Informations- und Kommunikationstechnik

Bauformen von Kondensatoren

Dem Verwendungszweck entsprechend werden Kondensatoren in den unterschiedlichsten Bauarten hergestellt. Man kann sie in eine große Gruppe der Kondensatoren mit fester Kapazität und in eine kleinere Gruppe mit variabler Kapazität einteilen. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal sind ungepolte Kondensatoren, deren Anschlussausrichtung beim Einbau in eine Schaltung nicht unbedingt beachtet werden muss. Diese Gruppe ist für jede Spannungsart geeignet. Diese Festkondensatoren werden hinsichtlich ihres Dielektrikums und dem damit in Verbindung stehenden Aufbau unterschieden.

Bei den gepolten Kondensatoren ist mindestens der eine Anschluss mit Minus besonders gekennzeichnet. Sie werden an reiner Wechselspannung zerstört. Sie eignen sich aber für Mischspannungen, solange der positive gegenüber dem als negativ markierten Anschluss im Schaltungsbetrieb immer ein positiveres Potenzial behält. Es handelt sich um die Gruppe der Aluminium-Elektrolytkondensatoren und verschiedene Varianten der Tantal-Elektrolytkondensatoren.

Eine Sonderform bilden die Doppelschichtkondensatoren, deren Innenaufbau auch nicht mehr dem herkömmlichen Prinzip gegeneinander isolierter Metallelektrodenbeläge entspricht. Sie werden auch als Superkondensatoren oder nach dem ersten Handelsnamen Goldcap-Kondensatoren bezeichnet.

Kondensatorbauformen

Dreh- und Trimmkondensatoren

Drehkondensatoren

Drehkondensatoren sind ungepolte Kondensatoren, deren Kapazität von den geometrischen Formen begrenzt kontinuierlich in einem bestimmten Bereich veränderbar ist. Sie werden immer dann eingesetzt, wenn in Mess- und Abstimmschaltungen auf bestimmte Frequenzwerte oder Frequenzverhalten hin abgeglichen und eingestellt werden muss. Bekannte Bauformen sind Drehkondensatoren und Trimmkondensatoren.

Drehkondensatoren bestehen aus zwei gegeneinander isolierten Metallplattenpaketen, Stator und Rotor genannt. Das Dielektrikum ist Luft, Glimmer oder Kunststofffolie. Die Flächen selbst sind meist kreisförmige Segmente. Ineinander gedreht erreicht der Kondensator seinen größte Kapazität, da die Fläche, zwischen der sich das elektrische Feld ausbildet, gerade dann maximal ist. Die Verlustfaktoren der Drehkondensatoren sind klein.

Trimmkondensatoren

Bei dieser Bauform wird zwischen Lufttrimmkondensatoren und Rohrtrimmkondensatoren unterschieden. Der Einstellbereich ist klein. Am Gerät sind sie nicht frei zugänglich, sondern werden nur beim Abgleich im Servicefall nachgestellt. Lufttrimmer gleichen in ihrem Aufbau miniaturisierten Drehkondensatoren. Sie können auch aus zwei konzentrisch lamellierten Blechzylindern bestehen, die sich auf einem Schraubengewinde mehr oder weniger ineinander drehen lassen.

Kondensatorbauformen

Keramische Rohrtrimmer besitzen als Außenbelag eine aufgepresste Metallhülse. Die Gegenelektrode ist eine Metallspindel. Beim Abgleich wird sie mehr oder weniger weit in die Keramikhülse hineingedreht. Bei den keramischen Scheibentrimmern ist eine drehbare Keramikscheibe auf einem Keramikträger montiert. Beide Keramikkörper sind im Arbeitsbereich einseitig teilversilbert. Durch das Übereinanderdrehen der metallisierten Bereiche wird die Kapazität eingestellt.

Nur einmal einstellbar sind selten zu findende Drahttrimmer. Ein Keramikrohr mit einem Innenbelag ist Außen mit einem blanken Draht umwickelt, dessen Windungen verlötet sind. Der Abgleich wird durch das Abziehen einzelner Windungen vorgenommen. Dadurch verringert sich die Kapazität. Die Änderung kann nicht rückgängig gemacht werden. Die Kapazitätswerte der Drahttrimmer liegen im Bereich einiger Picofarad (pF).

Folienkondensatoren

Metall-Papierfolien-Kondensator

Der Metall-Papierfolien-Kondensator ist ein ungepolter Kondensator. Das Dielektrikum zwischen zwei Aluminiumfolien besteht aus einem mit Isolieröl oder Vaseline präparierten Spezialpapier. Sie sind zusammen zu einem Wickel aufgerollt und im Anschluss im Vakuum nochmals in Öl getaucht. Der Block wird danach luftdicht in einen Metall-, Keramik- oder Hartpapierbecher eingegossen. Die äußere Aluminiumfolie umschließt den Wickel wie eine Abschirmung. Dieser Anschluss ist am Gehäuse durch einen aufgedruckten Strich gekennzeichnet. Eingebaut in einer Schaltung sollte der so gekennzeichnete Anschluss niederohmig zur Schaltungsmasse liegen.

Die Spezialpapiere sind sehr gute Isolatoren mit einem Permittivitätswert um 5. Der Isolationswert liegt bei τ = 2000 MΩ·μF. Der Verlustfaktor bei 800 Hz hat einen Wert von tanδ = 0,02. Metall-Papierfolien- (P) und metallisierte Papierfolien- (MP) Kondensatoren werden in Niederfrequenzschaltungen und überall dort verwendet, wo eine Änderung der Kapazität infolge Alterung und bei Temperaturwechsel wenig Einfluss hat. Im Hochfrequenzbereich und für hohe Spannungen sind MP-Kondensatoren nicht geeignet.

Metallpapier - MP-Kondensatoren

Auf nicht gölte Kondensatorspezialpapiere kann eine sehr dünne Aluminiummetallschicht aufgedampft oder aufgepresst werden. Die Dicke der Aluminisierung beträgt um 0,1 ... 1μm. Die Wickel aus zwei dieser metallisierten Papierfolien, MP-Folien, werden anschließend in Kunstharz vergossen oder in verlöteten Metallbechern eingebaut. MP-Kondensatoren sind bei gleicher Kapazität kleiner als Papier-Folien-Kondensatoren. Beide Typen haben vergleichbare Kennwerte.

MP-Kondensatorbauformen

MP-Kondensatoren besitzen einen Selbstheilungseffekt. Kommt es während des Betriebs zum Isolationsdurchschlag, dann brennt an dieser Stelle die Aluminisierung weg. Zwischen den Belägen entsteht somit kein dauerhafter Kurzschluss und der MP-Kondensator bleibt betriebsbereit. Der Vorgang wird als Selbstheilung bezeichnet und benötigt eine bestimmte Energie. Einfache Isolationsdurchschläge lassen sich mit einer Ladespannung von 20 V reparieren.

Eingesetzt werden MP-Kondensatoren in RC-Gliedern und zur Glättung welliger Gleichspannung. In der Starkstromtechnik findet man sie in Kompensationsschaltungen in Verbindung mit Induktivitäten und zur Phasenverschiebung bei Motoren. Für hohe Frequenzen sind MP-Kondensatoren ungeeignet.

Kunststofffolien-Kondensatoren

Bei diesen ungepolten Kondensatoren wird zwischen zwei Bauformen unterschieden. Metallfolienkondensatoren sind aus separaten übereinandergelegten Metallfolien und Kunststofffolien als Dielektrikum gerollt. In der zweiten Variante werden metallisierte Kunststofffolien aufgerollt. Kunststofffolien sind dünner als Papierfolien und besitzen höhere Permittivitätswerte. Es lassen sich Folienstärken bis herab zu 1μm fertigen, die Kondensatoren mit einem hohen Kapazitäts-/Volumenverhältnis ermöglichen.

Die durchschnittlichen Isolationswerte liegen bei τ = 2000 MΩ·μF und die Verlustfaktoren bei 800 Hz sind mit tanδ ≈ 0,001 niedrig. Kondensatoren dieses Typs weisen eine hohe Spannungs- und Impulsfestigkeit auf. Die Permittivitäten der Dielektrika zeigen einen linearen Temperaturverlauf und sind nur gering von der Temperatur abhängig.

Styroflex-Kondensatoren

Styroflex-Kondensatoren sind ungepolte Kondensatoren, die aus Polystyrolfolie oder metallisierter Folie hergestellt werden. Zum Fertigungsabschluss werden die Kondensatoren durch einen Wärmeprozess geschrumpft. Der Wickel wird dabei gegen mechanische Veränderungen unempfindlich und der Kondensator erhält eine hohe Kapazitätskonstanz. Das Polystyrol hat die besten Isolations- und Verlustfaktoren, eignet sich aber nicht für den Einsatz bei erhöhten Betriebstemperaturen.

MK-Kondensatoren

Die metallisierten Kunststofffolien-Kondensatoren, MK-Kondensatoren, besitzen wie die MP-Kondensatoren selbstheilende Eigenschaften. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Folien der K- und MK-Kondensatoren mit Kennwerten und den gebräuchlichen Einsatzbereichen aufgezeigt.

Normbezeichnung Kunststofftyp Isolationswert
in MΩ×μF
Verlustfaktor
tan δ
Einsatzbereich
KT-(KH)-Kondensator Polyethylen-
terephthalat Hostaphan(T)
106 10−3 NF-Bereich bis 400V−
KC-(KM)-Kondensator Polycarbonat
Makrofol (C)
106 10−3 NF-Bereich bis 630V−
KP-Kondensator Polypropylen
Hostalen (P)
106 10−3 NF-Bereich, Impulsbetrieb
HF-Filter bis 630V−
MKU-(MKL)-Kondensator Celluloseacetat
Trolit (U)
107 10−3 NF-Bereich bis 250V−
MKT-(MKH)-Kondensator Polyethylen-
terephthalat Hostaphan (T)
107 10−3 NF-Bereich bis 10kV−
MKC-(MKM)-Kondensator Polycarbonat
Makrofol (C)
107 10−3 NF-Bereich bis 250V−
KS-(KY)-Kondensator
MKS-(MKY)-Kondensator
Polystyrol
Styroflex (S)
109 ... 1010 10−4 ... 10−3 Oszillatoren
HF-ZF Filter bis 630V−

Die aufgerollten Elektrodenfolien bewirken parasitäre Induktivitäten, die den Verlustfaktor vergrößert. Werden die Elektrodenfolien gegeneinander versetzt aufgerollt und an den Stirnseiten kontaktiert dann fließt der Verschiebestrom nicht mehr längs, sondern quer durch den Kondensator. Die Induktivität verringert sich und die Güte des Kondensators verbessert sich wesentlich.

Bauprinzip von Roll-/Wickelkondensatoren

In eigenen Kapiteln werden ausführlichere Informationen zu den hier nicht aufgeführten Bauformen und ihre Eigenschaften gegeben.