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Kondensatoren

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Neben den Selbstbauern stehen auch Tuner öfters vor dem Problem, Kondensatoren auszuwählen. Dabei will man natürlich für jeden Zweck das optimale Bauteil finden, dessen Eigenschaften in der entsprechenden Schaltung zu besonders guten Ergebnissen führen. Leider ist der Markt schier undurchdringlich groß und gerade im Audiobereich sind Mythen und Halbinformation weit verbreitet. Deshalb hier ein kleiner Leitfaden.

Ein Kondensator ist ein Bauteil, das Energie in Form eines elektrischen Feldes speichern kann. Im Vergleich zu einer Batterie ist die speicherbare Energie recht klein und je nach Einsatzort in der Schaltung wird sie auch u. U. sehr schnell, innerhalb von winzigen Bruchteilen einer Sekunde, wieder abgegeben. Energiespeicherung als solche ist daher selten der Zweck des Kondensators, sondern es ist eher der Einfluss auf Wechselströme interessant.

Ideale Kondensatoren gibt es nicht, diese hätten keine Verluste und keine Induktivität der Zuleitungen. Reale Kondensatoren kommen dem Ideal aber ziemlich nahe. Trotzdem gibt es verschiedene Kondensatorarten, die sich jeweils darin unterscheiden, wie stark sie in dieser Hinsicht vom Ideal abweichen und um welchen Preis. Der gute Elektroniker weiß um diese Abweichungen vom Ideal und auch, welche dieser Abweichungen im vorliegenden Fall relevant sind und welche nicht. Davon ausgehend kann man dann das günstigste Bauteil aussuchen.

In Audioanwendungen gibt es vor allem folgende Einsatzzwecke für Kondensatoren:

    • Siebung und Filterung der Betriebsspannung

    • Kopplung von Audiosignalen bei Abblockung von Gleichstrom

    • Als frequenzbestimmendes Bauteil in aktiven Schaltkreisen

    • Als frequenzbestimmendes Bauteil in Frequenzweichen für Lautsprecher

    • Zur Frequenzkompensation von Verstärkern

  • Zur Unterdrückung von Störfrequenzen

Weitere Anwendungen kommen in der Elektronik vor, sind aber in der Audiotechnik vergleichsweise selten.

Ein Kondensator besteht aus zwei (in der Regel) metallischen Kontakten, die sich gegenüberstehen, durch einen Isolator getrennt. Der Isolator heißt Dielektrikum, und das in ihm aufgebaute elektrische Feld speichert die Energie. Es liegt daher auf der Hand, dass die Eigenschaften des Dielektrikums für den Kondensator entscheidend sind.

Der wichtigste Kondensatorparameter ist die Kapazität. Sie hängt ab von Fläche und Abstand der gegenüberliegenden Kontakte (die Platten) sowie den Eigenschaften des dazwischenliegenden Dielektrikums. Um die Kapazität möglichst groß zu machen, versucht man dreierlei:

    • Die Fläche der Platten möglichst groß machen

    • Den Abstand der Platten möglichst klein machen

  • Die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums möglichst groß machen

Ein weiterer wichtiger Parameter ist die maximale Spannung. Überschreitet man diese im Betrieb, dann kann das Dielektrikum versagen und es kommt zum Stromfluss durch das normalerweise isolierende Dielektrikum. Die meisten Kondensatoren werden dadurch zerstört, es gibt aber auch einige Typen, die so etwas unter bestimmten Umständen überleben können.

Aus der Kapazität und der Spannung ergibt sich übrigens die gespeicherte Energie im Kondensator. Größere Exemplare können genug Energie speichern, um ein Pferd umzubringen, geschweige denn einen Menschen. Neben diesen beiden Hauptparametern gibt es diverse weitere Parameter, die letztlich etwas mit den Abweichungen vom Ideal zu tun haben, so z. B. Leckströme, ESR, ESL, Temperaturkoeffizient, Genauigkeit der Kapazität, Abhängigkeit der Kapazität von der Spannung, dielektrische Absorption, Erlaubter Temperaturbereich im Betrieb, Lebensdauer, etc.

Hier einige weit verbreitete Konstruktionsarten von Kondensatoren:
1. Aluminium-Elektrolytkondensatoren
2. Tantal-Elektrolytkondensatoren
3. Keramikkondensatoren
4. Folienkondensatoren
5. Papier- bzw. Papier-Öl-Kondensatoren

Weitere Typen existieren, haben aber geringere Bedeutung.

Wie man sieht, geschieht die Unterscheidung anhand des Dielektrikums-Materials – keine Überraschung hier. Welche Eigenschaften haben diese verschiedenen Dielektrika und was hat das für die Anwendung im Audiobereich zur Folge?

Aluminium-Elektrolytkondensator

zu 1. Aluminium-Elektrolytkondensator:

Hier ist eine der Platten aus (oftmals aufgerauter) Aluminiumfolie, das Dielektrikum ist eine sehr dünne Schicht aus Aluminiumoxid. Die andere Platte besteht aus einer leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyt. Die Dicke des Aluminiumoxids bestimmt den Abstand zwischen den Platten, welcher hier sehr gering ist. Dadurch ergeben sich relativ große Kapazitäten bei geringem Platzbedarf und geringen Kosten. Für Kapazitäten im Millifarad-Bereich und darüber gibt es praktisch keine wirtschaftlichen Alternativen zu Elkos (so der Kurzbegriff). Der Nachteil der Konstruktion ist ein wegen dem Elektrolyt vergleichsweise hoher Verlustwiderstand, die Tatsache dass Spannungen nur mit einer bestimmten Polarïtät angelegt werden dürfen, weil sonst die Aluminiumoxidschicht vom Elektrolyten „aufgefressen“ wird und die relativ geringe Lebensdauer, vor allem bei hohen Temperaturen, da es zur Austrocknung des Elektrolyten kommen kann.

Tantal-Elektrolytkondensator

zu 2. Tantal-Elektrolytkondensator:

Hier ist das Dielektrikum ein Tantal-Oxid und man verwendet feste Elektrolyten. Das Ergebnis hat eine höhere Lebensdauer und Zuverlässigkeit, ist aber deutlich teurer und verträgt umgekehrte Polarität noch weniger.

Keramikkondensator

zu 3. Keramikkondensatoren:

Angesichts der krassen Unterschiede der hier als Dielektrikum verwendeten Keramiksorten kann man nur wenig Gemeinsames über diese Kondensatorart sagen. So viel trifft aber auf alle zu: Die dünne Metallschicht auf beiden Seiten der Keramik wird normalerweise aufgedampft oder aufgedruckt und dann die Keramik „gebacken“. Es gibt auch Vielschicht-Varianten, in denen sich Metall- und Keramikschichten abwechseln, vielfach übereinandergestapelt. Die Schichtdicken gehen teils bis in den Mikrometer-Bereich herunter. Das Ergebnis ist ein unpolarisierter Kondensator, der Spannung in beiden Polaritäten gleichmäßig verträgt und recht zuverlässig ist.
Bei den Keramiksorten gehen die Unterschiede allerdings richtig los. Es gibt viele Sorten, aber eine Einteilung in 3 Klassen wird den meisten Anforderungen gerecht:

Klasse 1 ist für Keramiken, die eine eng definierte Temperaturcharakteristik haben und deren Kapazität sehr stabil bleibt. Beispiele für solche Materialien sind C0G und NP0. Diese Sorten sind auch für Anwendungen in Filtern geeignet, wo sonst Folienkondensatoren verwendet würden.

Klasse 2 ist für Keramiken, deren Kapazität noch einigermaßen stabil über Temperatur und Spannung ist, so im 20%-Rahmen, die aber schon deutlich spürbare Nichtlinearitäten haben. Beispiel hier ist X7R

Klasse 3 Kondensatoren haben Materialien, deren Kapazität sich mit der Temperatur und der angelegten Spannung ziemlich drastisch ändern können.
Der Sinn in den „höheren“ Klassen liegt darin, dass sie kleinere Baugrößen und damit Kosten für eine gewünschte Kapazität bieten, weil die Dielektrizitätskonstante weit höher ist. Klasse 1 – Kondensatoren werden über ein paar nF Kapazität recht rar, während die Klasse 3 weit in den µF-Bereich hinein reicht.

Folienkondensator

zu 4. Folienkondensatoren

Hier wird eine Plastikfolie als Dielektrikum verwendet. Die Platten werden entweder als Metallaufdampfung auf die Folie aufgebracht oder es handelt sich um eigenständige Metallfolien, die mit der Plastikfolie zusammen aufgerollt werden. Es werden verschiedene Plastiksorten verwendet, aber alle Folienkondensatoren zeichnen sich durch gute Stabilität der Kapazität über Temperatur und Spannung aus, sodass man sie an „kritischen“ Stellen in Audioschaltungen einsetzt.

Papierkondensator

zu 5. Papier- bzw. Papier-Öl-Kondensatoren

Das Dielektrikum ist hier Papier, evtl. imprägniert oder mit Öl getränkt. Für die Platten kommt entweder Metallfolie oder eine Metall-Aufdampfung in Frage und das Ganze wird wieder aufgewickelt. Diese Variante ist etwas aus der Mode, wegen der problematischen Zuverlässigkeit. Das Öl kann evtl. austreten oder es kann Luftfeuchtigkeit eindringen und die Kondensatoreigenschaften verändern (zum Schlechteren).

Wo wird jetzt welcher Typ mit Vorteil eingesetzt?

Bei Siebung in Netzteilen kommt wegen der benötigten Kapazitäten fast nur der Alu-Elko in Frage. Wenn der bei höheren Frequenzen zu große Verluste haben sollte kann man auch andere Kondensatoren geringerer Kapazität parallel schalten. Das ist allgemein eine unterschätzte und gerne übersehene Möglichkeit, die Eigenschaften eines teuren Spezialbauteils viel billiger zu erreichen: Man kombiniert verschiedene Typen miteinander. Eine Parallelschaltung eines Elkos mit einem Keramikkondensator hat, geeignet kombiniert, die Kapazität des Elkos und die Hochfrequenzeigenschaften des Keramikkondensators. Einen einzelnen Kondensator mit diesen Eigenschaften einsetzen zu wollen käme wesentlich teurer.

Bei der Siebung von hochfrequenteren Störungen ist übrigens die Klasse 3 bei Keramik ideal, denn die Kapazitätsvariationen sind hier kein Problem und man braucht eher viel Kapazität bei kleinem Preis und kleiner Bauform.

Auch in Passivweichen kommt man oft wegen der Kapazität nicht um Elkos herum, braucht hier aber unpolare Typen, was man auch billiger durch zwei gegeneinander geschaltete polare Typen erreichen kann. Ansonsten sind hier Folienkondensatoren gefragt, weil sie geringere Toleranzen und höhere Zuverlässigkeit haben.

Tantal-Kondensatoren sind ein Ersatz für Elkos in der Siebung, wo höhere Zuverlässigkeit bei kleiner Bauform gefragt ist und der höhere Preis kein Problem ist.

Keramikkondensatoren haben den Ruf zu verzerren, aber das stimmt nur für Klasse 2 und 3. Klasse 1 – Materialien können ohne Bedenken im Audio-Signalweg eingesetzt werden, also wo wegen der Stabilität, den Toleranzen und der geringen Verzerrung wegen sonst Folienkondensatoren verwendet würden. Dazu gehören frequenzbestimmende Bauteile in Filtern oder Verstärker-Kompensation. Wegen der guten HF-Eigenschaften, insbesondere bei SMD-Bauformen (Oberflächenmontage, ohne Anschlussdrähte), werden sie auch für die Störungsableitung eingesetzt.

Folienkondensatoren sind beliebt für Anwendungen im Signalweg, also bei Filtern, der Abblockung von Gleichspannung, o. ä., und zwar vor allem wenn die benötigten Kapazitäten nicht mehr ohne weiteres von Klasse 1 – Keramik abgedeckt werden, denn Folienkondensatoren sind in der Regel teurer als Keramikkondensatoren.

Auch Elkos können zur Abblockung von Gleichspannung bzw. zu Koppelzwecken verwendet werden, man muss aber die Polarität beachten (eine geringe Spannung in Gegenrichtung bis etwa 1V macht noch nichts) und man sollte im Interesse von geringen Verzerrungen den Kapazitätswert deutlich überdimensionieren (Faktor 10 wenn möglich).

Bestimmte Dielektriken haben einen als dielektrische Absorption bekannten Effekt. Das bedeutet, dass es einen weiteren Energiespeichermechanismus gibt, der etwas mit Molekülausrichtungen zu tun hat und nicht allein auf das elektrische Feld zurückzuführen ist. Der Effekt ist, dass ein Kurzschluss des Kondensators nicht alle gespeicherte Energie entfernt, sodass beim Öffnen des Kurzschlusses wieder eine (geringe) Spannung messbar wird. Die Empfindlichkeit einer Schaltung für diesen Effekt ist sehr unterschiedlich, in einem Fall hat daher der Effekt keine praktischen Konsequenzen, in einem anderen Fall ist er deutlich spürbar. Im Audiobereich ist letzterer Fall selten, aber es gibt Anwendungen in der Messtechnik, wo dieser Effekt sehr stören kann.