Kunststoff-Folienkondensator

Kunststoff-Folienkondensatoren, auch nur „Folienkondensatoren“ oder kurz „Folkos“ genannt, sind elektrische Kondensatoren mit hochwertig isolierenden Kunststofffolien als Dielektrika. Die Kunststoffe stammen aus dem Bereich der organischen Chemie und sind in speziellen Verfahren zu extrem dünnen Folien gezogen. Kunststoff-Folienkondensatoren sind meist als Wickelkondensatoren mit einem Wickel in der Baugröße des späteren Kondensators hergestellt, können aber auch aus Teilsegmenten ausgeschnittener Folienstapel aus einem Großwickel bestehen.

Die hier beschriebenen Kunststoff-Folienkondensatoren sind nur für Anwendungen in der Elektronik vorgesehen. Vom Aufbau her können auch Entstörkondensatoren und ein Teil der Leistungskondensatoren der Familie der Kunststoff-Folienkondensatoren zugeordnet werden. Da aber diese beiden Kondensatorarten sowohl in der Normung als auch in ihren Applikationen besondere Sachgebiete abdecken, werden diese Kondensatoren nicht hier sondern in eigenen Artikeln gesondert beschrieben.

Aufbau und Herstellung

Zunächst werden bei den Kunststoff-Folienkondensatoren aufgrund unterschiedlicher Elektrodenkonstruktionen zwei Arten von Kondensatoren unterschieden:

Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallbelägen: wobei mit „Metallbelägen“ Metallfolien gemeint sind, die auf den Isolierfolien liegen und die die Elektroden des Kondensators bilden. Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallbelägen besitzen eine sehr hohe Stromimpulsbelastbarkeit.
Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren: in denen die Isolierfolien mit einer oder mehreren Metallisierungen, meist Aluminium, als Elektroden versehen sind. Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren besitzen selbstheilende Eigenschaften.

Wickel eines Kunststoff-Folienkondensators mit Blick auf eine „schoopierte“ Stirnfläche und dem angelöteten Anschluss

Zum eigentlichen Aufbau: Kunststoff-Folienkondensatoren bestehen üblicherweise aus zwei metallisierten oder mit Metallfolien belegten Kunststofffolien. Da die Kapazität eines Kondensators umso größer ist, je dünner das Dielektrikum ist, werden die Folien mit entsprechenden Verfahren so dünn gezogen, wie es technisch machbar ist und die gewünschte Spannungsfestigkeit des späteren Kondensators es zulässt. Die auf den Kunststofffolien liegenden Metallfolien bzw. die Metallisierungen, die beiden Elektroden des Kondensators, liegen leicht versetzt gegeneinander auf den Folien. Die Folien werden zu einem Wickel gerollt, dabei ragt durch die versetzte Anordnung der Elektroden jeweils eine Kante der Metallfolie oder der Metallisierung aus einer der beiden Seitenflächen (Stirnflächen) des Wickels heraus. Die herausragenden Elektroden werden mit einem nach Max Schoop genannten Verfahren mit Zinn, Zink oder Aluminium metallisiert (schoopiert), also elektrisch kontaktiert. Dabei wird das Kontaktmetall verflüssigt und unmittelbar mit Hilfe von Pressluft als fein verteilter Nebel auf die jeweilige Stirnfläche des Kondensators aufgesprüht. An diese Kontaktschicht werden die Anschlüsse angelötet. Zum erhöhten Schutz gegen Umwelteinflüsse kann der Wickel noch mit geeigneten Materialien imprägniert werden. Danach wird die Kondensatorzelle in das gewünschte Gehäuse gebracht oder mit einer Schutzlackierung versehen. Aus Gründen der geringeren Herstellkosten kommen aber auch Folienkondensatoren ohne weitere Umhüllung des Wickels zum Einsatz.

Schematische Darstellung des Fertigungsprozesses zur Herstellung von Metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren mit tauchlackierter Umhüllung

Die Wickel der Folienkondensatoren werden üblicherweise in der Form und der Größe des späteren Kondensators hergestellt. Eine weitere Herstellmöglichkeit besteht darin, den Wickel auf einen Kern mit einem großen Durchmesser zu wickeln und daraus einzelne Segmente herauszusägen. Dieser Fertigungsprozess erlaubt bei metallisierten Kunststofffolien die preiswerte Herstellung sogenannter Mehrschichtkondensatoren oder auch „stacked“ Folienkondensatoren genannt, wobei das durch das Sägen zerstörte Gefüge an den Schnittflächen im Laufe der weiteren Fertigung ausgeheilt wird.

Durch die Kontaktierung der Elektroden an den Stirnflächen des Kondensatorwickels wird die gesamte Stromzuführung zu den beiden Elektroden sehr kurz gehalten. Es werden gewissermaßen eine Vielzahl von Einzelkondensatoren parallel geschaltet. Dadurch werden die internen ohmschen Verluste reduziert. Ebenfalls reduziert wird dadurch auch die parasitäre Induktivität des Kondensators. Kunststoff-Folienkondensatoren haben deshalb schon von ihrem Aufbau her sehr geringe ohmsche Verluste und eine sehr niedrige parasitäre Induktivität, wodurch sie speziell für Applikationen mit sehr niedrigen ohmschen Verlusten, für Anwendungen im höheren Frequenzbereich oder für steile Impulsflanken bzw. hohe Impulsstrombelastbarkeit geeignet sind.

Konstruktive Möglichkeiten zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit

Technisch ergibt sich die Spannungsfestigkeit von Kunststoff-Folienkondensatoren zunächst einmal aus der Dicke der Kunststofffolie, dem Dielektrikum. Beispielsweise reicht die minimal verfügbare Folienstärke von 0,7 µm bei Polyesterfolien aus, um Kondensatoren mit der Nennspannung von 400 VDC herzustellen. Werden höhere Nennspannungen benötigt, so wird man normalerweise eine dickere Folie verwenden. Aus Gründen der Verfügbarkeit, der Lagerhaltung und der vorhandenen Verarbeitungsmöglichkeiten kann es aber sinnvoll sein, die höhere Spannungsfestigkeit unter Verwendung des vorhandenen Folienmaterials zu erzeugen. Das kann man erreichen, indem man durch partielle Metallisierung der Isolierfolien eine interne Serienschaltung von miteinander verbundenen Einzelkondensatoren erzeugt. Die Spannungsfestigkeit des Kondensators steigt, weil sich die Gesamtspannung aus der Anzahl mehrerer Einzelspannungen ergibt.

Beispiele für konstruktive Maßnahmen bei metallisierten Folienkondensatoren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit durch partielle Metallisierung der Isolierfolie

Konstruktive Möglichkeiten zur Erhöhung der Impulsfestigkeit

Eine wichtige Eigenschaft von Kunststoff-Folienkondensatoren ist die Fähigkeit, hohen Spannungs- bzw. Stromimpulse aufnehmen oder abgeben zu können. Dazu gehört, dass alle konstruktiven Teile des Folienkondensators den auftretenden Spitzenstrom bis zu einer zulässigen internen Temperaturerhöhung vertragen können. Hier sind die Kontaktbereiche der Schoopierung mit den Elektroden als eine Begrenzung der Stromtragfähigkeit zu sehen. Diese Kontaktierung besteht letztendlich aus einer Vielzahl punktförmiger Kontakte, die einzeln gesehen jeweils eine Engstelle für den Strom darstellen. Bei Stromfluss wird in diesen Kontaktpunkten der Strom in Wärme umgesetzt, die punktuell so hohe Temperaturen erreichen kann, dass es zu einem Abbrennen des Kontaktes führen kann. Eine zweite Begrenzung der Stromtragfähigkeit ist in der Dicke der Elektroden zu sehen. Bei metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren, die mit Schichtstärken von 0,02 bis 0,05 μm arbeiten, wird die Stromtragfähigkeit auch durch diese dünnen Schichten begrenzt.

Auf der anderen Seite verdanken die Folienkondensatoren ihrem Aufbau sowieso schon eine im Vergleich zu anderen Kondensatortechnologien hohe Impulsfestigkeit. Durch die Wickel bzw. Schichttechnik werden die Elektroden an den Stirnflächen des Wickelpaketes über die Schoopierung kontaktiert. Dadurch wird gewissermaßen eine große Anzahl von Einzelkondensatoren parallel geschaltet; auch ihre ohmschen und induktiven Verluste, die sich im ESR und im ESL niederschlagen, werden parallel geschaltet. Die gesamten ohmschen Kondensatorverluste sinken ab, auch die Induktivität, die die Anstiegsgeschwindigkeit eines Impulses mit beeinflusst, wird kleiner.

Konstruktiv kann durch verschieden Maßahmen die Impulsfestigkeit von Kunststoff-Folienkondensatoren beeinflusst werden. Neben der einfachen Ausführung eines einseitig metallisierten Folienkondensators, der gegenüber anderen Kondensatortechnologien schon eine recht hohe Impulsbelastbarkeit aufweist, können die Folien auch doppelseitig metallisiert werden. Diese Maßnahme erhöht die Impulsbelastbarkeit erheblich. Die höchste Impulsbelastbarkeit haben aber die Folienkondensatoren, deren Elektroden aus Metallbelägen gebildet werden. Der Aufbau eines Kunststoff-Folienkondensators mit Metallbelägen ist allerdings vom Preis her die teuerste dieser Lösungen.

Beispiele für konstruktive Maßnahmen bei Folienkondensatoren zur Erhöhung der Impulsbelastbarkeit

Selbstheilung von metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren

Stark vereinfachte schematische Darstellung der Selbstheilung bei einem punktuellen Kurzschluss zwischen metallisierten Kunststofffolien

Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren. sind selbstheilend, d. h., bei einem punktuellen Kurzschluss zwischen den metallisierten Elektroden verdampft infolge hoher Lichtbogentemperatur das Dielektrikum in der Durchschlagstelle und die aufgedampften Metallbelege, die nur eine Stärke von etwa 0,02 bis 0,05 μm haben, in der Umgebung der Durchschlagsstelle. Die Kurzschlussursache wird förmlich weggebrannt, wobei der entstehende Dampfdruck den Lichtbogen des Kurzschlusses auch noch ausbläst. Die Eigenschaft der Selbstheilung gestattet ein einlagiges Wickeln der metallisierten Folien ohne zusätzlichen Schutz gegen Fehlstellen und führt dadurch zur Verringerung des benötigten Bauvolumens. Die Fähigkeit metallisierter Kunststofffolien zur Selbstheilung wird während des Herstellprozesses dieser Kondensatoren mehrfach ausgenutzt. So werden nach dem Zuschneiden der metallisierten Folien auf die gewünschte Breite eventuell entstandene Fehlstellen durch Anlegen einer geeigneten Spannung schon vor dem Wickeln ausgebrannt (geheilt) und auch nach dem Schoopieren werden eventuell entstandene Fehlstellen im Kondensator mit der gleichen Methode ausgeheilt.

Die durch die Selbstheilung entstandenen „Löcher“ in der Metallisierung mindern die Kapazität des Kondensators. Die Größenordnung dieser Minderung ist allerdings recht gering, selbst bei einigen Tausend ausgebrannten Fehlstellen wird diese Minderung meist deutlich kleiner als 1 % der Gesamtkapazität sein.

Materialien

Kunststoff-Folienkondensatoren werden meist nur mit einem Folienmaterial als Dielektrikum hergestellt. Hierbei haben sich einige Kunststoffe besonders bewährt. Die nachfolgende Tabelle benennt die heutzutage am meisten verwendeten Kunststoffe für Folienkondensatoren.

Materialnamen von Kunststofffolien – Kurzbezeichnungen und Markennamen
Dielektrikum	Chemische Kurzbezeichnung	Markenname
Polyethylenterephthalat, Polyester	PET	Hostaphan, Mylar®
Polyethylennaphthalat	PEN	Kaladex
Polyphenylensulfid	PPS	Tedur®, Ryton
Polypropylen	PP	Hostalen, Trespaphan
Polytetrafluorethylen	PTFE	Teflon®
Polystyrol	PS	Styroflex
Polycarbonat	PC	Makrofol

Die am häufigsten verwendeten Kunststofffolien sind Polyethylenterephthalat, (Polyester), Polyethylennaphthalat, Polyphenylensulfid und Polypropylen. Polytetrafluorethylen-Folienkondensatoren werden nur für spezielle Hochtemperaturanwendungen hergestellt. Kunststoff-Folienkondensatoren mit Polycarbonatfolie werden nur noch von wenigen, meist amerikanischen Herstellern hergestellt. Polystyrol-Folienkondensatoren sind weitgehend durch Polyester-Folienkondensatoren abgelöst worden.

Zur Erzielung spezieller Eigenschaften der Kondensatoren können aber auch sogenannte Mischdielektrika eingesetzt werden. Dann besteht das Dielektrikum aus zwei oder noch mehr unterschiedlichen Materialien, die übereinandergelegt gewickelt werden.

Bauformen

Kunststoff-Folienkondensatoren werden in den in der Industrie üblichen Bauformen hergestellt. Aus der Historie kommend ist die axiale Bauform heutzutage nur noch selten anzutreffen. Am häufigsten findet man auch heute noch die radiale Bauform mit einseitig herausgeführten Lötanschlüssen. Bedingt durch die Bestückungstechnik mit ihren genormten Lochabständen (Rastermaßen) werden radiale Kunststoff-Folienkondensatoren üblicherweise für diese genormten Rastermaße, beginnend mit 2,5 mm Abstand der Anschlüsse voneinander, hergestellt. Man bekommt diese radialen Kondensatoren in gebecherter Ausführung, d. h., der Wickel ist in einem Plastikbecher eingebaut und vergossen und dadurch weitgehend gegen Feuchteeinflüsse geschützt sowie standfest einzubauen als auch in lackierter Ausführung und auch als sogenannte „Nacktwickel“ ohne zusätzlichen Schutz. Letztere Version wird aus Gründen niedrigerer Kosten in Geräten mit geringen Umwelteinflüssen eingesetzt.

Kunststoff-Folienkondensatoren gibt es auch als Bauelemente für Oberflächenmontage (engl. „Surface Mounted Device“). Diese „SMD-Folienkondensatoren“, bei denen anstelle der Anschlussdrähte flächenhafte Anschlüsse den Folienwickel kontaktieren, werden auch für die erhöhten Lötbedingungen einer bleifreien Lötung angeboten.

Darüber hinaus werden Kunststoff-Folienkondensatoren auch mit speziellen Anschlüssen geliefert. Beispielsweise die sogenannten „Snubber“-Kondendensatoren, bei denen die Stromtragfähigkeit der Anschlüsse den recht hohen Stromimpulsen bei der IGBT-Beschaltung gewachsen sein muss.

Bauformen von Kunststoff-Folienkondensatoren
SMD-Bauform, Folienkondensator für die Oberflächenmontage.
Axiale Bauform, Folienkondensatoren für liegende Montage.
Radiale Bauform, Folienkondensatoren mit Lötanschlüssen in Rastermaßabständen für stehende Montage.
Spezielle Bauform bei „Snubber“-Kondensatoren mit Anschlüssen für höchste Strombelastbarkeit.

Die Bilder der Bauformen zeigen nur Kunststoff-Folienkondensatoren für Elektronikschaltungen und für elektrische Schaltungen kleinerer Leistung. Entstörkondensatoren und Leistungskondensatoren für energietechnische Anwendungen werden hier nicht gezeigt.

Geschichte

Kunststoff-Folienkondensatoren sind eine Weiterentwicklung geschichteter oder gewickelter und imprägnierter Papierkondensatoren mit Metallfolienbelägen oder metallisierten Papierfolien. Papierkondensatoren wurden seit 1876 bzw. 1900 hergestellt und fanden in der beginnenden Kommunikationstechnik (Telefonie) als sogenannte Blockkondensatoren Verwendung. Als Metall-Papier-Kondensatoren (MP-Kondensatoren) sind diese Kondensatoren auch heute noch in Funkentstörkondensatoren oder in der Leistungselektronik zu finden.

Mit der Entwicklung von Kunststoffen in der organischen Chemie begann die Kondensatorindustrie, nach dem Zweiten Weltkrieg das Papier in den Papierkondensatoren durch dünnere und spannungsfestere Kunststofffolien zu ersetzen. Die Kunststoffe Polyester (PET) und Polypropylen (PP) beispielsweise wurden zu Beginn der 1950er Jahre erstmals in großen Mengen hergestellt, Polycarbonat (PC) folgte 1953. Die Einführung der Kunststoffe in Kunststoff-Folienkondensatoren erfolgte etwa in der Reihenfolge Polystyrol, Polyester, Celluloseacetat (CA), Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polyparaxylylen, Polypropylen, Polyethylennaphthalat und Polyphenylensulfid (Roe-22-79). Bis zur Mitte der 1960er Jahre hatte sich bereits eine breite Palette von unterschiedlichen Kunststoff-Folienkondenstoren entwickelt, die von vielen Herstellern angeboten wurden. Hier waren speziell Hersteller im deutschen Sprachraum wie WIMA, Roederstein, Siemens und Philips Trendsetter und führend auf dem Weltmarkt.

Einer der großen Vorteile der Kunststofffolien für die Kondensatorfertigung war, dass sie erheblich weniger Fehlstellen im Material als die Kondensatorpapiere der Papierkondensatoren hatten. Dadurch konnten Kunststoff-Folienkondensatoren mit nur einer Lage Kunststofffolie gewickelt werden. Papierkondensatoren benötigten dahingegen immer eine doppellagige Papierwicklung. Kunststoff-Folienkondensatoren hatten daher von Anfang an deutlich kleinere Abmessungen bei gleichem Kapazitätswert und gleicher Spannungsfestigkeit als Papierkondensatoren.

Eine Besonderheit bei der Entwicklung von Kunststoff-Folienkondensatoren waren die Celluloseacetat-Folienkondensatoren, auch MKU-Kondensatoren genannt. Der polare Isolierstoff Celluloseacetat, ein Kunstharzlack, konnte für metallisierte Lack-Kondensatoren in Schichtdicken bis etwa 3 µm hergestellt werden. Dies war eine Möglichkeit, die Dicke des Dielektrikums gegenüber anderen Kunststoff-Folienkondensatoren herabzusetzen, um zu kleineren Bauformen zu kommen. Der Lack wurde dazu zunächst auf eine Trägerschicht aus Papier aufgebracht, dann metallisiert und danach beim Wickeln von der Trägerfolie abgezogen. Mit dieser dünnen Schichtdicke, die seinerzeit von den anderen Kunststofffolien nicht erreicht wurde, konnten Folienkondensatoren mit einer damals sehr hohen spezifischen Kapazität hergestellt werden. Das Resultat war eine seinerzeit relativ kleine Bauform, deren Spannungsfestigkeit mit 63 V allerdings auch recht gering war. CA-Folienkondensatoren werden nicht mehr hergestellt, weil Polyester-Folienkondensatoren inzwischen in kleineren Bauformen hergestellt werden können.

Die neuen Kunststoffe zeigten außerdem im Langzeitverhalten keine Anzeichen von chemischen Veränderungen, boten also eine hervorragende Langzeitstabilität der elektrischen Eigenschaften. Außerdem wiesen die neuen Kunststoffe geringere hygroskopische Eigenschaften als Papier auf, wodurch auch die Gehäuse der Kondensatoren aus den neuen, preiswerten Kunststoffmaterialien anstelle teurerer Metallbecher hergestellt werden konnten.

Die damals neuen Kondensatoren boten aber auch einige Verbesserungen gegenüber anderen Kondensatortechnologien. Sie erwiesen sich als hoch belastbar und unempfindlich gegenüber Stromimpulsen, speziell die Ausführungen mit Metallbelägen. Einige Folienarten eigneten sich wegen ihrer geringen und nahezu linearen elektrischen Verluste über einen sehr breiten Frequenzbereich auch für Schwingkreisanwendungen. Beides war vorher nur mit Keramikkondensatoren möglich. Für einfache Siebschaltungen boten außerdem speziell die Polyester-Kondensatoren preiswerte Lösungen mit hoher Langzeitstabilität, wodurch kleinere Elektrolytkondensatoren ersetzt werden konnten.

Aus den einfachen Anfängen hat sich heute eine sehr breite und hochspezialisierte Palette von Kunststoff-Folienkondensatoren entwickelt, die in bedrahteter Technik gleichwertig neben den beiden anderen großen Kondensatortechnologien, den Keramik- und den Elektrolytkondensatoren steht und die in Hinsicht auf Konstanz der elektrischen Werte, der Güte und der Sicherheit in vielen Bereichen Applikationen erfüllt, die mit den anderen Technologien nicht oder nur schwer zu erfüllen sind.

Auch hinsichtlich der Miniaturisierung haben sich bei den Folienkondensatoren erhebliche Fortschritte gegenüber dem Beginn der Folientechnik ergeben. Durch Entwicklung immer dünnerer Kunststofffolien konnte in den letzten 20 Jahren zum Beispiel eine Erhöhung eines gegebenen Kapazitäts-/Spannungswertes eines metallisierten Polyester-Folienkondensators bei gleichen Abmessungen um den Faktor 10 erreicht werden.

Aber insbesondere in dem Bereich, in dem höhere Leistungen auftreten, z. B. in elektrischen Anlagen, besitzen Kunststoff-Folienkondensatoren, hier „Leistungskondensatoren“ genannt, mit Spannungsfestigkeiten von mehreren Kilovolt als Substitution von MP-Kondensatoren ihren festen Platz.

Heutzutage werden im Wesentlichen nur noch fünf Kunststoffe in der Kondensatorindustrie als Folien für Kondensatoren eingesetzt: PET, PEN, PP, PPS und vereinzelt PTFE. Die übrigen Kunststoffe sind nicht mehr gebräuchlich, weil sie entweder vom jeweiligen Hersteller nicht mehr hergestellt werden oder durch bessere Materialien ersetzt wurden. Auch die lange Zeit weit verbreiteten Folienkondensatoren mit Polystyrol- und Polycarbonatfolien sind heutzutage weitgehend durch die oben genannten Folienarten ersetzt worden.

Eigenschaften der Kunststofffolien

Die elektrischen Eigenschaften, das Temperatur- und Frequenzverhalten von Kunststoff-Folienkondensatoren werden im Wesentlichen von der Foliensorte bestimmt, die das Dielektrikum des Kondensators bildet. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Materialeigenschaften der wichtigsten heutzutage verwendeten Kunststofffolien aufgelistet. Eigenschaften für Mischdielektrika können hier naturgemäß nicht gelistet werden.

Die Angaben in dieser Tabelle stammen von diversen unterschiedlichen Herstellern und gelten für Kunststoff-Folienkondensatoren für elektronische Anwendungen. Elektrische Werte von Leistungskondensatoren wurden nicht mit berücksichtigt. Die große Streubreite der Werte für den Verlustfaktor umfasst sowohl typische als auch maximale Angaben in den Datenblättern der unterschiedlichen Hersteller.

Materialeigenschaften von Kunststofffolien und Eigenschaften der damit hergestellten Folienkondensatoren
		Folienmaterial
Folienkurzbezeichnung		PET	PEN	PPS	PP
Dielektrizitätszahl bei 1 kHz		3,3	3,0	3,0	2,2
Min. Foliendicke in µm		0,7	0,9	1,2	3,0
Feuchteabsorbtion in %		gering	0,4	0,05	<0,1
Durchschlagsfestigkeit in V/µm		580	500 (?)	470	650
Typ. Nennspannungsbereich (V_DC) in V		50…1000	16…250	16…100	40…2000
Typ. Kapazitätsbereich		100 pF...22 µF	100 pF...1 µF	100 pF...0,47 µF	100 pF...10 µF
Max. Betriebstemperatur in °C		125 / 150	150	150	105
ΔC/C über Temperaturbereich in %		±5	±5	±1,5	±2,5
Verlustfaktor (·10^-4)	bei 1 kHz	50…100	42…80	2…15	1…5
	bei 10 kHz	110…150	54…150	2,5…25	2…8
	bei 100 kHz	170…300	120…300	12…60	2…25
	bei 1 MHz	200…350	-	18…70	4…40
Zeitkonstante R_Iso·C in s	bei 25 °C	≥10.000	≥10.000	≥10.000	≥100.000
Zeitkonstante R_Iso·C in s	bei 85 °C	1.000	1.000	1.000	10.000
Dielektrische Absorbtion in %		0,2…0,5	1…1,2	0,05…0,1	0,01…0,1
Max. spez. Kapazität in nF·V/mm³		400	250	140	50

Polyester-Folienkondensator

Der Polyester-Folienkondensator ist ein Kunststoff-Folienkondensator mit dem thermoplastischen, polaren Kunststoff Polyethylenterephtalat (PET) aus der Familie der Polyester als Dielektrikum.

Polyester-Folienkondensatoren sind preiswerte Massenkondensatoren in der modernen Elektronik und besitzen relativ kleine Abmessungen bei vergleichsweise hohen Kapazitätswerten. Sie werden überwiegend für Gleichspannungsanwendungen eingesetzt.

Die Temperaturabhängigkeit der Kapazität von Polyester-Folienkondensatoren ist mit ±5 % über den gesamten Temperaturbereich im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren relativ hoch. Auch die Frequenzabhängigkeit der Kapazität der Polyester-Folienkondensatoren liegt mit −3 % im Bereich von 100 Hz bis 100 kHz im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren an der oberen Grenze. Ebenfalls bei der Temperatur- und Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors haben Polyester-Folienkondensatoren im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren höhere Abweichungen. Dafür können aufgrund der höheren Dielektrizitätszahl und der höheren Spannungsfestigkeit der Polyesterfolie kleinere Bauformen bei gegebener Kapazität und Nennspannung realisiert werden.

Die Polyesterfolie eignet sich gleichermaßen für Folienkondensatoren mit Metallbelägen als auch für die Metallisierung. Sie nimmt kaum Feuchte auf und ist bei milden Klimabedingungen deshalb auch für Bauformen geeignet, die ohne zusätzliche Umhüllung auskommen. Metallisierte Polyester-Folienkondensatoren werden sowohl als Wickelkondensatoren als auch als Schichtkondensatoren (engl. stacked film capacitors), die aus einem Großwickel herausgesägt wurden, hergestellt.

Polyethylennaphthalat-Folienkondensator

Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem biachsig ausgerichteten thermoplastischen Isolierstoff Polyethylennaphthalat (PEN) als Dielektrikum. Polyethylennaphthalat gehört ebenfalls in die Familie der Polyester mit großer chemischer Ähnlichkeit zu Polyethylenterephtalat (PET), besitzt aber eine höhere Temperaturfestigkeit.

Die PEN-Folienkondensatoren haben bei der Temperatur- und Frequenzabhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors ähnliche elektrische Eigenschaften wie die PE-Folienkondensatoren. Wegen der kleineren Dielektrizitätszahl und der geringeren Spannungsfestigkeit der PEN-Folie weisen die PEN-Folienkondensatoren bei gegebenem Kapazitäts- und Nennspannungswert jedoch größere Bauformen auf. Aus diesem Grunde werden PEN-Folienkondensatoren bevorzugt dann eingesetzt, wenn die Temperaturbelastung im Betrieb der Kondensatoren dauerhaft über 125 °C liegt. Sie werden hauptsächlich für Siebung, Kopplung und Entkopplung in elektronischen Schaltungen eingesetzt. Durch die hohe Temperaturfestigkeit sind PEN-Folienkondensatoren auch gut geeignet für Bauformen für die Oberflächenmontage.

Polyphenylennaphthalat-Folienkondensatoren mit Metallbelägen werden nicht hergestellt.

Polyphenylensulfid-Folienkondensator

Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem teilkristallinen und hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff Polyphenylensulfid (PPS) als Dielektrikum.

Die Temperaturabhängigkeit der Kapazität von PPS-Folienkondensatoren ist mit ±1,5 % über den gesamten Temperaturbereich im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren sehr klein. Auch die Frequenzabhängigkeit der Kapazität der PPS-Folienkondensatoren ist mit ±0,5 % im Bereich von 100 Hz bis 100 kHz im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren sehr gering. Der Verlustfaktor von PPS-Folienkondensatoren ist recht klein und die Temperatur- und Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors ist über einen weiten Bereich nahezu gleich null, d. h. sehr stabil. Lediglich bei Temperaturen oberhalb 100 °C steigt der Verlustfaktor stärker an.

Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren eignen sich gut für Anwendungen in frequenzbestimmenden Kreisen. Wegen ihrer guten elektrischen Eigenschaften sind PPS-Folienkondensatoren ein idealer Ersatz für Polycarbonat-Folienkondensatoren, deren Herstellung seit dem Jahre 2000 weitgehend eingestellt wurde.

Neben den sehr guten elektrischen Eigenschaften können PPS-Folienkondensatoren auch Temperaturen bis 270 °C ohne Beeinträchtigung der Folienqualität überstehen, so dass PPS-Folienkondensatoren auch für SMD-Bauformen, die die erhöhten Reflow-Löttemperaturen der RoHS-konformen bleifreien Lötung überstehen, geeignet sind.

Polyphenylensulfid-Folienkondensatoren mit Metallbelägen werden nicht hergestellt.

Polypropylen-Folienkondensator

Polypropylen-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem teilkristallinen, unpolaren thermoplastischen Isolierstoff Polypropylen (PP) aus der Familie der Polyolefine als Dielektrikum.

Die Polypropylen-Folienkondensatoren weisen eine recht geringe Temperatur- und Frequenzabhängigkeit der elektrischen Parameter auf. Die Temperaturabhängigkeit der Kapazität von PP-Folienkondensatoren ist mit ±2,5 % über den gesamten Temperaturbereich im Vergleich mit den anderen Folienkondensatoren recht gering. Bei dem Vergleich der Frequenzabhängigkeit der Kapazität der PP-Folienkondensatoren ist diese mit ±0,3 % im Bereich von 100 Hz bis 100 kHz und ±1 % im Bereich von 100 Hz bis 1 MHz zu den anderen Folienkondensatoren am geringsten. Auch der Verlustfaktor von PP-Folienkondensatoren ist kleiner als derjenige der anderen Folienkondensatoren und die Temperatur- und Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors ist über einen weiten Bereich nahezu gleich null, d. h. sehr stabil. Deshalb sind Polypropylen-Folienkondensatoren geeignet für Anwendungen in frequenzbestimmenden Kreisen, Filtern, Oszillatorschaltungen, Audioschaltungen und Zeitgliedern und für Anwendungen im Bereich hoher Frequenzen. Sie sind für diese Präzisionsanwendungen in sehr engen Kapazitätstoleranzen lieferbar.

Aufgrund des im Vergleich zu anderen Kunststofffolien niedrigen Verlustfaktors auch bei sehr hohen Frequenzen und der hohen Spannungsfestigkeit von 650 V/µm werden Folienkondensatoren mit Polypropylenfolie auch für Impulsanwendungen eingesetzt, z. B. bei der FS-Zeilenablenkschaltung oder als sog. „Snubber“-Kondensatoren.

Ein großer Anwendungsbereich für Polypropylen-Folienkondensatoren sind Funkentstörkondensatoren, das sind Kondensatoren zum Verringern der Störungen des Funkempfanges, an die besondere Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit und der Nichtbrennbarkeit gestellt werden.

Darüber hinaus werden Polypropylen-Folienkondensatoren in Wechselstromanwendungen, z. B. als Motorstart- oder Motorbetriebskondensatoren eingesetzt. Auch die von den Abmessungen her größten Kondensatoren, die Leistungskondensatoren, verwenden heutzutage meist Polypropylenfolien als Dielektrikum. Hier findet man sowohl reine PP-Folienkondensatoren als auch ölgetränkte PP-Folienkondensatoren und PP/Papier-Folienkondensatoren in elektrischen Großanlagen. Die Wechselspannungsfestigkeit solcher Leistungskondensatoren kann bis 400 kV reichen.

Die Polypropylenfolie eignet sich gleichermaßen für Folienkondensatoren mit Metallbelägen als auch für die Metallisierung. Sie nimmt weniger Feuchte als Polyesterfolie auf und ist bei milden Klimabedingungen deshalb ebenfalls für Bauformen geeignet, die ohne zusätzliche Umhüllung auskommen. Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren werden sowohl als Wickelkondensatoren als auch als Schichtkondensatoren, die aus einem Großwickel herausgesägt wurden, hergestellt.

Polytetraflurethylen-Folienkondensator

Polytetraflurethylen-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem vollfluorierten Polymer Polytetraflurethylen (PTFE) als Dielektrikum. PTFE ist besser bekannt als Teflon®^[1].

Polytetraflurethylen-Folienkondensatoren zeichnen sich durch eine besonders hohe Temperaturfestigkeit bis 200 °C, mit einer Spannungslastminderung (engl derating) sogar bis 260 °C aus. Der Verlustfaktor ist mit 2·10^-4 recht klein und Kapazitätsänderung über den gesamten Temperaturbereich ist mit +1 % bis –3 % durchaus mit Polypropylen-Folienkondensatoren vergleichbar. Die dielektrische Absorption von Teflon-Folienkondensatoren ist besser als diejenige aller anderen Folienkondensatoren, so dass diese Kondensatoren für speziell für Analogschaltungen gut geeignet sind. Da jedoch die z. Z. geringste verfügbare Folienstärke mit 6,3 µm rund die doppelte Stärke wie Polypropylen aufweist, ist die Volumenausnutzung eines PTFE-Folienkondensators recht gering. Die Kondensatoren sind recht groß. Es kommt hinzu, dass die Folienstärke über die Fläche nicht konstant ist, so dass die Verarbeitbarkeit von Teflonfolien schwierig ist. Deshalb ist die Anzahl der Hersteller von PTFE-Folienkondensatoren begrenzt.

Polytetraflurethylen-Folienkondensatoren gibt es als Folienkondensatoren mit Metallbelägen und als metallisierte Folienkondensatoren mit Spannungsfestigkeiten von 100 VDC bis 630 VDC. Sie werden eingesetzt z. B. in militärischen Geräten, in Geo-Sonden, in Burn-In-Schaltungen und in hochprofessionellen Audioschaltungen.

Kunststoff-Folienkondensator mit Mischdielektrikum

Neben den oben erwähnten und hauptsächlich verwendeten Kunststofffolien kommen für Kondensatoren auch noch Mischdielektrika zum Einsatz. Bekannt ist hier der „MKV“-Folienkondensator, der mit einem Mischdielektrikum aus einer beidseitig metallisierten und imprägnierten Papierfolie als Elektrode und einer Polypropylenfolie als Dielektrikum aufgebaut ist und für sehr hohe Verlustleistungen geeignet ist. Da aber fast jeder größere Hersteller seine eigenen Lösungen von Kunststoff-Folienkondensatoren mit Mischdielektrika anbietet, kann hier keine allgemeingültige und generelle Übersicht gegeben werden.

Polystyrol-Folienkondensator

Polystyrol-Folienkondensatoren waren unter der Bezeichnung „Styroflex-Kondensatoren“ lange Jahre bekannt als preiswerte Kunststoff-Folienkondensatoren für alle Anwendungen, bei denen es auf hohe Kapazitätskonstanz, kleinen Verlustfaktor und geringe Leckströme ankommt. Da aber die Folienstärke sich technisch nicht weit unter 10 µm herabsetzen ließ und die obere Grenztemperatur nur bis maximal 85 °C reichte, wurden die PS-Folienkondensatoren weitgehend durch Polyester-Folenkondensatoren ersetzt. Anbieter, die heutzutage noch PS-Folienkondensatoren im Fertigungsprogramm führen, können im Internet noch gefunden werden, aber es ist zu bezweifeln, dass diese Hersteller ihre Web-Seiten konstant pflegen.

Polycarbonat-Folienkondensator

Polycarbonat-Folienkondensatoren sind Folienkondensatoren mit dem polymerisierten Ester der Kohlensäure und des Dioxidiphenylpropans als Dielektrikum. Sie werden seit Mitte der 1950er Jahre hergestellt und haben wegen der relativ temperaturunabhängigen elektrischen Eigenschaften viele Anwendungen in Bereichen mit robusten Umweltbedingungen. Die Kondensatoren weisen eine relativ geringe Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur und einen kleinen Verlustfaktor auf. Sie werden überwiegend in Zeitschaltungen, präzisen Analogschaltungen und Filterschaltungen eingesetzt.

Der Hauptlieferant der Polycarbonatfolie für Kondensatoren hat im Jahre 2000 die Herstellung dieser Folie eingestellt, so dass in Folge davon die Herstellung von PC-Folienkondensatoren weltweit größtenteils eingestellt wurde. Lediglich wenige, meist US-amerikanische Hersteller bieten noch PC-Folienkondensatoren an. Der Hersteller Electronic Concepts Inc, NJ, stellt dabei heraus, selbst Hersteller seiner eigenen Polycarbonatfolie zu sein ^[2].

Normung

Die Prüfungen und Anforderungen, die die Folienkondensatoren erfüllen müssen, wenn sie approbiert werden sollen, sind in den folgenden Rahmenspezifikationen festgelegt.

Übersicht über die Normen für Kunststoff-Folienkondensatoren
Norm	Kondensatorfamilie
DIN IEC 60384-2	Metallisierte Polyester-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-11	Metallfolienbelegte Polyester-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-13	Metallfolienbelegte Polypropylen-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-16	Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-17	Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren für Wechselspannungs- und Impulsapplikationen
DIN IEC 60384-19	Oberflächenmontierbare metallisierte Polyester-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-20	Oberflächenmontierbare metallisierte Polyphenylsulfid -Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen
DIN IEC 60384-23	Oberflächenmontierbare metallisierte Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren für Gleichspannungsapplikationen

Kunststoff-Folienkondensatoren, die speziell als Sicherheitskondensatoren (Funkentstörkondensatoren) dienen, sind nach der DIN IEC 60384-14 genormt. Da aber auch Papierkondensatoren für diese Zwecke eingesetzt werden, kann mit dieser Norm keine eindeutige Festlegung auf ein Folienmaterial gegeben werden.

Normbezeichnungen

Zu Beginn der Entwicklung der Kunststoff-Folienkondensatoren wurde versucht, die Bezeichnungen der unterschiedlichen Kondensatorbaureihen zu normieren. Es entstand die DIN 41379, die für jedes Material eine Kurzbezeichnung für die beiden Versionen „metallisiert“ und „mit Metallbelägen“ vorschrieb.

Die damals geltende Norm schrieb für die seinerzeit bekannten Foliensorten dazu folgende Kurzbezeichnungen fest:

Übersicht über die ehemalige Normkurzbezeichnungen für Folienkondensatoren
Dielektrikum	Chemische Kurzbezeichnung	Kurzbezeichnung nach DIN 41379
Dielektrikum	Chemische Kurzbezeichnung	Folienkondensator mit Metallbelägen	Metallisierter Folienkondensator
Papier	(P)	-	(MP)
Polyethylenterephtalat, Polyester	PET	(F)KT	MKT
Polyethylennaphtalat	PEN	(F)KN	MKN
Polyphenylensulfid	PPS	(F)KI	MKI
Polypropylen	PP	(F)KP	MKP
Polytetrafluorethylen	PTFE	-	-
Polystyrol	PS	KS	MKS
Polycarbonat	PC	(F)KC	MKC

Diese Kurzbezeichnungen wurden von den seinerzeit großen Herstellern zu weiten Teilen übernommen, sogar die holländische Valvo/Philips (heute BCc/Vishay) übernahm die Vorschläge der deutschen Norm. Mit der Verlagerung des Massengeschäftes bei den passiven Bauelementen, zu denen die Kunststoff-Folienkondensatoren gehören, nach Fernost ab Mitte der 1970er Jahre legten viele der neuen Hersteller sich eigene von der Norm abweichende Kurzbezeichnungen für ihre Folienkondensatorbaureihen fest.

Die DIN 41379 ist inzwischen im Rahmen der internationalen Harmonisierung zurückgezogen worden. Die damaligen Normkurzbezeichnungen werden jetzt nur noch von wenigen, aber bedeutenden Herstellern, darunter WIMA und BCc/Vishay, verwendet.

Wichtige Kennwerte

Ersatzschaltbild

Serienersatzschaltbild eines Kunststoff-Folienkondensators

Die allgemeinen elektrischen Kennwerte von Kondensatoren werden in der technischen Anwendung im internationalen Bereich harmonisiert durch die Rahmenspezifikation IEC 60384-1, die in Deutschland als DIN EN 60384-1 im Februar 2002 erschienen ist. Die elektrischen Kennwerte werden beschrieben durch ein idealisiertes Serien-Ersatzschaltbild eines Kondensators, in diesem Fall eines Kunststoff-Folienkondensators.

In der nebenstehenden Abbildung sind:

C, die Kapazität des Kondensators,
R_isol, der Isolationswiderstand des Dielektrikums,
R_ESR, der äquivalente Serienwiderstand, er fasst die ohmschen Verluste des Bauelementes zusammen. Dieser Wirkwiderstand wird allgemein nur ESR (Eqivalent Series Resistance) genannt,
L_ESL, die Äquivalente Serieninduktivität, sie fasst die Induktivität des Bauelementes zusammen, sie wird allgemein nur ESL (Equivalent Series Inductivity L) genannt.

Scheinwiderstand Z und Wirkwiderstand ESR

Zeigerdiagramm zur Erklärung des Scheinwiderstands

Analog zum ohmschen Gesetz, wo der Quotient aus Gleichspannung U_DC und Gleichstrom I_DC gleich einem Widerstand R ist, wird der Quotient aus Wechselspannung U_AC und Wechselstrom I_AC:

Z={\frac {U_{AC}}{I_{AC}}}

Wechselstromwiderstand oder Scheinwiderstand Z genannt.

Sind die Serienersatzwerte eines Kondensators bekannt, dann kann der Scheinwiderstand auch über diese Werte berechnet werden. Dann ist der Scheinwiderstand Z der Betrag der vektoriellen Summe des Ersatzserienwiderstandes ESR und des kapazitiven Blindwiderstandes X_C abzüglich des induktiven Blindwiderstandes X_L.

Die beiden Blindwiderstände weisen mit der Kreisfrequenz ω folgende Beziehungen auf:

X_{C}={\frac {1}{\omega C}},\qquad X_{L}=\omega \mathrm {ESL}

womit sich für den Blindwiderstand Z folgende Gleichung ergibt:

Z={\sqrt {{\mbox{ESR}}^{2}+(X_{L}-X_{C})^{2}}}

Im Sonderfall der Resonanz, bei dem der kapazitive und der induktive Blindwiderstand gleich groß sind, X_C=X_L, wird der Scheinwiderstand gleich dem ESR des Kondensators.

Verlustfaktor tan δ

Bei Kunststoff-Folienkondensatoren wird in den Datenblättern anstelle des ESR der Verlustfaktor tan δ spezifiziert. Der Verlustfaktor ergibt sich aus dem Tangens des Phasenwinkels zwischen dem kapazitiven Blindwiderstand X_C abzüglich des induktiven Blindwiderstandes X_L und ESR. Unter der Vernachlässigung der Induktivität ESL kann der Verlustfaktor errechnet werden zu:

\tan \varphi ={\mbox{ESR}}\cdot 2\pi fC

Besonderheiten der Kennwerte von Kunststoff-Folienkondensatoren

Kapazität und Kapazitätstoleranz

Die Kapazität eines Kunststoff-Folienkondensators ist frequenzabhängig. Sie wird gemessen mit der Frequenz von 1 kHz. Der Messwert muss innerhalb des spezifizierten Toleranzbereiches um den Nennwert der Kapazität liegen. Die lieferbaren Nennkapazitätswerte, die nach den genormten E-Reihen gestaffelt sind und die bevorzugten Toleranzen sind miteinander gekoppelt:

Nennkapazitätswerte nach E96, zugehörige Toleranz ±1 %, Kennbuchstabe „F“
Nennkapazitätswerte nach E48, zugehörige Toleranz ±2 %, Kennbuchstabe „G“
Nennkapazitätswerte nach E24, zugehörige Toleranz ±5 %, Kennbuchstabe „J“
Nennkapazitätswerte nach E12, zugehörige Toleranz ±10 %, Kennbuchstabe „K“
Nennkapazitätswerte nach E6, zugehörige Toleranz ±20 %, Kennbuchstabe „M“

Daneben werden Folienkondensatoren auch noch in weiteren Toleranzen, z. B. 1,5 %, 2,5 % usw. geliefert.

Die benötigte Kapazitätstoleranz wird durch die jeweilige Applikation bestimmt. Für frequenzbestimmende Anwendungen wie Schwingkreise werden sehr genaue Kapazitätswerte benötigt, die mit engen Toleranzen spezifiziert sind. Dahingegen reichen für allgemeine Applikationen wie z. B. für Sieb- oder Koppelschaltungen größere Toleranzbereiche aus.

Frequenz- und Temperaturverhalten der Kapazität

Die unterschiedlichen Folienmaterialien weisen temperatur- und frequenzabhängige Abweichungen ihrer Kennwerte auf. In den nachfolgenden Bildern ist ein typisches Frequenz- und Temperaturverhalten der Kapazität der unterschiedlichen Folienmaterialien aufgezeichnet.

Kapazitätsverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur und der Frequenz von Folienkondensatoren mit unterschiedlichen Folienmaterialien

Spannungsfestigkeit

Spannungsderating von Kunststoff-Folienkondensatoren bei Temperaturen oberhalb der oberen Nenntemperatur von 85 °C (PP, PET) bzw. 105 °C (PEN, PPS), UR = Nennspannung

Die Spannungsfestigkeit von Kunststoff-Folienkondensatoren wird spezifiziert mit dem Begriff „Nennspannung UR“, in den neuen Ausgaben der Normung jetzt „Bemessungsspannung UR „ genannt. Damit ist die Gleichspannung gemeint, die dauernd im Nenntemperaturbereich bis zur oberen Nenntemperatur (Bemessungstemperatur) anliegen darf.

Die zulässige Betriebsspannung von Kunststoff-Folienkondensatoren nimmt mit steigender Temperatur ab, weil die Spannungsfestigkeit des verwendeten Folienmaterials mit steigender Temperatur absinkt. Das nachfolgende Bild zeigt das erforderliche Spannungslastminderung (engl. derating), wenn ein Kondensator oberhalb seiner oberen Nenntemperatur in dem Bereich der sogenannten „Kategorietemperatur“ betrieben werden soll. Die Werte in diesem Bild sind den entsprechenden DIN-IEC-Normen (siehe jeweilige Norm Punkt 2.2.4 „Kategoriespannung“) entnommen worden. Die aufgezeigten Derating-Faktoren gelten sowohl für Gleichspannung als ggfs. auch für Wechselspannung. Einzelne Hersteller können durchaus von diesen Kurven abweichende Derating-Kurven für ihre Kondensatoren haben, beispielsweise sind für bestimmte Polyester-Folienkondensatoren des Herstellers WIMA Temperaturen bis 150 °C mit entsprechender Lastminderung erlaubt.

Überlagerte Wechselspannung

Die Summe aus einer am Kondensator anliegenden Gleichspannung und dem Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung darf die für den Kondensator spezifizierte Nennspannung nicht überschreiten. Der zulässige Scheitelwert der überlagerten Wechselspannung ist frequenzabhängig.

Die geltenden Normen schreiben unabhängig von der Foliensorte dazu folgende Bedingungen vor:

Frequenz der überlagerten Wechselspannung	Anteil des max. Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung an der Nennspannung
50 Hz	20 %
100 Hz	15 %
1 kHz	3 %
10 kHz	1 %

Wechselspannungs- oder Wechselstrombelastbarkeit

Typischer Kurvenverlauf der zulässigen Wechselspannung an 63 V-Folienkondensatoren in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselspannung für hier 4 unterschiedliche Kondensatoren.

Eine Wechselspannung oder eine einer Gleichspannung überlagerte Wechselspannung bewirkt Lade- und Entladevorgänge im Folienkondensator. Es fließt ein Wechselstrom, der umgangssprachlich auch Ripple-Strom (Brummstrom) genannt wird. Dieser Wechselstrom fließt über den ESR des Kondensators und führt zu ohmschen Verlusten, die den Kondensator von Innen heraus erwärmen. Die internen Wärmeverluste sind frequenzabhängig. Die entstandene Wärme wird an die Umwelt abgegeben. Dieses hängt von den Maßen des Kondensators und weiteren Bedingungen, wie z. B. Zwangskühlung ab. Die zulässige Wechselstrombelastung eines Kunststoff-Folienkondensators wird allgemein so berechnet, dass eine zulässige interne Temperaturerhöhung von 8 bis 10 K die Grenze bildet.

In den Datenblättern von Folienkondensatoren wird anstelle eines Wechselstromes eine maximal zulässige effektive Wechselspannung spezifiziert, die innerhalb des Nenntemperaturbereiches am Kondensator dauernd anliegen darf. Da mit steigender Frequenz die ohmschen Verluste im Kondensator ansteigen, die interne Wärmeentwicklung bei gleichbleibender Effektivspannung also größer wird, muss bei höheren Frequenzen die Spannung reduziert werden, um die zulässige Temperaturerhöhung einzuhalten.

Die maximale Wechselspannung darf nicht überschritten werden. Ein Überschreiten der spezifizierten Wechselspannung kann zur Zerstörung des Kondensators führen. Diese Bedingung führt zu den für Folienkondensatoren so typischen Darstellungen der zulässigen Wechselspannung in Abhängigkeit von der Frequenz.

Impulsfestigkeit, Impulsbelastbarkeit

Eine wichtige Eigenschaft von Kunststoff-Folienkondensatoren ist die Fähigkeit, hohen Spannungs- bzw. Stromimpulsen widerstehen zu können. Da ein Impuls zunächst als Spannungsänderung du/dt innerhalb einer Zeit definiert ist, ergibt sich aus der Spannungsänderung ein daraus resultierender Strom i(t) = C·du/dt. Die maximale Impulsfestigkeit ist somit das Vermögen des Kondensators, den Spitzenstrom über alle seine konstruktiven Teile bis zu einer zulässigen internen Temperaturerhöhung tragen zu können.

Die zulässige Impulsbelastbarkeit eines Kunststoff-Folienkondensators wird allgemein so berechnet, dass eine zulässige interne Temperaturerhöhung von 8 bis 10 K die Grenze bildet.

In den Datenblättern von Folienkondensatoren wird eine maximal zulässige Impulsbelastung spezifiziert, die innerhalb des Nenntemperaturbereiches am Kondensator angelegt werden darf. Diese maximale Impulsbelastung darf nicht überschritten werden. Ein Überschreiten der spezifizierten Impulsbelastung kann zur Zerstörung des Kondensators führen.

Scheinwiderstand (Z)

Typische Impedanzkurven von Folienkondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität

Der Scheinwiderstand eines Folienkondensators ist ein Maß für die Fähigkeit des Kondensators, Wechselströme weiterleiten oder ableiten zu können. Je kleiner der Scheinwiderstand ist, desto besser können Wechselströme weiter- oder abgeleitet werden.

Kunststoff-Folienkondensatoren zeichnen sich durch im Vergleich mit den anderen Kondensatorfamilien (Keramikkondensatoren, Elektrolytkondensatoren) durch sehr kleine Scheinwiderstandswerte und sehr hohe Resonanzfrequenzen aus.

ESR und Verlustfaktor tan δ

Im äquivalenten Serienwiderstand ESR sind alle im Kondensator auftretenden ohmschen Verluste zusammengefasst. Es sind dies der Zu- und Ableitungswiderstand, der Übergangswiderstand der Elektrodenkontaktierung, der Leitungswiderstand der Elektroden und die dielektrischen Verluste im Dielektrikum.

Bei Kunststoff-Folienkondensatoren wird in den Datenblättern anstelle des ESR der Verlustfaktor tan δ spezifiziert. Dieses hängt damit zusammen, dass Folienkondensatoren ursprünglich überwiegend in frequenzbestimmenden Kreisen eingesetzt wurden. Der Kehrwert des Verlustfaktors ist z. B. in Schwingkreisen ein Kennzeichen für die Güte Q. So kann man mit dem Verlustfaktor des Kondensators und den der Spule recht einfach die Güte des Schwingkreises ermitteln.

Der Verlustfaktor bei Folienkondensatoren mit Metallbelägen ist, gleiches Folienmaterial vorausgesetzt, kleiner als derjenige der metallisierten Ausführung. Dies liegt am geringeren Kontaktwiderstand zur Elektrodenfolie gegenüber der Metallisierung.

Der Verlustfaktor von Kunststoff-Folienkondensatoren ist frequenz-, temperatur- und zeitabhängig. Während die Frequenz- und die Temperaturabhängigkeit physikalischen Gesetzen entspringt, hängt die Zeitabhängigkeit mit Alterungsvorgängen wie z. B. Nachschrumpfungsvorgängen und Feuchte-Aufnahme zusammen.

Frequenz- und Temperaturverhalten des Verlustfaktors

Die unterschiedlichen Folienmaterialien weisen temperatur- und frequenzabhängige Abweichungen ihrer Kennwerte auf. In den nachfolgenden Bildern ist ein typisches Frequenz- und Temperaturverhalten des Verlustfaktors der unterschiedlichen Folienmaterialien aufgezeichnet.

Verlustfaktoren der unterschiedlichen Folienmaterialien in Abhängigkeit von der Frequenz und der Temperatur

Isolationswiderstand

Typischer Isolationswiderstand Risol der unterschiedlichen Kunststoff-Folienkondensatoren in Abhängigkeit von der Temperatur

Ein geladener Kondensator entlädt sich mit der Zeit über seinen eigenen Isolationswiderstand R_isol. Die Selbstentladezeitkonstante τ_isol ergibt sich aus der Multiplikation des Isolationswiderstandes mit der Kapazität des Kondensators τ_isol = R_isol·C. Sie ist ein Maß für die Qualität des Dielektrikums in Hinsicht auf seine Isolationsfähigkeit und wird in Sekunden angegeben. Bei Kunststoff-Folienkondensatoren ist sie im Allgemeinen größer, je spannungsfester die Isolierfolie, das Dielektrikum des Kondensators ist. Üblich sind Werte zwischen 1000 s bis zu 1.000.000 s. Diese Zeitkonstanten sind immer dann relevant, wenn Kondensatoren als zeitbestimmendes Glied (z. B. in Zeitrelais) oder zur Speicherung eines Spannungswertes wie in einer „Abtast-Halte-Schaltung“ oder Integrierern eingesetzt werden.

Dielektrische Absorption, Nachladeeffekt

Waren Kondensatoren einmal geladen und werden sie dann vollständig entladen können sie anschließend ohne äußeren Einfluss eine Spannung aufbauen, die an den Anschlüssen gemessen werden kann. Dieser Nachladeeffekt ist als dielektrische Absorption oder als dielektrische Relaxation bekannt.

Ein geladener Kondensator hat elektrische Raumladungen (elektrische Dipole) im Dielektrikum. Mit einer Entladung des Kondensators werden nicht alle Raumladungen gelöscht, einige Dipole verbleiben infolge einer Trägheit im geladenen Zustand. Diese Dipole entladen sich nach einiger Zeit spontan, dadurch bildet sich an nicht kurzgeschlossenen Anschlüssen des Kondensators dann im Verlauf des Raumladungsausgleiches eine steigende Spannung aus. Diese nachgeladene Spannung kann, auch wenn der Nachladeeffekt gering ist, Messwerte verfälschen.

Kunststoff-Folienkondensatoren, vor allem Polypropylen-Folienkondensatoren, haben einen recht kleinen Nachladeeffekt. Deshalb eignen sie sich hervorragend für Analogschaltungen oder auch für Integratoren und Abtast-Halte-Schaltungen.

Alterung

Kunststoff-Folienkondensatoren unterliegen gewissen recht kleinen aber doch messbaren Alterungsvorgängen. Sie beruhen auf einem geringen Nachschrumpfen der Kunststofffolie, das im Wesentlichen während des Lötvorganges auftritt aber auch im Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen oder bei hoher Strombelastbarkeit nachweisbar ist und einer kleinen Feuchteaufnahme im Kondensatorwickel bei Betriebsbedingungen in feuchten Klimaten. Durch die Wärmebelastung während des Lötvorganges kann sich beispielsweise der Kapazitätswert von bedrahteten Folienkondensatoren um 1 bis 5 % vom Anfangswert ändern. Bei SMD-Bauformen kann unter Umständen die Änderung des Kapazitätswertes durch den Lötvorgang sogar bis zu 10 % betragen.

Auch Verlustfaktor und Isolationswiderstand von Folienkondensatoren können sich durch die oben geschilderten externen Einflüsse ändern, insbesondere durch Feuchte-Aufnahme in feuchten Klimaten. Die Hersteller von Folienkondensatoren können allerdings die Alterungsvorgänge, die durch Feuchteaufnahme verursacht werden, in gewissen Grenzen beeinflussen in dem sie z. B. die Feuchteaufnahme durch dichtere Gehäuse reduzieren. Diese Maßnahmen führen unter Umständen dazu, dass Folienkondensatoren mit ansonsten gleicher Bauart in unterschiedlichen Anforderungsstufen geliefert werden können.

Kennzeichnung

Die Kennzeichnung von Kunststoff-Folienkondensatoren kennt heutzutage keine Farbcodierung mehr. Sofern der Platz dazu ausreicht, sollten die Kondensatoren durch Aufdrucke gekennzeichnet sein mit: Nennkapazität, Toleranz, Nennspannung, Nenntemperaturbereich (Klimakategorie), Temperaturkoeffizient und Stabilitätsklasse, Herstelldatum, Hersteller, Bauartbezeichnung. Funkentstörkondensatoren müssen darüber hinaus noch mit den entsprechenden Zulassungen gekennzeichnet sein.

Kapazität, Toleranz, und Herstelldatum können nach DIN EN 60062 mit Kurzkennzeichen gekennzeichnet werden. Beispiele einer Kurz-Kennzeichnung der Nennkapazität (Mikrofarad): n47 = 0,47 nF, 4n7 = 4,7 nF, 47n = 47 nF

Anwendungen

Die Hauptanwendungen von metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren in elektronischen Schaltungen sind: Frequenzfilter, Abstimmkreise, Schwingkreise und Zeitglieder für die temperaturstabilen PP-Folienkondensatoren sowie Kopplung, Entkopplung und Siebung für PET-Folienkondensatoren. Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallbelägen werden überwiegend in Applikationen mit hoher Impulsbelastung eingesetzt.

Vorteile von Kunststoff-Folienkondensatoren

Für „frequenzstabilen Schaltungen“ werden Folienkondensatoren meist eingesetzt, wenn größere Kapazitäten erforderlich sind, als sie mit NPO-Keramikkondensatoren wirtschaftlich zu realisieren sind. Gegenüber hochkapazitiven Keramikkondensatoren und Elektrolytkondensatoren haben sie den Vorzug:

Kleine Verlustfaktoren, hohe Güte
Geringe Abhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors von der Temperatur und der Frequenz

zu besitzen.

Im Bereich „Stromversorgung“ konkurrieren die Folienkondensatoren mit Elektrolytkondensatoren und hochkapazitiven Keramikkondensatoren (bspw. Typ X7R), gegenüber denen sie einen Reihe von Vorzügen haben:

Elektrisch stabile und verlustleistungsarme Kondensatoren
Aufgrund der Selbstheilung bessere Toleranz gegenüber (seltenen) Überspannungsspitzen
Hohe Impulsfestigkeit
Hohe Strombelastbarkeit
Keine nennenswerte Alterung im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren
Höherer Spannungsbereich als Elektrolytkondensatoren
Keine Mikrophonie im Gegensatz zu Keramikkondensatoren

Nachteile von Kunststoff-Folienkondensatoren

Die beiden größten Nachteile von Folienkondensatoren gegenüber Elektrolytkondensatoren und hochkapazitiven Keramikkondensatoren sind:

Relativ große Bauformen
Begrenztes Angebot an preiswerten SMD-Bauformen

Fußnoten und Einzelnachweise

↑ Handelsname der Firma DuPont
↑ Polycarbonate Dielectric and Capacitors - Schreiben der Firma Electronic Concepts Inc. (engl.)

Quellen

I. E. C. Hughes: Electronic Engineer’s Reference Book. Heywood & Company LTD, London 1958
Dieter Nührmann: Werkbuch Elektronik : d. grosse Arbeitsbuch mit Entwurfsdaten, Tab. u. Grundschaltungen für alle Bereiche der angewandten und praktischen Elektronik. Franzis-Verlag, München 1981, ISBN 3-7723-6543-4
Tadeusz Adamowicz: Handbuch der Elektronik: eine ausführliche Darstarstellung für Ingenieure in Forschung, Entwicklung u. Praxis. Franzis-Verlag, München 1979, ISBN 3-7723-6251-6
Kurt Leucht: Kondensatorenkunde für Elektroniker: eine ausführliche Darstarstellung der Kondensatoren und ihrer Kennwerte, Bauformen und speziellen Eigenschaften ; Anwendungsbeispiele u. Kennzeichensysteme. Franzis, München 1981, ISBN 3-7723-1491-0
Hans Loth: Filmkondensatoren : Bauarten, Technologien und Anwendungen. Verlag Moderne Industrie, Landsberg/Lech 1990, ISBN 3-478-93046-4
Hans Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer, Berlin/Heidelberg/New York 1982, ISBN 3-540-11334-7
DIN EN 60384-1, -2, -11, -13, -14, -16, -17, -19, -23, Beuth-Verlag
Petrick, Nögel, Helwig: Moderne Kondensator-Technologien, Roederstein 22–79, Kondensatoren- und Widerstandstechnik
G. Hunger: Einsatzkriterien und Konstruktionsmerkmale moderner Kunststoff-Folienkondensatoren, elektronik journal 8, 1981
W. Westermann: Wickel- oder Schichttechnik, das ist hier die Frage, Elektronik 5/6, 1988
R. Hecker: Mini ist in, Wege zur Miniaturisierung von Kunststoff-Folienkondensatoren, Elektronik 13, 1991
W. Westermann: Der Folienkondensator, ein „Auslaufmodell“ ?, WIMA Sonderdruck 09.2005
P. Olbrich: Thicker Layer on Thinner Substrates, Passive Component Industry, Nov/Dec 2005
CapSite 2007 - Introduction to Capacitors, release 3.9, [1] (engl.)

Weblinks

Suchlisten von Herstellern Passiver Bauelemente, auch Folienkondensatoren

Sherlab, http://www.sherlab.com
electronic-components.globalspec, http://electronic-components.globalspec.com (Registrierung erforderlich)