Grundlagentechnik der Kondensatoren Schnelle Energie

Kondensatoren sind in der Industrie allgegenwärtig und den meisten Menschen auch zumindest als Begriff bekannt. Doch was steckt eigentlich genau dahinter?

Ein Kondensator besteht aus zwei elektrisch leitenden Flächen, die durch ein nicht leitendes Material – das sogenannte Dielektrikum – gegeneinander isoliert sind. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um zwei Metallplatten, die von einer Luftschicht getrennt sind. Soll ein Kondensator aufgeladen werden, legt man für kurze Zeit eine elektrische Gleichspannung an. Die elektrischen Ladungen sammeln sich an den Oberflächen der beiden Platten und bleiben dort so lange gespeichert, bis die Platten zum Beispiel über einen Widerstand miteinander verbunden werden und die gespeicherten Ladungen wieder abfließen können. So lässt sich ein Kondensator als Speicher für elektrische Energie verwenden. Im Gegensatz zu einem Akkumulator, also einer wiederaufladbaren Batterie, ist die gespeicherte Energie in einem Kondensator aber nur gering. Die Energiemenge (Kapazität), die ein Kondensator speichern kann, wird von der Fläche der beiden leitenden Platten (Elektroden), dem Abstand zwischen den Platten und dem Material des Dielektrikums beeinflusst. Der Vorteil eines Kondensators gegenüber einem Akkumulator liegt darin, dass die Energie in extrem kurzer Zeit und mit hohen Stromstärken aufgenommen und wieder abgegeben werden kann.

Der erste Kondensator war eine Flasche

Die ersten elektrischen Kondensatoren waren im 19. Jahrhundert die sogenannten »Leydener Flaschen«: Dabei handelte es sich um innen und außen mit einer Metallfolie umwickelte Glasflaschen. Ihre Kapazität war nur gering, aber ausreichend, um einer Person zur allgemeinen Erheiterung einen elektrischen Schlag zu versetzen. Für technische Anwendungen fand man in der Folge bessere Materialien als Dielektrikum, zum Beispiel dünne Glimmerplatten. Um 1900 benötigte man derart ausgerüstete Kondensatoren für Telegrafen und Telefone. Danach nahm die drahtlose Kommunikation ihren Anfang und es wurden Kondensatoren für Funkgeräte und Radios gebraucht. Mitte des letzten Jahrhunderts entwickelte sich neben der Kommunikation ein zunehmender Bedarf im industriellen Bereich. Es wurden Kondensatoren benötigt für die Leistungselektronik, zum Antrieb von Motoren, für medizinische Geräte, Schweißanlagen, Lichttechnik und vieles mehr.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren

In diesen traditionell aufgebauten Typen besteht eine der beiden Elektroden aus einer flüssigen Lauge und die andere aus einer speziell aufgerauten Aluminiumfolie. Dadurch entsteht eine große Oberfläche – ein Elektrolytkondensator hat folglich eine hohe Kapazität, ist aber standardmäßig nur für kleinere Spannungen (<550 V) geeignet und darf ausschließlich in der angegebenen Polarität verwendet werden. Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind deshalb für Wechselspannung nicht geeignet. Zudem haben sie tendenziell eine kurze Lebenszeit und eine geringe Ripple-Strom-Tragfähigkeit. Elektrolytkondensatoren werden heute zum Beispiel in der Medizin- und Lasertechnik eingesetzt.

Filmkondensatoren bestehen aus einem dünnen Kunststofffilm aus Polypropylen oder Polyester von circa 2 bis 20 µm Dicke, der mit einer Metallschicht aus Zink oder Aluminium bedampft wurde. Zwei solche Filme übereinander gewickelt bilden die beiden Kondensatorplatten, wobei der Kunststoff als Dielektrikum fungiert. Anfänglich nutzte sie die Audio- und Automobilindustrie vor allem als Betriebs- und Entstörkondensatoren. Heute werden Filmkondensatoren auch in Computertomografen, Bestrahlungsgeräten, autonomen Defibrillatoren oder in der Ultraschalltechnik eingesetzt.

Mehr Flexibilität durch Filmkondensatoren

Die Vorteile von Filmkondensatoren bestehen in einer hohen Ripple-Strom-Tragfähigkeit und einer niedrigen Induktivität sowie einer sehr langen Lebensdauer. Allerdings kosten sie mehr und sind eher voluminös; die Volumenkapazität ist niedrig. Anders als bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren können jedoch mehrere Wickel in einem Gehäuse untergebracht werden, die sich anschließend ganz nach Wunsch zusammenschalten lassen: Eine parallele Schaltung erhöht die Kapazität; eine Serienschaltung wirkt sich positiv auf die Spannungsfestigkeit aus. Zudem gibt es viel mehr Freiheiten bezüglich der Gestaltung des Gehäuses: dick, dünn, schmal, hoch, eckig.

Filmkondensatoren können kaum noch kompakter und leistungsfähiger werden – die Gesetze der Physik setzen klare Grenzen. Deshalb geht die Entwicklung in eine ganz andere Richtung: Es werden immer häufiger Kondensatoren für höhere Temperaturen nachgefragt, wenn diese zum Beispiel in räumlicher Nähe von Motoren oder von Leistungshalbleitern mit hohen Schaltfrequenzen wie Siliziumkarbid- oder Galliumnitrid-Bauelementen betrieben werden sollen. Dafür müssen neue Konzepte entwickelt werden, um die Induktivität solcher Bauteile auf ein Minimum zu reduzieren. Generell hängt die Induktivität eines Kondensators vom mechanischen Aufbau ab. Es gilt, die Ströme so durch den Kondensator zu leiten, dass die entstehenden Magnetfelder sich untereinander aufheben. Das spielt unter anderem in der Solar- und Windenergie, dem Automobilbereich oder der Bahntechnik eine Rolle.