Ein großes Problem in der Elektrizitätslehre ist die Tatsache, dass elektrische Ladung nicht in den gewünschten großen Mengen gespeichert werden kann. Dies soll durch die folgende Aufgabe näher veranschaulicht werden.
Aufgabe
Aufgabe
Ein Haushalt benötige an einem Tag die elektrische Energie von \(10\,\rm{kWh}\).
Berechne, wie groß die Kapazität eines Kondensators sein müsste, damit diese elektrische Energie bei \(U=230\,\rm{V}\) gespeichert werden könnte.
Um große Kapazitäten von Kondensatoren zu erreichen, muss man (ausgehend von der Formel für die Kapazität des Plattenkondensators) \[C = {\varepsilon _0} \cdot {\varepsilon _{\rm{r}}} \cdot \frac{A}{d}\] große Elektrodenflächen \(A\) und kleinste Abstände \(d\) der Elektroden anstreben. Darüber hinaus muss man ein Dielektrikum mit einer möglichst großen relativen Dielektrizitätszahl \({\varepsilon _{\rm{r}}}\) verwenden. Um große Ladungsmengen speichern zu können, sollte der Kondensator auch relativ spannungsfest sein, was bei kleinsten Elektrodenabständen wegen möglicher elektrischer Überschläge ein Problem darstellt.
Die Graphik zeigt in einem Kapazitäts-Durchschlagsspannungs-Diagramm was die einzelnen Kondensatortypen zu leisten in der Lage sind. So kann man z.B. entnehmen, dass die Doppelschicht-Kondensatoren inzwischen sehr hohe Kapazitätswerte erreichen, die an die Kondensatoren anlegbare Spannung aber relativ gering ist.
Dreh- und Trimmkondensatoren
Beim Drehkondensator handelt es sich um einen Kondensator variabler Kapazität. Dies wird dadurch erreicht, dass durch den drehbaren (beweglichen) Plattensatz unterschiedliche Plattenflächen, welche sich gegenüberstehen, eingestellt werden können. Da als Dielektrikum Luft verwendet wird, liegt der Kapazitätsbereich nur etwa zwischen \(5\,{\rm{pF}}\) und \(500{\rm{pF}}\). An einen Drehkondensator kann eine Spannung von ca. \(500\,{\rm{V}}\) angelegt werden.
Trimmkondensatoren (Trimmer) sind stufenlos einstellbare Kondensatoren variabler Kapazität etwa im Bereich von \(1\,{\rm{pF}}\) bis ca \(60\,{\rm{pF}}\). Meist erfolgt die Kapazitätsänderung durch Verstellen der kapazitiv wirksamen Fläche. Im Gegensatz zum Drehkondensator dienen Trimmkondensatoren meist zu einem einmaligen Abgleich der Kapazität.
Folien-Kondensatoren
Bei Folienkondensatoren werden zwei dünne Metallfolien, welche die "Kondensatorelektroden" darstellen, durch eine Isolierfolie, welche die Funktion des Dielektrikums übernimmt, getrennt. Durch Aufwicklung der Folien erreicht man relativ hohe Kapazitätswerte ohne dass das Volumen des Kondensators sehr hoch ist. Dampft man auf die Isolierfolie beidseitig eine Metallschicht auf, so erreicht man ein noch kleineres Bauvolumen des Kondensators.
Abhängig von Folientyp zwischen den Elektroden unterscheidet man verschiedene Sorten von Folienkondensatoren:
Kunststofffolienkondensatoren: Die Folie besteht aus einem Kunststoff.
Papierkondensatoren: Bei Papierkondensatoren wird ein in Isolieröl oder Vaseline getränktes Spezialpapier als Dielektrikum verwendet. Zum Schutz gegen Feuchtigkeit wird der gewickelte Papierkondensator in ein Keramikröhrchen eingelötet.
Metallpapierkondensatoren (MP-Kondensatoren): Bei den Metallpapierkondensatoren sind die Elektroden als eine etwa \(100\,\rm{nm}\) bis \(1\,\rm{\mu m}\) dicke Metallschicht auf das Dielektrikum aufgedampft. Als Umhüllung werden meistens Metallrohre oder Metallbecher verwendet. MP-Kondensatoren weisen eine sogenannte "Selbstheilung" auf: Bei einem Durchschlag verdampft wegen der geringen Dicke der Metallschicht der Belag an der Durchschlagstelle, wodurch ein bleibender Kurzschluss zwischen den Belägen vermieden wird.
Keramik-Kondensatoren
Keramik-Kondensatoren besitzen als Dielektrikum einen Keramikkörper auf den meist Metallelektroden aufgedampft sind. Die Dicke des Dielektrikums kann auf bis zu \(1\,\rm{\mu m}\) verringert werden (Korngröße des Materials). Die Kapazität der Keramik-Kondensatoren liegt eher im niedrigeren Kapazitätsbereich. Meist sind die Keramik-Kondensatoren in Scheiben- oder Röhrenform ausgeführt und zum Oberflächenschutz mit Kunstharz überzogen.
Elektrolyt-Kondensatoren
Wie du dem Diagramm in Abb. 2 entnehmen kannst, liegen die Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren und die Tantal-Kondensatoren eher im Bereich höherer Kapazitätswerte. Hohe Kapazitätswerte werden dann erreicht, wenn große Elektrodenflächen (erhöht allerdings die Baugröße des Kondensators), kleine Elektrodenabstände und eine hohe relative Dielektrizitätszahl zum Tragen kommen.
Der Aluminium-Elektrolyt-Kondensator (Al-Elko)
Die relativ hohe Kapazität dieses Kondensatortyps wird dadurch erreicht, dass die Plus-Elektrode aus Aluminium elektrolytisch oxidiert wird, was zu einem extrem dünnen Dielektrikum führt. An diese Oxidschicht schließt ein elektrisch leitender Elektrolyt als Gegenelektrode an, die schließlich über eine Aluminiumfolie an den Minuspol angeschlossen wird.
Polt man einen Elektrolyt-Kondensator falsch, so kommt es zur elektrochemischen Auflösung der Oxidschicht und zur Zerstörung des Kondensators (u. U. verbunden mit einer kleinen Explosion aufgrund der Gasbildung).
Im Vergleich zu anderen Kondensatortypen gleicher Baugröße besitzen Elektrolytkondensatoren eine vergleichsweise hohe Kapazität. Dies ist auf das sehr dünne Dielektrikum und die relativ hohe Oberfläche der Aluminiumfolien zurück zu führen, welche z.B. durch Ätzung erzielt wird.
Abb. 7 zeigt den Aufbau eines Aluminium-Elko im Detail: man sieht eine Darstellung des Elko-Wickel-Pakets mit einer Schnittzeichnung. Die meanderförmigen Ausbuchtungen des Dielektrikums und Elektrolyten symbolisieren die Oberflächenvergrößerung z.B. durch Ätzung.
Der Tantal-Elektrolyt-Kondensator
Die Anode dieses Kondensatortyps besteht aus Tantal. Als Dielektrikum dienen Tantalkörnchen, welche mit Tantaloxid überzogen sind. Die Kathode setzt sich beim Tantal-Elektrolytkondensator aus einer elektrisch leitenden Schicht aus Mangandioxid, die durch Kontaktschichten aus Graphit und Silberleitlack ergänzt wird, zusammen.
Tantal-Elkos übertreffen die Aluminium-Elkos in vielen Bereichen. So weisen sie z.B. kleinere Restströme auf und können auch nach längerer spannungsloser Lagerzeit - im Gegensatz zu den Aluminium-Elkos - sofort eingesetzt werden. Tantal-Elkos haben bei identischen Kenndaten kleinere Baumasse als die Aluminium-Elkos.
Doppelschicht-Kondensatoren
Doppelschicht-Kondensatoren wurden zunächst von der Firma Panasonic unter der Markenbezeichnung "Goldcap" eingeführt. Dabei handelt es sich um Kondensatoren mit extrem hoher Kapazität von bis zu \(100\,\rm{F}\) und mehr, jedoch relativ niedriger Maximalspannung von ca. \(2{,}3\,\rm{V}\).
Doppelschicht-Kondensatoren werden zunehmend in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Die Superkondensatoren haben eine sehr große Oberfläche und können sehr schnell geladen werden. Die im Kfz-Betrieb ständig vorkommenden Entlade- und Ladevorgänge beeinträchtigen ihre Leistung nicht. Superkondensatoren können u. a. die Bremsenergie von Fahrzeugen speichern und beim Anfahren wieder bereit stellen. Auch für das Standlicht bei der Fahrradbeleuchtung werden kleinere Doppelschicht-Kondensatoren verwendet.
Stark vereinfachte Darstellung des Aufbaus
Legt man zwischen die beiden Elektroden aus Aktivkohle (diese besitzt eine extrem große Oberfläche von ca. \(1000\,\frac{\rm{m}^2}{\rm{g}}\)) eine Spannung, so wandern die Anionen des Elektrolyten zur positiv aufgeladenen Elektrode und die Kationen zur negativ aufgeladenen Elektrode. Es bilden sich zwei Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern mit einer Schichtdicke, die nur wenige Moleküldurchmesser beträgt.
Auf diese Weise entstehen zwei in Serie geschaltete Kondensatoren deren eine Elektrode aus Aktivkohle besteht, deren Dielektrikum die positive bzw. negative Ladungsträgerschicht (Ionen) ist und deren jeweils zweite Elektrode durch den Elektrolyten gebildet wird (daher der Name Doppelschicht-Kondensator).
In der Mitte des elektrisch leitenden Elektrolyten befindet sich der ionendurchlässige Separator, der den Kontakt der Elektroden aus Aktivkohle verhindern soll, wenn die ganze Anordnung zu einem Wickel aufgerollt wird.
Die Kapazität der Doppelschicht-Kondensatoren liegt weit über der von Elektrolyt-Kondensatoren. Im Vergleich zu Akkumulatoren können diese Kondensatoren die Energie in sehr viel kürzerer Zeit speichern. Inzwischen sind die Kondensatortypen mit Kapazitätswerten von einigen \(\rm{F}\) bis hin zu einigen \(1000\,\rm{F}\) erhältlich.