Grundlagen Kondensatoren: Technologie, Anwendungen und Trends

Der Kondensator, erfunden 1745, ist wesentlicher Bestandteil heutiger Elektronik. Die Technologien entwickelten sich weiter, aber die Aufgabe des Kondensators in einer Schaltung hat sich kaum verändert.

Elektronikentwickler neigen dazu, Kondensatoren als billige, unwichtige Bauelemente links liegen zu lassen oder einfach dieselben Teile zu verwenden, die sie zuvor für andere Projekte genutzt haben. Doch es lohnt, die Anforderungen für das eigene Projekt sorgfältig zu analysieren und den richtigen Kondensator zu definieren, wie dieser Grundlagenbeitrag zeigen wird. Denn so stellen Entwickler sicher, dass ihr Design so zuverlässig und effizient wie möglich ist – bei minimalen Kosten.

Die Grundlagen der Kondensatortechnologie

Einfach ausgedrückt ist ein Kondensator ein elektrisches Bauelement zur Speicherung von elektrischer Ladung. Er besteht aus zwei elektrischen Leitern, die durch eine Isolationsschicht, das so genannte Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Die elektrischen Leiter können aus Metallfolie oder -platten bestehen, das Dielektrikum aus Luft, Papier, Folie oder einem Metalloxid. Wird eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden elektrischen Leitern angelegt, entsteht an einem davon eine positive, am anderen eine negative Ladung. Dadurch wird Energie im resultierenden elektrischen Feld gespeichert. Wie in Bild 1 dargestellt, ist der Wert des Kondensators als seine Kapazität definiert, die der Ladung pro Spannungseinheit entspricht:

C = Q/U.

Die Kapazität ist proportional zur Fläche der elektrischen Leiter und umgekehrt proportional zum Zwischenabstand. Die Kapazität wird in Farad (F) angegeben, in praktischen Schaltkreisen liegen Kondensatoren jedoch üblicherweise im Bereich von µF, nF oder pF.

Im Gleichstromkreis (DC) wird ein Kondensator aufgeladen und fungiert als Speicher elektrischer Energie. Der Strom fließt so lange, bis der Kondensator vollständig geladen ist. Der geladene Kondensator hingegen sperrt Gleichstrom. Im Wechselstromkreis (AC) wird der Kondensator geladen und entladen, wenn sich die Stromrichtung ändert. Sein Verhalten ist damit von der Frequenz des Wechselstromsignals abhängig – eine Eigenschaft, die in vielen Applikationen zum Tragen kommt.

Die Praxis ist komplexer als die Theorie

Neben der Kapazität haben alle Kondensatoren in Wirklichkeit auch Induktivität und Widerstand. Zudem unterscheiden sich reale Kondensatoren von unserem einfachen Modell, zum Beispiel durch Effekte wie den durch das Dielektrikum fließenden Ableitstrom (Bild 2). Kondensatoren haben auch eine maximale Spannung, bis zu der sie verwendet werden können – bis zur sogenannten Durchschlagspannung. Darüber hinaus kann das Dielektrikum beschädigt werden.

Einsatz- und Anwendungsbereiche von Kondensatoren

Wie oben erläutert, besteht die grundlegende Eigenschaft eines Kondensators darin, dass Wechselstrom in einer von seiner Frequenz abhängigen Weise fließen kann, während Gleichstrom gesperrt wird. Aufgrund dieses Verhaltens kann der Kondensator für viele verschiedene Applikationen genutzt werden, wobei Spannungswandlung, Entkopplung und Filterung zu den gängigsten zählen. Bei industriellen Applikationen können Elektromotoren beispielsweise zu Rauschen in Netzwerk- und Datenkabeln führen.

Elektromagnetische Störungen (EMI) durch Stromkabel verursachen Rauschen in den Datenkabeln, sodass unter Umständen Fehler auftreten. Das Rauschen kann Transienten oder Spannungsspitzen umfassen, zum Beispiel beim Einschalten eines Motors, sowie kontinuierliche Signale wie Oberschwingungen bei einer bestimmten Frequenz. Die Auswirkung von Rauschen kann zwar durch Abschirmung und das Verlegen der Strom- und Datenkabel in möglichst großem Abstand voneinander verringert werden, trotzdem ist es häufig noch notwendig, das Rauschen durch Filtern zu verringern.

Kondensatoren können eine sehr effektive Methode zur Rauschfilterung sein. Grundsätzlich fungieren sie als Hochpassfilter, der tiefe Frequenzen unterdrückt und höherfrequente Signale passieren lässt. Ein einfacher Tiefpassfilter kann leicht aus einem oder mehreren Kondensatoren und Induktoren aufgebaut werden, die nur Signale unterhalb einer Grenzfrequenz passieren lassen, die von den verwendeten Werten der Bauelemente abhängig ist (Bild 3).

Zum Entfernen von Oberschwingungen eignet sich ein Bandsperrfilter. Dieser minimiert das Rauschen bei bestimmten Frequenzen, ohne die Datensignale zu beeinträchtigen. Hierbei wird mithilfe von Kondensatoren die obere Grenzfrequenz vorgegeben, unterhalb der Signale gesperrt werden.

Verschiedene Arten von Kondensatoren

Es gibt viele verschiedene Arten von Kondensatoren, die unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben. Der Hauptunterschied besteht im Material für das Dielektrikum, was sich in der jeweiligen Bezeichnung widerspiegelt. In Bezug auf die Größe reichen Kondensatoren von winzigen oberflächenmontierten Bauelementen, die in Mobilgeräten verwendet werden, bis zu großen Hochstromgeräten, die in den größten industri-ellen Applikationen zum Einsatz kommen.

Kondensatoren lassen sich einteilen in elektrostatische und elektrolytische. Elek-trostatische Kondensatoren haben häufig einen geringen Widerstand und eine geringe Impedanz, während elektrolytische Kondensatoren den Vorteil höherer Kapazität bieten. Jedoch handelt es sich bei Letzteren um polarisierte Bauelemente – sie müssen somit in der richtigen Ausrichtung montiert werden. Bei elektrostatischen Kondensatoren hingegen spielt die Ausrichtung keine Rolle, was die Montage vereinfacht.

Elektrolytische Kondensatoren und ihre Anwendungen

• Tantalkondensatoren haben einen nie-drigen Ersatzserienwiderstand (ESR) und sind klein, wobei die Kapazität im Verhältnis zu ihrer Größe sehr hoch ist. Sie weisen eine gute thermische Stabilität auf, können aber teurer sein als andere Optionen. SMD-Tantalkondensatoren für die Oberflächenmontage werden häufig dort eingesetzt, wo Kapazitätswerte benötigt werden, die höher sind als die von Keramikkondensatoren.

• Aluminiumkondensatoren sind häufig kostengünstiger und können hohe Kapazitätswerte liefern. Sie eignen sich gut für Niederfrequenzanwendungen wie Stromversorgung und Entkopplung.

Elektrostatische Kondensatoren und ihre Anwendungen

• Keramikkondensatoren sind kostengünstig und zuverlässig und finden in vielen verschiedenen Bereichen breite Anwendung, insbesondere in Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCC-Kondensatoren).

• Folienkondensatoren bieten eine hervorragende Wärmestabilität und sind in der Regel kostengünstig. Sie eignen sich für verschiedene Anwendungen wie Filterung und Stromversorgung, insbesondere dort, wo Hochstrom verarbeitet werden muss.

In Bezug auf typische Applikationen eignen sich Tantal- und Aluminiumkondensatoren in der Regel gut als Filter in der elek-trischen Energietechnik und zur Energiespeicherung, wohingegen die elektrostatischen für Applikationen, etwa zur Abstimmung besser geeignet sind.

Das ist natürlich eine Verallgemeinerung: So eignen sich Folienkondensatoren ebenfalls gut als Filter in der elektrischen Energietechnik. Bei jeder Anwendung gilt es spezifische Anforderungen zu berücksichtigen, damit der richtige Kondensatortyp gewählt wird. Achten Sie neben den elektrischen Eigenschaften auch auf die physikalischen Eigenschaften der Kondensatoren, wie Größe, Temperaturverhalten und Lebensdauer. Die Zuverlässigkeit und die Stabilität der verschiedenen Bauelemente ändern sich im Verlauf des monate- oder jahrelangen Betriebs.

Das Angebot an Kondensatoren ist immens

Die Auswahl ist schier überwältigend – Mouser bietet beispielsweise über 450.000 Kondensatoren an, darunter Keramik-, MLCC-, Tantal-, Aluminium- und Folienkondensatoren sowie Kondensatoren aus organischen Materialien, Polymer und vieles mehr. Dabei hat Mouser Produkte von großen Herstellern wie AVX, KEMET, Murata, Nichicon, Panasonic und Vishay im Portfolio.

Neben den Haupttypen haben sich auch andere Kondensatortechnologien in einigen Nischenanwendungen durchgesetzt. Beispielsweise weisen Superkondensatoren kein herkömmliches Dielektrikum auf, sondern speichern elektrische Energie in einem Doppelschichtaufbau. Dies ermöglicht ihnen eine sehr hohe Kapazität, die bis zu 100-mal höher ist als bei anderen Kondensatoren. Somit können sie für Kurzzeit-Energiespeicherapplikationen verwendet werden, die schnelle Lade-/Entladezyklen anstelle von Akkus erfordern.

Herausforderungen aufgrund von Lieferengpässen

Obwohl Kondensatoren in enormen Stückzahlen hergestellt werden, leidet die Branche immer wieder unter Versorgungsproblemen. Insbesondere in den letzten Jahren kam es zu Engpässen bei Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCC-Kondensatoren). MLCC-Kondensatoren werden überall eingesetzt: Sie machen in vielen Produkten 30% der Komponenten aus. Die jährlichen Stücklistenkosten betragen mindestens 8 Mrd. US-Dollar.

Sehr hohe Nachfrage nach MLCC-Kondensatoren

Aktuell übertrifft die Nachfrage nach MLCC-Kondensatoren die Prognosen der Branche: Sie ist jährlich um rund 30% gestiegen. Dies ist auf das Wachstum in vielen Marktsegmenten und die gestiegene Nachfrage nach Produkten wie High-End-Smartphones zurückzuführen. Zulieferer konnten mit diesem Nachfrageschub nicht Schritt halten, da viele ihre Produktionskapazität auf andere Bauelemente verlagert haben, die sie für profitabler hielten. Dies hat zu Engpässen bei MLCC-Kondensatoren geführt, was längere Durchlaufzeiten und höhere Preise zur Folge hat.

Die Angebotsengpässe bei MLCC-Kondensatoren könnten sich im Laufe des nächsten Jahres verringern, aber möglicherweise noch über 2020 hinaus bestehen bleiben. Entwickler sollten somit andere Kondensatoroptionen in Betracht ziehen und ihre Leistungsmerkmale, Kosten, Größe und Zuverlässigkeit genau prüfen, um optimale Alternativen zu finden.

Gesucht: Alternativen für MLCC-Kondensatoren

Um diese Einschränkungen zu überwinden, suchen Produktentwickler zunehmend nach Alternativen für MLCC-Kondensatoren. Die wahrscheinlich erste Wahl sind oftmals Polymer-Elektrolytkondensatoren, die häufig als Drop-in-Ersatz verwendet werden können. Wenn eine Neukonstruktion der Schaltung erforderlich ist, können Polymer-Kondensatoren auch Kosten einsparen, da sie eine höhere Kapazität als MLCC-Kondensatoren derselben Größe aufweisen – so sind möglicherweise weniger Kondensatoren erforderlich.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind eine weitere Option. Sie bieten den Vorteil, dass sie für höhere Spannungen geeignet sind als MLCC-Kondensatoren. Tantalkondensatoren können ebenfalls eine gute Wahl sein, und sowohl Aluminiumelektrolyt- als auch Tantalkondensatoren sind normalerweise kostengünstig.

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Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2019 (Download PDF)

* Mark Patrick ist Mitarbeiter von Mouser Electronics.

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