Aluminium-Kondensatoren: Überblick

Aluminium-Kondensatoren sind sehr weit verbreitete elektrische Komponenten und werden bereits seit mehr als einem Jahrhundert verwendet. Dabei handelt es sich um sogenannte Elektrolytkondensatoren – das bedeutet, dass sie über ein bestimmtes Elektrolyt verfügen.

Ein Aluminiumkondensator ist ein sehr simples Gerät und so kommt es nicht von ungefähr, dass seine Technologie bis in das 18. Jahrhundert zurückgeht. Ein deutscher Wissenschaftler namens von Kleist gilt als erster Mensch, der einen solchen Kondensator gebaut hatte. Das erste Gerät, das im Grunde wie ein Kondensator funktionierte, trägt jedoch den Namen eines niederländischen Wissenschaftlers – Leyden –, der die sogenannte Leyden-Flasche erschaffen hatte.

Obwohl bis zur Entwicklung des Aluminium-Kondensators eine ganze Menge Zeit verging, hat er dennoch einige Gemeinsamkeiten mit der Leyden-Flasche. Die Leyden-Flasche hatte Metall an der Innen- und der Außenseite eines Behälters. Glas zwischen den Platten verhinderte, dass Elektrizität von einer Platte auf die andere Platte überfließt – gleichwohl das Prinzip zur Erschaffung der Kapazität zur damaligen Zeit nicht vollständig verstanden war.

Die Flasche wurde dabei mit einer positiven Ladung an der inneren Platte versehen. Die Oberseite wurde mit einer Abdeckung versiegelt, von der eine Metallkette herunter hing. Diese diente zum Laden des Geräts. Leyden erkannte, dass er den soeben erschaffenen Kondensator entladen konnte, indem er die innere mit der äußeren Platte verband. Bis diese Verbindung hergestellt wurde, konnte das Gerät seine Ladung jedoch problemlos aufrecht halten.

Die Flasche war dabei halbwegs mit Wasser gefüllt. Damals dachte man, das Wasser wäre der wichtigste Teil des Geräts. Benjamin Franklin erkannte jedoch zu einem späteren Zeitpunkt, dass er dasselbe Ergebnis erhielt, als er zwei flache Folienstücke mit einer Glasplatte verknüpfte. Der Behälter – und auch das Wasser – waren nicht erforderlich.

All diese Arbeiten galten damals jedoch noch als experimentelle Neuheit. Bis schließlich Michael Faraday alles auf den Kopf stellte. Als Erfinder und leidenschaftlicher Tüftler begann er, Kondensatoren als Speicher der ungenutzten Ladung seiner Experimente zu verwenden. Seine Kondensatoren bestanden dabei aus großen Fässern.

Im Endeffekt gilt Faraday als der Wissenschaftler, der am häufigsten mit Kondensatoren in Verbindung gebracht wird. Die Messgröße der Kapazität trägt somit nicht zu Unrecht seinen Namen - Farad. Farad ist eine sehr hohe Zahl, und so werden die meisten Kondensatoren in Bruchteilen eines Farad gemessen.

Obwohl es einige Jahre gedauert hat, um den Kondensator als solches zu entwickeln, sind die grundlegenden Prinzipien hinter seiner Funktion uns allen sehr geläufig. Wenn Sie beispielsweise einen Blitz am Himmel sehen, sehen Sie, wie eine gespeicherte Ladung freigegeben wird. Dabei können die Wolken als eine Platte des Kondensators angesehen werden, der Erdboden hingegen als die andere Platte. Bei der Entladung wird die Elektrizität letztlich als Blitz sichtbar, der zwischen diesen beiden geladenen „Platten“ überspringt.

Platten eines Kondensators müssen jedoch nicht so weit voneinander entfernt sein wie Himmel und Erde. Tatsächlich funktionieren Kondensatoren besser, wenn der Abstand zwischen den beiden Platten kleiner ist. Beide Aluminiumkondensatoren wird das dadurch erzielt, dass die Platten nur mit einem sehr dünnen Blatt Papier voneinander getrennt sind.

 

Elektrolytkondensatoren und deren Entwicklung

Elektrolytkondensatoren – zu denen auch Aluminiumkondensatoren gehören – sehen ihren Ursprung bei den Anfängen der Funktechnik. Und während Radiogeräte immer beliebter wurden, war der Punkt, dass sie in den meisten Fällen lediglich batteriebetrieben waren, eher ein Hindernis für den Verbraucher. Da Netzstrom bereits frei verfügbar war, kam selbstverständlich der Wunsch auf, auch Radios an diese prinzipiell unendliche Stromquelle anzuschließen.

Das Problem dabei war bloß das Störgeräusch, das der Wechselstrom aus der Steckdose in das Gerät einführte. Bei manchen Geräten können Sie dieses Geräusch noch immer hören, insbesondere bei Verstärkern für Musikinstrumente. Dabei wird ein summendes Geräusch erzeugt.

Die Lösung: Ein Kondensator. Ein Mann namens Lilienfield entwickelte einen Kondensator, mit dessen Hilfe Radiogeräte ganz ohne störende Geräusche an die Steckdose angesteckt werden konnten. Diese Kondensatoren legten den Grundstein für Aluminiumkondensatoren, wie sie auch heutzutage verwendet werden. Auch ihr Aufbau ist den modernen Varianten sehr ähnlich. So verfügten sie über ein Dielektrikum zwischen zwei Leitern - bei modernen Aluminiumkondensatoren sind dies das Blatt Papier und die beiden Aluminiumflächen.

Kondensatoren haben im Englischen zwei verschiedene Bezeichnungen („Capacitor“ und „Condenser“), im Deutschen ist dies jedoch nicht der Fall.

 

Was ist ein Aluminiumkondensator?

Ein Aluminiumkondensator ist ein bestimmter Elektrolytkondensator mit der Fähigkeit, besonders hohe Kapazitäten aufzunehmen. Mit aus diesem Grund sind diese Geräte bereits seit vielen Jahrzehnten im Einsatz und können dank ihrer preiswerten Gestaltung eine Low-Cost-Lösung für besonders herausfordernde und vielseitige Anwendungen bieten.

Aluminiumkondensatoren sind in vielen verschiedenen Größen erhältlich. So reichen sie von Geräten, die mühelos auf einer Leiterplatte untergebracht werden können, bis hin zu Geräten, die besonders viel Platz benötigen. Die größten Kondensatoren, mit denen zudem viele von uns vertrau sein mögen, sind etwa so groß wie eine Getränkedose und sind im hinteren Teil älterer Fernsehgeräte zu Hause.

 

Welche Komponenten befinden sich in einem Aluminiumkondensator?

Die Komponenten in einem Aluminiumkondensator sind recht simpel. Sie umfassen eine Aluminiumoxidschicht sowie Aluminiumfolie und Kondensatorpapier – auch Elektrolytpapier genannt.

Die elektrolytische Komponente trägt dabei zur Bildung einer Schicht aus Oxid bei, die für die Funktion dieser Geräte unerlässlich ist. Diese Oxidschicht stellt die Isolation des Kondensators nach vorne hin sicher.

Würde man einen solchen Kondensator auseinander nehmen, kämen lediglich zwei Streifen Aluminiumfolie mit einem Blatt Papier dazwischen zum Vorschein. Die beiden Aluminiumstreifen stellen dabei die Anode und die Kathode des Kondensators dar, während das Papier eine Barriere zwischen diesen beiden aufbaut. Die Folie wird zudem um einen bestimmten Aufbau gewickelt, sodass die eingewickelten Teile mit dem Elektrolyt behandelt werden.

Das Dielektrikum eines Aluminiumkondensators ist Aluminiumoxid. Andere Kondensatoren verwenden andere Materialien als Dielektrikum um ihre Kapazität zu erzeugen, bei Aluminiumkondensatoren kommt jedoch immer Aluminiumoxid zum Einsatz.

Dennoch sind diese Kondensatoren in zwei verschiedenen Varianten erhältlich. So verwenden manche von ihnen eine schlichte, unbehandelte Folie, während manch andere Kondensatoren auf eine Folie zurückgreifen, die mit einer Chemikalie verätzt wurde. Verätzte Folien bieten eine größere Oberfläche. Zudem können Kondensatoren mit verätzter Folie höhere Kapazitäten bei kleinerem Aufbau erzeugen, sind jedoch etwas empfindlicher bei starkem Gleichstrom. Ebenso bestechen Kondensatoren mit verätzter Folie durch einen höheren Toleranzwert als ihre Pendants mit schlichter Folie.

Kondensatoren dieser Art können sehr mühelos auseinander gebaut werden - vorausgesetzt, sie werden vorher vollständig entladen. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Kondensator an einen Verbraucher angeschlossen wird – beispielsweise eine Lampe –, der Aufschluss darüber gibt, ob der Kondensator vollständig entladen ist. Im Anschluss daran kann das äußere Gehäuse abgenommen werden, sodass eine weitere Hülle freigelegt wird, in der die Komponente verpackt ist. Nach Abbau der Hülle kommen die Rollen aus Aluminiumfolie und das Papier zum Vorschein. Diese Komponenten sind sehr eng in dem Gerät verstaut.

Da diese Komponenten mitunter Materialien beinhalten, die gefährlich sein können, sollten Sie stets darauf achten, dass Sie entsprechende Schutzmaßnahmen vorbereitet haben.

 

Was geschieht im Inneren eines Aluminiumkondensators?

Die grundlegende Funktion eines Kondensators besteht darin, eine elektrische Ladung aufzunehmen und sie zu halten. Sie sind nicht mit Batterien zu verwechseln, bieten jedoch auch die Möglichkeit, eine elektrische Ladung für bestimmte Zwecke zu speichern.

Bei einem Kondensator wird die jeweilige Ladung über die Anode von der positiven Seite des Schaltkreises eingeleitet. Dabei stellt eine dielektrische Schicht sicher, dass die Ladung nicht einfach unkontrolliert durch den Kondensator fließt. In diesem Falle ist diese dielektrische Schicht aus Aluminiumoxid. Wird der Kondensator entladen, so wird die Ladung sehr schnell freigesetzt. Aus diesem Grund müssen große Kondensatoren stets entladen werden, bevor an ihnen gearbeitet werden kann. Deshalb können auch ältere Fernsehgeräte – die mitunter sehr große Kondensatoren beinhalten konnten – gefährlich sein.

Aluminiumkondensatoren arbeiten im Grunde genommen wie jeder andere Kondensator auch. Das Dielektrikum stellt eine isolierende Schicht dar, die verhindert, dass ein elektrischer Strom von der Seite der Anode zur Seite der Kathode fließen kann. Im Idealfall erfolgt das ohne den geringsten Leckstrom – in der Praxis ist ein solches Leck jedoch stets vorhanden.

Sollte ein Aluminiumkondensator überladen und Gefahr laufen zu explodieren, kann das Gerät in aller Regel über ein spezielles Ventil Druck ablassen und eine solche Katastrophe verhindern. Dies führt jedoch erneut vor Augen, dass die Arbeit mit einem Kondensator stets gewisse Gefahren beinhalten kann. Nicht zuletzt deshalb ist es ausgesprochen wichtig, dass diese Komponenten ordnungsgemäß angeschlossen werden. Bei umgekehrter Polarität können bei dem Kondensator mitunter sehr gefährliche Fehlfunktionen auftreten.

 

Welche Unternehmen bieten Aluminiumkondensatoren an?

Aluminiumkondensatoren sind inzwischen so weit verbreitet, dass sie von einer ganzen Reihe an Unternehmen hergestellt werden. Zu den bekanntesten Herstellern zählen unter anderem die Folgenden:

 

• ebm-papst
• Epcos
• Illinois Capacitor
• Nippon Chemi-Con
• Nichicon
• Cornell-Dubilier
• Kemet
• Visay
• Yageo
• Sanyo
• Robycon
• RS
• Phycomp
• Panasonic

 

Aluminiumkondensatoren sind jedoch noch vielen weiteren Herstellern erhältlich.

 

Was beschreibt die Kapazität eines Aluminiumkondensators?

Die Kapazität ist die wichtigste Eigenschaft eines Aluminiumkondensators. Sie gibt an, wieviel elektrische Ladung das Gerät speichern kann.

Die Kapazität wird in Farad angegeben, kurz: F. Dabei handelt es sich um eine sehr große Einheit, sodass viele Kondensatoren in Bruchteilen von Farad gemessen werden, einschließlich Milli- und Mikrofarad. Kleinere Werte sind jedoch ebenfalls erhältlich, darunter Nano-, Piko- und Femtofarad.

Berechnet werden kann die Kapazität, indem die Ladungen auf den Platten und Spannung dazwischen bestimmt und in die Formel C=q/V eingesetzt werden.

 

Was beschreibt die Toleranz von Aluminiumkondensatoren?

Kein Kondensator ist perfekt – und so ist beim Einsatz von Kondensatoren immer ein gewisses Maß an Toleranz zu berücksichtigen. Die Toleranz wird dabei in Prozent angegeben und gibt an, um wieviel Prozent der Kondensator bei Gebrauch letztlich von seinen Nennwerten abweichen kann. Dieser Wert kann variieren, wenn der Kondensator bei Gebrauch wärmer oder kälter wird. Die grundlegende Berechnung erfolgt jedoch bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius.

 

Was ist der Gleichwertige Serienwiderstand?

Im Idealfall würde ein Kondensator lediglich den Parameter Kapazität in eine Schaltung einführen. Da elektrische Komponenten jedoch niemals ideal sind, führen Kondensatoren auch einen elektrischen Widerstand in den Schaltkreis ein. Dieser Widerstand wird als Gleichwertiger Serienwiderstand bezeichnet. Bei Elektrolytkondensatoren mit flüssigem oder festem Elektrolyt kann dieser Wert im Bereich einiger Ohm liegen. Ebenso kann dieser Wert im Laufe der Zeit sowie bei ansteigender Frequenz des Signals zunehmen, das durch den Kondensator verläuft.

 

Wie lautet die Definition des Brummstroms eines Aluminiumkondensators?

In Schaltungen, bei denen Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird, beschreibt der Brummstrom eine kleine Abweichung in dem Gleichstrom. Ursprung dieser Abweichung ist der eingeführte Wechselstrom.

 

Wie hoch ist die Lebensdauer eines Aluminiumkondensators?

Die Lebensdauer eines Aluminiumkondensators wird in Betriebsstunden gemessen und gibt an, wie lange das Gerät zuverlässig funktionieren wird. Ein Jahr hat grob gesagt 9.000 Stunden; wenn also ein Kondensator mit einer Lebensdauer von 9.000 Stunden angegeben ist, könnte dieser 1 Jahr lang ununterbrochen laufen, bevor seine Zuverlässigkeit abnimmt.

 

In welchen verschiedenen Bauarten sind Aluminiumkondensatoren erhältlich?

Aluminiumkondensatoren können auf verschiedene Arten aufgebaut sein. So sind sie in axialen, zylinderförmigen und flachen Designs erhältlich. Am weitesten verbreitet sind jedoch Kondensatoren mit dosenförmigem Aufbau. Dabei handelt es sich in der Regel um etwas größere Geräte, die zwar an eine Leiterplatte angeschlossen sind, sich aufgrund ihrer Größe jedoch nicht auf der Leiterplatte selbst befinden.

 

Was beschreibt der Leckstrom eines Aluminiumkondensators?

Leckstrom ist ein ungewollter Strom, der aus dem Kondensator leckt. Dieses Phänomen kann auftreten, wenn der Kondensator abgeschaltet wird, jedoch noch immer eine geringe Menge an Strom in den Schaltkreis einleitet. Eine weitere Ursache für Leckstrom kann sein, dass einige Ladungsträger das Dielektrikum durchstoßen haben, sodass die in dem Kondensator gespeicherte Energie durchsickern kann.

 

Was bedeuten die maximale und die minimale Betriebstemperatur eines Aluminiumkondensators?

Aluminiumkondensatoren werden von der Temperatur beeinflusst. Dabei geben diese Zahlen an, bis zu welchen maximalen und minimalen Temperaturen ein Kondensator arbeiten kann und in seinen Toleranzen verbleiben wird. Werden diese Werte jedoch überschritten, können Kondensatoren mit flüssigem Elektrolyt letztendlich explodieren.

 

Was ist mit Toleranz Minus und Toleranz Plus eines Aluminiumkondensators gemeint?

Die Größe Toleranz Plus gibt an, um wieviel ein Kondensator seine festgelegten Nennwerte überschreiten kann, ohne Veränderungen der Leistungsdaten festzustellen. Toleranz Minus ist schlichtweg das genaue Gegenstück.

Quelle: /web/c/passive-components/capacitors/aluminium-capacitors/