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.
Aufgrund unterschiedlicher Elektrodenarten unterscheidet man zwei Arten von Kunststoff-Folienkondensatoren:
- 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.
- Metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren,
in denen die Isolierfolien mit einer oder mehrerer Metallisierungen, meist Aluminium, als Elektroden versehen sind. Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren besitzen selbstheilende Eigenschaften.
Kunststoff-Folienkondensatoren sind für Anwendungen in der Elektronik vorgesehen. Vom Aufbau her sind auch die Funk-Entstörkondensatoren und ein Teil der Leistungskondensatoren der Familie der Kunststoff-Folienkondensatoren zuzuordnen. Da aber diese Kondensatorarten für ihre eigenen, sehr speziellen Applikationen als Schutzkondensatoren bzw. für Anwendungen in der Energietechnik vorgesehen sind, werden Funk-Entstör- und Leistungskondensatoren in eigenen Artikeln gesondert beschrieben.
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 Dr. 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.
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 Mehrschicht-Kondensatoren 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 Impuls-Strombelastbarkeit 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.
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 tragen können. Hier sind die Kontaktbereiche der Schoopierung mit den Elektroden als eine Begrenzung der Strom-Tragfähigkeit 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 Strom-Tragfähigkeit 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 Strom-Tragfähigkeit 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.
Selbstheilung von metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren
Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren. sind selbstheilend, d. h., bei einem punktuellen Kurzschluss zwischen den metallisierten Elektroden ver¬dampft 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.
Die am häufigsten verwendeten Kunststofffolien sind Polyethylenterephthalat, (Polyester), Polyethylennaphthalat, Polyphenylensulfid und Polypropylen. Polytetrafluorethylen-Folienkondensatoren werden nur für spezielle Hochtemperatur-Anwendungen 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 sog. „Nacktwickel“ ohne zusätzlichen Schutz. Letztere Version wird aus Gründen kleinerer Kosten in Geräten mit geringen Umwelteinflüssen eingesetzt.
Kunststoff-Folienkondensatoren gibt es auch für die Oberflächenmontage. Die „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. Beispielswese die sog. „Snubber“-Kondendensatoren, bei denen die Strom-Tragfähigkeit der Anschlüsse den recht hohen Stromimpulsen bei der IGBT-Beschaltung gewachsen sein muss.
Die Bilder der Bauformen zeigen nur Kunststoff-Folienkondensatoren für Elektronik-Schaltungen und für elektrische Schaltungen kleinerer Leistung. Leistungskondensatoren für energietechnische Anwendungen werden hier nicht beschrieben.
Geschichte
Kunststoff-Folienkondensatoren sind eine Weiterentwickung 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 Funk-Entstörkondensatoren 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 Kunststoff-Folien zu ersetzen. Die Kunststoffe Polyester (PET) und Polypropylen (PP) beispielsweise wurden zu Beginn der 50er 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, Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polyparaxylene, Polypropylen, Polyethylennaphthalat und Polyphenylensulfid. (Roe-22-79) Bis zur Mitte der 60er 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-(CA)-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. Celluloseacetat-Folienkondensatoren werden nicht mehr hergestellt, weil Polyester-Folienkondensatoren inzwischen in kleineren Bauformen hergestellt werden können.
Die neuen Kunststoffe zeigten ausserdem im Langzeitverhaltenn 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 auch aus den neuen, preiswerten Kunststoff-Materialien anstelle teurerer Metallbecher hergestellt werden konnten.
Die damals neuen Kondensatoren boten aber auch einige Verbesserungen gegenüber anderen Kondensator-Technologen. Sie erwiesen sich als hochbelastbar 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 Keramik-Kondensatoren 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 Kondensator-Technologien, 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 wären.
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 Abmessungsverkleinerung eines gegebenen Kapazitäts-/Spannungswertes eines metallisierten Polyester-Folienkondensators 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 kV als Substition 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 so 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 wesentli¬chen von der Foliensorte bestimmt, die das Dielek¬trikum 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 sind von diversen unterschiedlichen Herstellern und gelten für Kunststoff-Folienkondensatoren für elektronische Anwendungen. Elektrische Werte von Leistungskondensatoren sind nicht mit berücksichtigt worden. Die große Streubreite der Werte für den Verlustfaktor umfasst sowohl typische als auch maximale Angaben in den Datenblättern der unterschiedlichen Hersteller.
Polyester-Folienkondensator, PET-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 Elektro¬nik 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 (Stacked Film Capacitors), die aus einem Großwickel herausgesägt wurden, hergestellt.
Polyethylennaphthalat-Folienkondensator, PEN-Folienkondensator
Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem biachsig ausgerichteten thermoplastischen Iso¬lierstoff 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 Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren haben bei der Temperatur- und Frequenzabhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors ähnliche elektrische Eigenschaften wie die Polyester-Folienkondensatoren. Wegen der kleineren Dielektrizitätszahl und der geringeren Spannungsfestigkeit der PEN-Folie weisen die Polyethylennaphthalat-Folienkondensatoren bei gegebenem Kapazitäts- und Nennspannungswert jedoch größere Bauformen auf. Aus diesem Grunde werden Polyethylennaphthalat-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 elektroni¬schen 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, PPS-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, PP-Folienkondensator
Polypropylen-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem teilkristallinen, unpolaren thermoplastischen Iso¬lierstoff 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 einge¬setzt, z. B. bei der FS-Zeilenablenkschaltung oder als sog. „Snubber“-Kondensatoren.
Ein großer Anwendungsbereich für Polypropylen-Folienkondensatoren sind Funk-Entstörkondensatoren, das sind Kondensatoren zum Verringern der Störungen des Funkempfanges an die besondere Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit und der Nicht-Brennbarkeit gestellt werden.
Darüber hinaus werden Polypropylen-Folienkondensatoren in Wechselstromanwendungen, z. B. als Motor-Start- oder Motor-Betriebskondensatoren 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 gehen.
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 (Stacked Film Capacitors), die aus einem Großwickel herausgesägt wurden, hergestellt.
Polytetraflurätylen-Folienkondensator, PTFE-Folienkondensator
Polytetraflurätylen-Folienkondensatoren sind Kunststoff-Folienkondensatoren mit dem vollfluorierten Polymer Polytetrafluoräthylen (PTFE) als Dielektrikum. Polytetrafluoräthylen ist besser bekannt als „Teflon“ (Handelsname der Fa. DuPont).
Polytetraflurätylen-Folienkondensatoren zeichnen sich durch eine besonders hohe Temperaturfestigkeit bis 200 °C, mit Spannungsderating 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.
Polytetraflurätylen-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 Audio-Schaltungen.
Hersteller von Teflon-Folienkondensatoren
American Capacitors, http://www.americancapacitor.com/
Custom Electronics, http://www.customelec.com/
Dearborne, http://www.dei2000.com/
Electronic Concept Inc., http://www.eci-capacitors.com/
Solen Electronique Inc., http://www.solen.ca
V-Cap, http://www.v-cap.com
Kunststoff-Folienkondensator mit Mischdielektrikum
Neben den oben erwähnten und hauptsächlich verwendeten Kunststoff-Folien kommen für Konden¬satoren 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 größerer Hersteller seine eigenen Lösungen von Kunststoff-Folienkondensatoren mit Mischdielektrika anbietet, kann hier eine allgemein gültige und generelle Übersicht nicht gegeben werden.
Polystyrol-Folienkondensator, PS-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 Polystyrol-Folienkondensatoren weitgehend durch Polyester-Folenkondensatoren ersetzt. Anbieter, die heutzutage noch Polystyrol-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, PC-Folienkondensator
Polycarbonat-Folienkondensatoren sind Folienkondensatoren mit dem polymerisierten Ester der Kohlensäure und des Dioxidiphenylpropans als Dielektrikum. Sie werden seit Mitte der 50er 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 Polycarbonat-Folienkondensatoren weltweit größtenteils eingestellt wurde. Lediglich wenige, meist US-Amerikanische Hersteller bieten noch Polycarbonat-Folienkondensatoren an. Der Hersteller Electronic Concepts Inc, NJ, stellt dabei heraus, selbst Hersteller seiner eigenen Polycarbonatfolie zu sein (http://www.ecicaps.com/pub/Polycarbonate_Status.pdf).
Hersteller von Polycarbonat-Folienkondensatoren
Electronic Concepts Inc., http://www.ecicaps.com
EFC, http://www.filmcapacitors.com/
Electrocube, http://www.electrocube.com/
Eurofarad, http://www.eurofarad.com
TSC Electronics, Inc. http://www.tscgroup.com/
Normung
Die Prüfungen und Anforderungen, die die Folienkondensatoren erfüllen müssen, wenn sie approbiert werden sollen, sind in den folgenden Rahmenspezifikationen festgelegt.
Kunststoff-Folienkondensatoren die speziell als Sicherheitskondensatoren (Funk-Entstörkondensatoren) 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.
Norm-Bezeichnungen
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.
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 70er Jahre legten viele der neuen Hersteller sich eigene, von der Norm abweichende Kurzbezeichnungen für seine Folienkondensatorbaureihen fest.
Die DIN 41379 ist inzwischen im Rahmen der internationalen Harmonisierung zurückgezogen worden. Die damaligen Norm-Kurzbezeichnungen werden jetzt nur noch von wenigen aber bedeutenden Herstellern, darunter WIMA und BCc/Vishay, verwendet.
Wichtige Kennwerte
Ersatzschaltbild
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
Hierin sind: C, die Kapazität des Kondensators,
RIsol, der Isolationswiderstand des Dielektrikums,
RESR , der Äquivalente Serienwiderstand, er fasst die ohmschen Verluste des Bauelementes zusammen. Dieser Wirkwiderstand wird allgemein nur „ESR“ (Eqivalent Series Resistance) genannt
LESL , 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
Analog zum Ohmschen Gesetz, wo der Quotient aus Gleichspannung UDC und Gleichstrom IDC der „Widerstand R“ ist, wird der Quotient aus Wechselspannung UAC und Wechselstrom IAC
Z = UAC / IAC
„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 XC (1/2 π f C) abzüglich des indukiven Blindwiderstandes XL (2 π f ESL).
Z = √ ESR2 + (XL XC)2
Im Sonderfall der Resonanz, bei dem der kapazitive und der induktive Blindwiderstand gleich groß sind, (XC = XL), 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 XC abzüglich des induktiven Blindwiderstandes XL und dem ESR. Unter der Vernachlässigung der Induktivität ESL kann der Verlustfaktor errechnet werden mit:
tan δ = ESR • 2 π f C<
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 Nenn-Kapazitätswerte, die nach den genormten „E-Reihen“ gestaffelt sind und die bevorzugten Toleranzen sind miteinander gekoppelt:
Nenn-Kapazitätswerte nach E96, zugehörige Toleranz ± 1 %, Kennbuchstabe „F“ Nenn-Kapazitätswerte nach E48, zugehörige Toleranz ± 2 %, Kennbuchstabe „G“ Nenn-Kapazitätswerte nach E24, zugehörige Toleranz ± 5 %, Kennbuchstabe „J“ Nenn-Kapazitätswerte nach E12, zugehörige Toleranz ± 10 %, Kennbuchstabe „K“ Nenn-Kapazitätswerte 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 frequenz-bestimmende 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. Im den nachfolgenden Bildern ist ein typisches Frequenz- und Temperaturverhalten der Kapazität der unterschiedlichen Folienmaterialien aufgezeichnet.
Spannungsfestigkeit
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 Nenn-Temperaturbereich 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 Spannungsderating, 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 Deratingfaktoren 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 entsprechendem Derating 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 | Max. Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung in % der Nennspannung |
|---|---|
| 50 Hz | 20 % |
| 100 Hz | 15 % |
| 1 kHz | 3 % |
| 10 kHz | 1 % |
Wechselspannungs- oder Wechselstrombelastbarkeit
Eine Wechselspannung oder eine einer Gleichspannung überlagerte Wechselspannung bewirkt Lade- und Entladevorgänge im Folienkondensator. Es fließt ein Wechselstrom, der Umgangssprachlich auch Ripplestrom 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. Stromimpulse 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 = 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)
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 geringern Kontaktwiderstand zur Elektrodenfolie gegenüber der Metallisierung.
Der Verlustfaktor von Kunststoff-Folienkondensatoren frequenz-, temperatur- und zeitabhängig. Während die Frequenz- und die Temperaturabhängigkeit physikalischen Gesetzen entspringt, hängt die Zeitabhängigkeit mit Alterungsvorgängen wie z. Nachschrumpfungsvorgängen und Feuchte-Aufnahme zusammen.
Frequenz- und Temperaturverhalten des Verlustfaktors
Die unterschiedlichen Folienmaterialien weisen temperatur- und frequenzabhängige Abweichungen ihrer Kennwerte auf. Im den nachfolgenden Bildern ist ein typisches Frequenz- und Temperaturverhalten des Verlustfaktors der unterschiedlichen Folienmaterialien aufgezeichnet.
Isolationswiderstand
Ein geladener Kondensator entlädt sich mit der Zeit über seinen eigenen Isolationswiderstand Risol. Die Selbstentladezeitkonstante τ isol ergibt sich aus der Multiplikation des Isolationswiderstandes mit der Kapazität des Kondensators τ isol = Risol • C. Sie ist ein Maß für die Qualität des Dielektrikums in Hinsicht auf seine Isolationsfähigkeit und wird in „s = 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 z. B. in einem Analogspeicher 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 sample-and-hold-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 Feuchte-Aufnahme 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 Feuchte-Aufnahme verursacht werden, in gewissen Grenzen beeinflussen in dem sie z. B. die Feuchte-Aufnahme 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 =. Sofern der Platz dazu ausreicht, sollten die Kondensatoren durch entsprechende Aufdrucke gekennzeichnet sein mit: Nennkapazität, Toleranz, Nennspannung, Nenntemperaturbereich (Klimakategorie), Temperaturkoeffizient und Stabilitätsklasse, Herstelldatum, Hersteller, Bauartbezeichnung. Funk-Entstörkondensatoren 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 temperatur¬stabilen 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
Applikationen in „frequenzstabilen Schaltungen“
Kleine Verlustfaktoren, hohe Güte Geringe Abhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors von der Temperatur und der Frequenz
Applikationen im Bereich „Stromversorgung“
Elektrisch stabile und verlustleistungsarme Kondensatoren Hohe Impulsfestigkeit Hohe Strombelastbarkeit Keine nennenswerte Alterung im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren
Nachteile von Kunststoff-Folienkondensatoren
Applikationen in „frequenzstabilen Schaltungen“
Relativ große Bauformen
Applikationen im Bereich „Stromversorgung“
Relativ große Bauformen Begrenztes Angebot an preiswerten SMD-Bauformen
Quellen
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Weblinks
Suchlisten von Herstellern Passiver Bauelemente, auch Folienkondensatoren
Sherlab, http://www.sherlab.com
electronic-components.globalspec, http://electronic-components.globalspec.com (Registrierung erforderlich)
Hersteller von Kunststoff-Folienkondensatoren
Aerovox, http://www.aerovox.com/
Arcotronics Nissei Group, http://www.arcotronics.us/
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Samwha Capacitor Group, http://www.samwha.com/
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United ChemiCon, http://chemi-con.com
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