bieten hohe Packungsdichten für die Leiterplattenmontage, obwohl auch keramische Komponenten mit großer Leistung zur Verfügung stehen, die auf Spannungen von 2 kV bis 100 kV ausgelegt sind und eine Nennleistung von mehr als 200 VA aufweisen.

Abb. 5: Keramikkondensator – Bild via Wikipedia

Elektrolytkondensatoren

Elektrolytkondensatoren verwenden einen Elektrolyten, um einen größeren Kapazitätswert als andere Kondensatortypen bereitzustellen. Fast alle Elektrolytkondensatoren sind polarisiert, müssen also in Gleichstromkreisen verwendet und korrekt vorgespannt werden. Elektrolytkondensatoren können entweder Nasselektrolyt oder Festpolymer sein. Sie werden üblicherweise aus Tantal oder Aluminium hergestellt. Aluminiumkondensatoren weisen in der Regel Kapazitäten zwischen 1 µF und 47 mF bei einer Betriebsspannung von bis zu einigen hundert Volt DC auf. Jedoch sind Superkondensatoren, die manchmal auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet werden, auch mit Kapazitäten von Hunderten oder Tausenden von Farad verfügbar.

Zu den Nachteilen zählen große Leckströme, große Toleranzen von in der Regel 20%, äquivalenter Serienwiderstand und eine begrenzte Lebensdauer. Kapazitätswerte driften ebenfalls mit der Zeit. Kondensatoren können überhitzen oder sogar explodieren, wenn sie einer umgekehrten Polarität ausgesetzt sind.

Elektrolytkondensatoren werden in Anwendungen verwendet, die keine engen Toleranzen und AC-Polarisation benötigen, erfordern jedoch hohe Kapazitätswerte. Beispiele hierfür sind unter anderem Filterstufen in Stromversorgungen, um AC-Welligkeit zu beseitigen, oder für als Tiefpassfilter für DC-Signale mit einer schwachen AC-Komponente als Eingangs- und Ausgangsglättung.

Abb. 6: Elektrolytkondensator – Bild via flickr

Superkondensatoren

Superkondensatoren sind wie oben beschrieben eine Art von Elektrolyt. Sie können mithilfe zweier Mechanismen extrem große Mengen elektrischer Energie speichern: Doppelschichtkapazität und Pseudokapazität. Der erste ist elektrostatisch, während der zweite elektrochemisch ist. So kombinieren Superkondensatoren die Eigenschaften von normalen Kondensatoren mit denen von gewöhnlichen Batterien.

Tatsächlich werden sie in vielen Anwendungen als Alternativen zu Batterien verwendet, darunter kinetische Energiewiedergewinnungssysteme (KERS), fotografische Blitze und statische RAM-Speicher. Zu den zukünftigen Einsatzmöglichkeiten gehören Mobiltelefone, Laptops und Elektroautos. Ihr spannendster Vorteil ist ihre sehr schnelle Wiederaufladegeschwindigkeit, was bedeutet, dass ein Elektroauto innerhalb weniger Minuten aufgeladen werden könnte.

Diese Technologie kann Kapazitätswerte bis zu 12.000 F erreichen. Die Kondensatoren kommen aufgrund ihres geringen Innenwiderstandes auf sehr schnelle Lade- und Entladezeiten, die vergleichbar mit gewöhnlichen Kondensatoren. Im Gegensatz dazu können Batterien bis zu mehreren Stunden benötigen, um vollständig aufgeladen zu werden. Superkondensatoren weisen zudem spezifische Leistungen auf, die 5- bis 10-mal höher sind als bei Batterien, z. B. 10 kW/kg verglichen mit 1–3 kW/kg für Li-Ionen-Batterien. Superkondensatoren heizen nicht so stark wie Batterien, wenn sie nicht ordnungsgemäß verwendet werden, und verfügen über eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer, verglichen mit 500 für Batterien typische Zyklen.

Nachteile von Superkondensatoren sind niedrige spezifische Energie (Wh/kg), eine lineare Entladungsspannungseigenschaft (ein Superkondensator, der für 2,7 V ausgelegt ist, würde beispielsweise bei 50% Entladung auf 1,35 V fallen) und hohe Kosten. Diese haben bisher verhindert, dass Superkondensatoren in den meisten Anwendungen Batterien ersetzen.

Abb. 7: Superkondensator-Technologien – Bild via Wikimedia Commons

Glimmerkondensatoren

Unter Glimmerkondensatoren versteht man heute Silberglimmerkondensatoren, die durch beidseitig mit Metall beschichtete Glimmerbleche gebildet werden. Kapazitätswerte sind niedrig und reichen normalerweise von einigen pF bis zu einigen nF, obwohl die größten Glimmerarten 1 μF erreichen können. Die Nennspannungen betragen typischerweise 100 bis 1.000 Volt, wobei einige Kondensatoren für HF-Senderanwendungen bis zu 10 kV ausgelegt sind. Sie werden aufgrund ihrer hohen Durchbruchspannung auch in anderen Hochspannungsanwendungen eingesetzt.

Sie sind verlustarm, ermöglichen den Einsatz bei hohen Frequenzen, sind zuverlässig und ihr Wert bleibt über die Zeit stabil. Die Kondensatoren sind auch in weiten Bereichen von Spannung, Temperatur und Frequenz stabil. Sie weisen normalerweise einen relativ kleinen kapazitiven Wert auf. Sie bieten Präzision mit Toleranzen von bis zu +/- 1%. Die Kondensatoren sind jedoch sperrig und teuer.

Abb. 7: Silberglimmerkondensatoren – Bild via Wikimedia Commons

Glaskondensatoren

Glaskondensatoren werden in HF-Schaltkreisen verwendet, in denen maximale Leistung erforderlich ist. Sie bieten einen niedrigen Temperaturkoeffizienten ohne Hysterese, Nullalterungsrate, kein piezoelektrisches Rauschen, Nullalterungsrate und extrem niedrige Verluste. Sie weisen zudem eine hohe HF-Strombelastbarkeit mit Betriebstemperaturen von oftmals bis zu 200 °C auf.

Durchführungskondensatoren

AVX bietet eine Reihe von Durchführungskondensatoren, die in den Standardgrößen 0805 und 1206 erhältlich sind. Diese Kondensatoren sind die ideale Wahl für EMI-Unterdrückung, Breitband-I/O-Filterung oder Vcc-Stromleitungskonditionierung. Der einzigartige Aufbau eines Durchführungskondensators bietet eine niedrige Parallelinduktivität sowie eine ausgezeichnete Entkopplungsfähigkeit für alle Umgebungen mit hohen Di/Dt-Werten. Auch schafft er eine deutliche Rauschreduzierung von bis zu 5 GHz in digitalen Schaltungen. AVX bietet Kunden gemäß AEC-Q200 zugelassene autonome Durchführungskondensatoren an. Diese Kondensatoren sind mit NP0- und X7R-Dielektrika sowie Anschlussoptionen einschließlich plattiertem Ni und Sn erhältlich.

Austauschbarkeit von Kondensatortypen

Obwohl die verschiedenen Kondensatortypen für verschiedene Anwendungen optimiert sind, kann es möglich oder wünschenswert sein, einen Typ durch einen anderen zu ersetzen. So hat Panasonic ein ausführliches Whitepaper verfasst, in dem das Unternehmen erläutert, wie Polymerkondensatoren MLCCs in verschiedenen Anwendungen ersetzen können. Informationen aus diesem Bericht sind unten angegeben.

Moderne Entwicklungen bei ICs und die damit verbundenen Erwartungen an ihre Leistung haben höhere Anforderungen an ihre zugehörigen Komponenten, einschließlich Kondensatoren, gestellt. Dieser Trend zeigt sich beispielsweise bei DC/DC-Wandler-Designs. Sie ermöglichen eine höhere Energieeffizienz, höhere Lastströme, eine Miniaturisierung und höhere Schaltfrequenzen. Solche Trends erfordern Kondensatoren, die höhere Stromlasten aus einem kleineren Volumen bewältigen können. Es besteht ein zunehmendes Bedürfnis, hohe Leistung und Leistungsdichte gegen Langzeitausdauer, hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit auszugleichen.

Ausgangskondensatoren sind für DC/DC-Wandler wichtig, da sie zusammen mit der Hauptinduktivität ein Reservoir an elektrischer Energie für den Ausgang bereitstellen und die Ausgangsspannung glätten. Eingangskondensatoren müssen hinsichtlich der Verlustleistung und der Welligkeit gut funktionieren. Sie sollten die Spannung aufrechterhalten und sicherstellen, dass die Schienenspannung für den Wechselrichter stabil bleibt.

Für diese DC/DC-Wandler-Eingangs- und Ausgangsrollen können verschiedene Kondensatortypen verwendet werden. Abb. 8 zeigt einige Optionen, einschließlich Elektrolytkondensatoren, OSCONs, SP-Caps, POS-Caps, Filmkondensatoren und Keramikvielschichtkondensatoren (MLCCs), und bewertet ihre Leistung nach jedem Merkmal. Während die passende Wahl von der Anwendung abhängt, können wir die relativen Merkmale jedes Typs vergleichen.

Abb. 8: Kondensatorarten und -eigenschaften – Bild via Panasonic

Während Elektrolytkondensatoren den höchsten ESR-Wert bereitstellen, verschlechtern sich ihre Kapazität und Leckstromleistung bei höheren Temperaturen und Frequenzen erheblich. Die sehr niedrigen ESR- und ESL-Werte von Keramikkondensatoren bieten eine hohe transiente Leistung, verfügen jedoch über Einschränkungen hinsichtlich der Kapazitätsreduzierung. Sie funktionieren auch bei sehr hohen Rippelströmen, sind jedoch anfällig für Alterungsfehler und erfordern elektrische Felder in niedrigeren Bereichen.

Polymer-Elektrolytkondensatoren sind in Stromversorgungen für IC-Schaltungen für Puffer-, Umgehungs- und Entkopplungsfunktionen beliebt, insbesondere in Vorrichtungen mit flacher oder kompakter Bauweise. Sie konkurrieren daher mit MLCCs, bieten jedoch höhere Kapazitätswerte und weisen im Gegensatz zu Keramikkondensatoren der Klassen 2 und 3 keinen mikrophonischen Effekt auf.

Für Eingangs- und Ausgangsfilter für DC/DC-Wandler sind MLCC-Kondensatoren aufgrund ihrer niedrigen Kosten und niedrigen ESR- und ESL-Werte der beliebteste Typ. Sie weisen jedoch auch Nachteile auf, darunter:

• Geringe Kapazität pro Volumen, insbesondere für dielektrische Materialien der Klasse 1 (NO/COG)
• Große Baugrößen, welche bei PCB-Flexionen anfällig für Risse sind
• DC-Bias-Instabilität
• Piezo-Effekt (singend)

In diesen Bereichen werden Polymerkondensatoren eingesetzt. Panasonic stellt Festpolymer-Aluminiumkondensatoren her: SP-Caps und OS-CON, Tantal-Polymerkondensatoren (POS-CAP) und Polymer-Hybrid-Aluminium-Elektrolytkondensatortechnologien. Diese Polymerkondensatortypen erweitern ihre Anwendungsbereiche ständig. Sie verfügen über eine hohe Kapazität und hervorragende Bias-Eigenschaften, die denen von MLCCs weit überlegen sind und extrem niedrigen ESR- und ESL-Werte aufweisen.

Darüber hinaus erreichen Polymerkondensatoren eine sehr hohe Zuverlässigkeit und überlegene Leistung bei niedrigen Temperaturen, indem feste Polymermaterialien als Elektrolyt verwendet werden.

Die Schaltung in Abb. 9 unten zeigt einige Beispiele dafür, wie verschiedene Polymerkondensatoren die MLCC-Kondensatorleistung verbessern können.

Abb. 9: Schaltungsbeispiel zum Vergleich von MLCC- und Polymerkondensatoren – Bild via Panasonic

Beschaffung von Kondensatoren

Die verschiedenen Kondensatortypen mit einer Vielzahl von Leistungsvariablen finden Sie auf der Website von Farnell.

Zusammenfassung

Dieser Artikel hat erklärt, was ein Kondensator ist und wie eine reine Kapazität innerhalb einer elektrischen Schaltung funktioniert. Es wurde auch geschlussfolgert, dass es in der realen Welt keinen reinen Kondensator gibt. Dementsprechend wurden die verschiedenen physikalischen und elektrischen Eigenschaften untersucht, die unweigerlich eine reale Kondensatorkomponente bilden, und die breite Palette von Kondensatortypen und ihre variierenden Eigenschaften besprochen, welche heute für verschiedene Anwendungen verfügbar sind.

Zudem wurde erläutert, wie ein Kondensatortyp in bestimmten Fällen durch einen anderen ersetzt werden kann. Hier wurde als Beispiel ein Polymerkondensator als Ersatz für MLCCs genannt.

Referenzen

http://www.kemet.com/Lists/TechnicalArticles/Attachments/6/What%20is%20a%20Capacitor.pdf

http://www.capacitorguide.com

https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor

https://radio-electronics.com/info/data/capacitor/glass-dielectric-capacitors.php

http://www.avx.com/products/ceramic-capacitors/feedthru-smd/automotive-feedthru

https://eu.industrial.panasonic.com/sites/default/pidseu/files/pan_18072_whitepaper_mlccvspolymer_web.pdf

Welche Arten von Kondensatoren gibt es?

Welcher Kondensator für was?

Welche Arten von veränderbaren Kondensatoren gibt es?

Wie werden Kondensatoren eingeteilt?