Kunststoff-Folienkondensator

Grundprinzip, Aufbau und Eigenschaften

Kunststoff-Folienkondensatoren, kurz Folienkondensatoren oder „Folkos“, sind elektrische Kondensatoren, deren Dielektrikum – die isolierende Schicht zwischen den Elektroden – aus dünner Kunststofffolie besteht. Sie gehören neben Keramik- und Elektrolytkondensatoren zu den häufigsten Kondensatorbauarten. Wie beim Plattenkondensator gilt:

C = ε · A/d

Die Kapazität C steigt also mit der Elektrodenfläche A und der Dielektrizitätszahl ε, aber sinkt mit dem Elektrodenabstand d. Deshalb werden die Kunststoffe zu extrem dünnen Folien gezogen. Die mit Elektroden versehenen Folien werden gewickelt oder geschichtet, an den Stirnflächen kontaktiert und gegen Umwelteinflüsse geschützt.

Die Stirnflächenkontaktierung hält die Stromwege kurz. Dadurch sind der äquivalente Serienwiderstand ESR, also die Summe der ohmschen Verluste, und die parasitäre Serieninduktivität ESL besonders klein. Folienkondensatoren eignen sich deshalb für hohe Frequenzen, steile Impulse, Spannungsspitzen und hohe Impulsströme. Typische Kapazitäten reichen von einigen 10 pF bis in den µF-Bereich; die Spannungsfestigkeit beginnt je nach Konstruktion bei 40 V und reicht bis in den vierstelligen Volt-Bereich. Leistungskondensatoren können metergroß sein.

Metallisierte Folienkondensatoren besitzen selbstheilende Eigenschaften: Bei einem punktuellen Durchschlag verdampfen das Dielektrikum und die nur etwa 0,02 bis 0,05 µm dicke Metallisierung um die Fehlerstelle. Der Kurzschluss wird dadurch beseitigt. Selbst einige Tausend solcher Stellen verringern die Gesamtkapazität meist deutlich um weniger als 1 %. Segmentierte Metallisierungen können wie Schmelzsicherungen wirken und den Schaden zusätzlich begrenzen.

Herstellung und Bauformen

Es gibt zwei grundlegende Elektrodenkonstruktionen. Metallfolienkondensatoren enthalten getrennte Metallfolien als Elektroden und Kunststofffolien als Isolator; sie besitzen die höchste Stromimpulsbelastbarkeit, sind aber teuer und groß. Bei metallisierten Folienkondensatoren bildet eine direkt aufgedampfte Metallschicht die Elektrode; diese Kondensatoren sind selbstheilend und kompakter.

Für metallisierte Kondensatoren wird Kunststoff biaxial, also in zwei Richtungen, zu sehr dünner Folie gestreckt. Im Hochvakuum von etwa 10^15 bis 10^19 Luftmolekülen pro Kubikmeter wird eine ungefähr 0,03 µm dicke Aluminium- oder Zinkschicht aufgebracht. Die etwa einen Meter breiten „Mutterrollen“ werden zugeschnitten und leicht gegeneinander versetzt aufgewickelt. Die überstehenden Elektrodenränder werden an den Stirnflächen nach dem Schoop-Verfahren mit Zinn, Zink und/oder Aluminium kontaktiert. Danach werden Fehlstellen durch eine hohe Spannung ausgeheilt, gegebenenfalls wird imprägniert, die Anschlüsse werden angebracht und der Wickel erhält ein Gehäuse oder eine Lackierung. Die Endkontrolle prüft jeden Kondensator auf Kapazität, Verlustfaktor und Impedanz. Mehrschichtkondensatoren können aus einem großen Wickel herausgesägt werden.

Die Spannungsfestigkeit hängt zunächst von der Foliendicke ab. Bereits 0,7 µm starke Polyesterfolie kann für Kondensatoren mit 400 V Gleichspannungs-Nennspannung ausreichen. Höhere Spannungen erreicht man mit dickeren Folien oder durch partielle Metallisierung, die intern mehrere Teilkondensatoren in Reihe schaltet. Dabei steigt die Spannungsfestigkeit, während die Kapazität entsprechend sinkt. Doppelseitige Metallisierung, verstärkte Kontaktzonen und Metallfolien erhöhen außerdem Strom- und Impulsbelastbarkeit; die doppelseitige Ausführung kann die Induktivität halbieren.

Heute dominiert die radiale Bauform mit einseitig herausgeführten Anschlüssen, meist in Vielfachen des 2,5-mm-Rasters. Es gibt vergossene Becherbauformen, lackierte Wickel, ungeschützte „Nacktwickel“, SMD-Ausführungen für Oberflächenmontage sowie Snubber-Kondensatoren mit breiten, stromtragfähigen Anschlüssen. Die früher verbreitete axiale Bauform ist seit den 1970er Jahren selten.

Folienmaterialien und ihre Auswahl

Die wichtigsten heute verwendeten Kunststoffe sind Polyethylenterephthalat (PET, Polyester), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyphenylensulfid (PPS), Polypropylen (PP) und vereinzelt Polytetrafluorethylen (PTFE). Polystyrol und Polycarbonat wurden weitgehend ersetzt. Mischdielektrika kombinieren mehrere Materialien; beim MKV-Kondensator bilden beispielsweise eine beidseitig metallisierte, imprägnierte Papierfolie und eine Polypropylenfolie den Aufbau.

PET-Kondensatoren sind preiswerte, kompakte Massenbauteile, vor allem für Gleichspannung. Ihre Kapazität ändert sich über den Temperaturbereich um etwa ±5 % und von 100 Hz bis 100 kHz um etwa −3 %. Typische Werte sind 100 pF bis 22 µF und 50 bis 1000 V DC. PEN ähnelt PET, verträgt aber bis 150 °C und wird besonders oberhalb von 125 °C sowie in SMD-Bauformen eingesetzt; typisch sind 100 pF bis 1 µF und 16 bis 250 V DC.

PPS besitzt eine sehr stabile Kapazität: etwa ±1,5 % über den Temperaturbereich und ±0,5 % von 100 Hz bis 100 kHz. Es eignet sich für frequenzbestimmende Schaltungen und als Ersatz für Polycarbonat. Die Folie übersteht bis 270 °C und damit hohe Reflow-Löttemperaturen; typische Kondensatorwerte reichen von 100 pF bis 0,47 µF und 16 bis 100 V DC.

PP weist besonders geringe Verluste sowie geringe Temperatur- und Frequenzabhängigkeit auf: etwa ±2,5 % über den Temperaturbereich, ±0,3 % von 100 Hz bis 100 kHz und ±1 % bis 1 MHz. Mit einer Durchschlagsfestigkeit von 650 V/µm, typischen Bereichen von 100 pF bis 10 µF und 40 bis 2000 V DC eignet es sich für Präzisions-, Hochfrequenz-, Impuls-, Wechselstrom- und Leistungsanwendungen. Große PP-Leistungskondensatoren können Wechselspannungen bis 400 kV erreichen.

PTFE-Kondensatoren arbeiten bis 200 °C, mit Spannungslastminderung bis 260 °C. Ihr Verlustfaktor beträgt auch bei hohen Frequenzen nur 1 bis 2,5 · 10^−4; außerdem besitzen sie eine besonders geringe dielektrische Absorption. Weil PTFE-Folien schwer zu metallisieren und leicht zu beschädigen sind, sind diese Kondensatoren teuer und werden nur für Spezialanwendungen gefertigt. Styroflex bietet hohe Stabilität, geringe Verluste und Leckströme, ist aber wegen mindestens etwa 10 µm Folienstärke und höchstens 85 °C Betriebstemperatur weitgehend ersetzt worden. Polycarbonat-Kondensatoren wurden nach dem Ende der wichtigsten Folienproduktion im Jahr 2000 größtenteils eingestellt.

Elektrische Kennwerte und Belastungsgrenzen

Das Ersatzschaltbild enthält die Kapazität C, den Isolationswiderstand R_isol, den ESR und die ESL. Der Scheinwiderstand einer Wechselstromschaltung ist Z = U_AC/I_AC. Mit X_L = ω · ESL und X_C = −1/(ωC) gilt:

Z = √(ESR² + (X_L + X_C)²)

Bei Resonanz sind kapazitiver und induktiver Blindwiderstand gleich groß; dann entspricht Z dem ESR. In Datenblättern wird meist der Verlustfaktor tan δ statt des ESR angegeben. Bei vernachlässigbarer ESL gilt tan δ = ESR · ωC. Sein Kehrwert steht mit der Güte Q in Zusammenhang. Metallfolienausführungen haben bei gleichem Dielektrikum wegen niedrigerer Kontaktwiderstände geringere Verluste als metallisierte Ausführungen.

Die Kapazität wird bei 1 kHz gemessen. Übliche Kombinationen aus E-Reihe, Toleranz und Kennbuchstabe sind E96: ±1 %, F; E48: ±2 %, G; E24: ±5 %, J; E12: ±10 %, K; E6: ±20 %, M. Enge Toleranzen sind für Schwingkreise nötig, größere genügen beispielsweise für Sieb- und Koppelschaltungen.

Die Bemessungsspannung U_R ist die Gleichspannung, die bis zur oberen Nenntemperatur dauerhaft anliegen darf. Oberhalb davon ist eine Spannungslastminderung erforderlich, weil die Spannungsfestigkeit mit der Temperatur sinkt. Gleichspannung plus Scheitelwert einer überlagerten Wechselspannung darf U_R nicht überschreiten. Der zulässige Wechselspannungsanteil beträgt bei 50 Hz 20 %, bei 100 Hz 15 %, bei 1 kHz 3 % und bei 10 kHz 1 % von U_R.

Wechselstrom verursacht über den ESR Wärme. Die zulässige Wechselspannung muss deshalb mit steigender Frequenz sinken; als Grenze wird allgemein eine innere Temperaturerhöhung von 8 bis 10 K angesetzt. Dasselbe gilt für Impulsbelastungen. Aus einer Spannungsänderung folgt i(t) = C · du/dt. Ein Überschreiten der spezifizierten Wechselspannungs- oder Impulsgrenze kann den Kondensator zerstören.

Die Selbstentladezeitkonstante lautet τ_isol = R_isol · C und liegt üblicherweise zwischen 1000 s und 1.000.000 s. Die dielektrische Absorption bewirkt, dass sich ein entladener Kondensator teilweise wieder auflädt. Typische Werte sind PET 0,2 bis 0,5 %, PP 0,01 bis 0,1 %, PEN 1,0 bis 1,2 % und PPS 0,05 bis 0,1 %. PP eignet sich daher besonders für Integratoren und Abtast-Halte-Schaltungen. Alterung durch Nachschrumpfen und Feuchte ist gering, aber messbar: Löten kann die Kapazität bedrahteter Bauteile um 1 bis 5 %, bei SMD-Ausführungen unter Umständen bis 10 % verändern.

Spezialanwendungen und Sicherheit

Entstörkondensatoren verringern hochfrequente Störungen und verbessern die elektromagnetische Verträglichkeit. X-Kondensatoren liegen parallel zum Netz; sie müssen dauerbetriebsfest sein und dürfen keinen Brand verursachen. Y-Kondensatoren werden gegen Erde oder berührbare Teile geschaltet und dürfen unter keinen Umständen durchschlagen. Die Zulassung richtet sich nach DIN IEC 60384-14; Sicherheitsprüfzeichen müssen aufgedruckt sein.

Snubber-Schaltungen begrenzen Spannungsspitzen beim Abschalten induktiver Lasten. Ein Kondensator, gegebenenfalls in Reihe mit einem Widerstand, übernimmt vorübergehend den Abschaltstrom. Snubber-Kondensatoren für Thyristoren, GTO-Thyristoren oder IGBTs benötigen geringe ESL, geringen ESR und hohe Impulsbelastbarkeit. Schmale Elektroden, doppelseitige Metallisierung und breite Blechanschlüsse verbessern diese Eigenschaften.

Starkstrom- oder Leistungskondensatoren tragen hohe Blindleistungen oder energiereiche Impulse und müssen teilweise wassergekühlt werden. Anwendungen sind Blindleistungskompensation, Oberwellenlöschung, induktive Erwärmung bis in den MHz-Bereich, Impulsschweißen, Kabelfehlerortung, Plasma- und Fusionsforschung sowie Licht-, Röntgen- und Laserblitze. Als DC-Zwischenkreiskondensatoren glätten sie gleichgerichteten Wechselstrom und liefern periodische Spitzenströme, etwa in Frequenzumformern, Stellantrieben und unterbrechungsfreien Stromversorgungen. Hochspannungs- und Leistungskondensatoren werden wegen des Nachladeeffekts kurzgeschlossen transportiert und gehandhabt.

PP-Folienkondensatoren werden außerdem in Oszillatoren, Filtern, Abstimm- und Zeitgliedern, Audioschaltungen, Analog-Digital-Wandlern, Motoren und Leuchtstofflampen eingesetzt. Preiswertere PET-Ausführungen dienen häufig zum Sieben, Koppeln und Abblocken schneller Störimpulse. PTFE-Ausführungen sind für hohe Temperaturen vorgesehen, etwa in militärischen Geräten, Geo-Sonden und Burn-in-Schaltungen.

Einordnung, Normung sowie Vor- und Nachteile

Folienkondensatoren entwickelten sich nach dem Zweiten Weltkrieg aus Papierkondensatoren. Dünnere, fehlerärmere und weniger feuchteempfindliche Kunststofffolien ermöglichten kleinere und langfristig stabilere Bauteile. Von etwa 1990 bis 2010 stieg bei metallisierten PET-Kondensatoren der bei gleichen Abmessungen erreichbare Kapazitäts-Spannungswert ungefähr um den Faktor 10. Im Jahr 2006 entfielen nach gelieferter Folienfläche 55 % auf PP, 40 % auf PET, 3 % auf PPS, 1 % auf PEN und 1 % auf andere Folien.

Die grundlegenden Anforderungen sind in IEC 60384 beziehungsweise DIN EN 60384 geregelt. Einzelne Teile behandeln beispielsweise metallisierte PET-Kondensatoren, Metallfolien- und metallisierte PP-Kondensatoren sowie SMD-Ausführungen aus PET, PPS und PEN. Sicherheitskondensatoren fallen unter IEC 60384-14. Frühere Kürzel nach der inzwischen zurückgezogenen DIN 41379 waren unter anderem MKT oder MKS für metallisiertes PET und MKP für metallisiertes PP; sie werden nur noch von einigen Herstellern verwendet. Aufdrucke sollen unter anderem Kapazität, Toleranz, Nennspannung, Temperaturbereich, Hersteller und Datum angeben; beispielsweise bedeutet 4n7 eine Kapazität von 4,7 nF.

Wichtige Vorteile sind geringe Verluste, hohe Güte, elektrische Stabilität, hohe Strom- und Impulsbelastbarkeit, geringe Alterung, ein großer Spannungsbereich und bei metallisierten Ausführungen Selbstheilung. Anders als Keramikkondensatoren zeigen sie keine Mikrofonie. Besonders PP besitzt stabile Werte über breite Frequenz- und Temperaturbereiche. Nachteile gegenüber Elektrolytkondensatoren und hochkapazitiven Klasse-2-Keramikkondensatoren sind die relativ große Bauform, das begrenzte Angebot preiswerter SMD-Ausführungen und die Möglichkeit einer Selbstentzündung bei Überlastung mit Wechselspannung oder unsachgemäßem Einsatz.