Kondensatoren sind aufgrund ihres breiten Anwendungsspektrums ein wesentlicher passiver Bestandteil elektrischer Schaltkreise. Darüber hinaus ist die Auswahl eines geeigneten Kondensatortyps für eine Schaltung erforderlich, da Kondensatoren aufgrund ihrer Struktur und Zusammensetzung in verschiedene Typen unterteilt werden. Folienkondensatoren gehören zu den Kondensatortypen, die eine lange Haltbarkeit und geringe Selbstinduktivität aufweisen und Spannungsspitzen in den Schaltkreisen absorbieren können, ohne beschädigt zu werden.
Gliederung:
Was ist ein Filmkondensator?
Aufbau und Funktionsweise eines Filmkondensators
Arten von Filmkondensatoren
Selbstheilungsfunktion von Filmkondensatoren
Snubber-Schaltung
Leistungsfilter
EMI-Filter
Abschluss
Was ist ein Filmkondensator?
Ein Folienkondensator ist ein Kondensator mit einer Kunststofffolie als Dialektikum zwischen seinen Platten, was ihn kostengünstiger macht und seine Eigenschaften über einen längeren Zeitraum konstant hält. Diese Kunststofffolie ist mit einer Dicke von einem Mikrometer recht dünn. Dieser Kondensator fällt in die Kategorie der nichtpolarisierten Kondensatoren und ist daher in Wechselstromkreisen sehr nützlich. Die Folienkondensatoren können einer Überspannung standhalten, die dem Doppelten ihrer Nennspannungskapazität entspricht.
Aufbau und Funktionsweise eines Filmkondensators
In einem Folienkondensator werden verschiedene Arten von Kunststofffolien verwendet, die unterschiedliche Eigenschaften haben. Polypropylenfolien bieten beispielsweise einen höheren Isolationswiderstand und eignen sich für Schaltkreise mit höheren Strömen. Darüber hinaus weist Polypropylensulfid eine hohe Hitzebeständigkeit und gute Wärmeeigenschaften auf, ist jedoch teuer. Hier sind also die Folientypen mit ihren Eigenschaften, die als Dielektrikum in Folienkondensatoren verwendet werden:
Art der Folienkondensatoren
Basierend auf dem dielektrischen Filmmaterial des Filmkondensators variieren seine Eigenschaften stark. Daher finden Sie hier eine Tabelle, die die Eigenschaften von Filmkondensatoren auf Basis verschiedener Arten von Isoliermaterial zeigt:
Um den Aufbau von Kondensatoren weiter zu veranschaulichen, gibt es zwei Arten von Folienkondensatoren: Folienkondensatoren und Metallkondensatoren bzw. Aufdampfkondensatoren:
Folienkondensatoren
Dieser Kondensatortyp verfügt über Elektroden, die aus Metallfolie bestehen und zwischen den Kunststofffolien des Dielektrikums liegen. Hierbei handelt es sich um gewickelte Folienkondensatoren, die entweder induktiv oder nicht induktiv sein können. Der Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass die Anschlüsse des Ziel-Folienfolienkondensators vor dem Wickeln direkt mit den Elektroden verbunden sind. Der nichtinduktive Folienkondensator hingegen verfügt über Anschlüsse, die mit den Stirnflächen verbunden sind.
Die nichtinduktiven Folienelektroden-Folienkondensatoren weisen im Vergleich zu den induktiven Kondensatoren eine geringere Induktivität und Hochfrequenzeigenschaften auf. Beim induktiven Folien-Folien-Kondensator werden die Metallfolien zwischen zwei Kunststofffolien gelegt und sind nicht direkt verbunden:
Während beim nichtinduktiven Folienkondensator die Metallfolien so platziert sind, dass jede Folie einen bestimmten Abstand von den Kunststofffolien des Dielektrikums hat:
Metallisierter Filmkondensator
Eine andere Art von Folienkondensator ist der metallisierte Folienkondensator, da er über eine dünne Metallschicht verfügt, die auf eine Seite einer dielektrischen Kunststofffolie aufgesprüht ist. Diese abgeschiedene Metallschicht auf der Kunststofffolie erzeugt eine recht dünne Kondensatorelektrode, die sie viel kleiner macht als der Folienkondensator vom Elektrodentyp. Diese Kondensatoren sind nur vom nichtinduktiven Typ, können jedoch entweder vom gewickelten Typ oder vom laminierten Typ sein:
Der Folienkondensator funktioniert genauso wie der allgemeine Kondensator, d. h. wenn eine Stromversorgung an ihn angeschlossen wird, beginnt sich das Potenzial zwischen den beiden Elektroden aufzubauen. Wenn die Ladung auf beiden Platten ihre Kapazität erreicht hat, bedeutet dies, dass der Kondensator vollständig geladen ist. Darüber hinaus verfügen diese Folienkondensatoren über eine Selbstheilungsfunktion, die ihre Haltbarkeit verlängert.
Selbstheilungsfunktion von Filmkondensatoren
Immer wenn die Isolierung aufgrund von hohem Strom, hoher Temperatur oder Überspannung entmetallisiert wird, oxidiert der Filmkondensator den umgebenden abgeschiedenen Film. Dadurch wird der restliche Kapazitätsbereich vom fehlerhaften Bereich getrennt und die Funktionsfähigkeit bleibt somit erhalten:
Diese Isolierung des Fehlerbereichs vom Rest des Kondensators kann jedoch mit der Zeit auch zu einer Verringerung der Kapazität des Kondensators führen. Darüber hinaus gibt es unten eine Tabelle, die die Verschlechterung der Kondensatorkapazität im Laufe der Zeit aufgrund der Oxidation zeigt:
Hier in der Tabelle oben zeigt das blaue Diagramm die Kapazität ohne Selbstheilung, da die Verschlechterung extrem hoch sein und zu massiven Ausfällen führen kann. Wenn die Elektroden mit Sicherungen in Form von Folienkondensatoren verwendet werden, ist die Degradationskurve grün.
Wenn die Sicherungen nicht ordnungsgemäß an die Primärzelle angeschlossen sind, kann dies zu einem Ausfall des Kondensators und damit zu einem schnellen Kapazitätsverlust führen. Die braune Kurve gilt für den Hochleistungsfolienkondensator mit entsprechend segmentierten Elektroden, der aufgrund der reinen Ölimprägnierung eine deutlich höhere Dichte aufweist.
Solche Folienkondensatoren sind so konzipiert, dass sie bei Betrieb mit ihren Nennspannungs- und Stromwerten nicht mehr als 2 Prozent der ursprünglichen Kapazität verlieren. Aus diesem Grund haben diese Folienkondensatoren tendenziell eine längere Lebensdauer als die anderen Kondensatortypen und werden häufig in Wechselstromkreisen verwendet.
Filmkondensatoren in Snubber-Schaltung
Aufgrund höherer Spannungsänderungsgeschwindigkeiten sind Stromkreise in der Regel mit Strom- und Spannungsspitzen konfrontiert. Um solche Probleme zu bewältigen, werden Überspannungsschutzschaltungen eingesetzt. Hauptsächlich sind die Snubber-Schaltkreise mit Folienkondensatoren ausgestattet, um elektromagnetische Störungen und die Belastung der Halbleiter zu reduzieren. Der Folienkondensator kann einer höheren Spannungsänderungsrate standhalten, was dazu führen kann, dass ein höherer Strom durch ihn fließt. Daher ist die dielektrische Kunststofffolie aus Polypropylen im Kondensator eine gute Ergänzung, da sie aufgrund ihres niedrigen äquivalenten Serienwiderstands und ihrer Induktivität Spannungs- und Stromspitzen standhalten kann:
Wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, lädt sich der Kondensator über den Widerstand R auf 1 und wenn der MOSFET eingeschaltet ist, entlädt sich der Kondensator über den Widerstand und die Masse.
Folienkondensatoren als Leistungsfilter
Um die Signale in Wechselrichtern und Motoren herauszufiltern, leiten die Kondensatoren am Ausgang die hohen Welligkeitsströme weiter, um die Spannungsänderungsrate zu reduzieren. Dies reduziert letztendlich den Stress und die elektromagnetische Belastung im System. Eine praktische Umsetzung der Folienkondensatoren als Leistungsfilter ist nachfolgend in der Schaltung dargestellt:
Wenn eine Wechselstromversorgung angeschlossen ist, sollten die Kondensatoren nicht polarisiert sein, ausgenommen die Verwendung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren.
Filmkondensatoren als EMI-Filter
Um die elektromagnetischen Störungen für die Schaltkreise zu filtern, werden metallisierte Filmkondensatoren verwendet, da diese bei offenem Stromkreis ausfallen und mit hohen Spannungen umgehen können. Je nach Verwendungszweck werden Kondensatoren in zwei Kategorien eingeteilt, wenn sie in Stromkreisen angeschlossen werden. Die mit der Bezeichnung
Die Kondensatoren, die in Reihe mit der Erde verbunden sind, werden hingegen als Y kategorisiert und oft als Leitungsbypass-Kondensatoren bezeichnet. Diese Kondensatoren überbrücken die Leitungen zur Erde, was als gemeinsamer EMI-Filtermodus bezeichnet wird. Da diese Kondensatoren ausfallen können, gibt es für den Fall eines Ausfalls spezielle Modi. Das heißt, wenn der X-Kondensator ausfällt, entsteht ein Kurzschluss, der zum Auslösen des Leistungsschalters führt. Wenn außerdem der Y-Kondensator ausfällt, entsteht ein offener Stromkreis, der das Risiko eines Stromschlags minimiert.
Darüber hinaus führt ein Ausfall des X-Kondensators zum Abschalten des Systems und bei einem Ausfall des Y-Kondensators läuft das System weiter, die EMI-Filterung wird jedoch reduziert. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle, die die Sicherheitsbewertungen für die Kondensatoren basierend auf ihren Schaltkreisanschlüssen zeigt:
Um die Verwendung von Filmkondensatoren zur EMI-Filterung weiter zu veranschaulichen, sehen Sie hier einen einfachen Wechselstromkreis einer Stromleitung, der die Kondensatoren als EMI-Filter verwendet:
Die geringe Selbstinduktivität von Folienkondensatoren stellt einen Vorteil dar, da sie die Resonanz des Kondensators hoch hält. Hier ist der X-Kondensator zwischen der Leitung und dem Neutralleiter angeschlossen, während die Y-Kondensatoren zwischen der Leitung und Erde geschaltet sind.
Abschluss
Aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften und unter anderem ihrer Selbstheilungseigenschaften haben Folienkondensatoren in Stromkreisen eine große Bedeutung. Diese Eigenschaft erhöht die Haltbarkeit des Kondensators und verhindert zudem den Ausfall des Systems.
Darüber hinaus werden diese Folienkondensatoren in Typen unterteilt: der eine ist der Folienelektroden-Kondensator und der andere der metallisierte Folienkondensator. Ebenso unterscheiden sich die Folienkondensatoren je nach Art des Isoliermaterials für das Dielektrikum, da die Zusammensetzung des Dielektrikums die Arbeitseigenschaften des Folienkondensators beeinflusst. Aufgrund der Welligkeitsstrombelastbarkeit und der Selbstheilungsfunktion werden Folienkondensatoren gegenüber Aluminium-Elektrolytkondensatoren bevorzugt.