Ratgeber
Die Eigenschaft bipolar im Zusammenhang mit Kondensatoren mag verwirren. Schließlich sind alle üblichen Kondensatoren zweipolig und in beliebiger Ausrichtung einsetzbar.
Das unterscheidet sie ganz wesentlich von üblichen Elektrolytkondensatoren. Die sind aufgrund ihrer inneren Struktur nur für Gleichspannungen geeignet und besitzen daher einen Plus- und einen Minuspol. Normale Kondensatoren besitzen dagegen keinerlei Polarität und funktionieren auch mit Wechselspannungen.
Es gibt aber auch Elektrolytkondensatoren für Wechselspannungen, die in beiden Stromrichtungen funktionieren – bipolare Kondensatoren. Lesen Sie hier, wie diese Spezialtypen aufgebaut sind und funktionieren. Wir geben Ihnen außerdem Tipps für die Beschaffung.
Funktion
Ein Elektrolytkondensator oder kurz Elko ist ein Kondensator, der einen Elektrolyten verwendet und damit eine deutlich größere Kapazität als andere Kondensatortypen erreicht. Unter Elektrolyt ist eine Flüssigkeit oder ein Gel mit einer hohen Ionenkonzentration zu verstehen.
Bis auf bipolare Typen sind alle Elektrolytkondensatoren gepolt. Das bedeutet, dass die Spannung am positiven Anschluss immer größer sein muss als die Spannung am negativen Anschluss.
Der Vorteil der großen Kapazität von Elektrolytkondensatoren bringt auch einige Nachteile mit sich. Zu diesen Nachteilen gehören Leckströme, teilweise große Toleranzen bei den Werten, ein äquivalenter Widerstand und eine begrenzte Lebensdauer.
Typen
Elektrolytkondensatoren können entweder ein Nass-Elektrolyt oder ein Polymer-Elektrolyt enthalten. Als metallisches Fertigungsmaterial wird in der Regel Tantal oder Aluminium genutzt, obwohl auch andere Materialien verwendet werden können.
Superkondensatoren sind eine spezielle Unterart von Elektrolytkondensatoren, auch Doppelschicht-Elektrolytkondensatoren genannt, mit Kapazitäten von Hunderten und Tausenden von Farad.
Die am häufigsten eingesetzten Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind in vielen Anwendungen zu finden, beispielsweise in Netzteilen, Computer-Motherboards und vielen Haushaltsgeräten. Da sie gepolt sind, dürfen sie nur in Gleichstromkreisen verwendet werden.
Klassische Aluminium-Elektrolytkondensatoren bestehen aus zwei Aluminiumfolien mit aufgerauter Oberfläche, einem in Elektrolyt getränkten Papierzwischenstück und einem zylinderförmigen Gehäuse.
Eine der beiden Aluminiumfolien ist mit einer Oxidschicht überzogen und dient als Anode, während die unbeschichtete Folie als Kathode dient. Bei normalem Betrieb muss die Anode im Verhältnis zur Kathode eine positive Spannung aufweisen. Deshalb ist die Kathode meist mit einem Minuszeichen auf dem Kondensatorgehäuse gekennzeichnet.
In der Herstellung werden die Anodenfolie, das mit Elektrolyt getränkte Papier und die Kathodenfolie aufeinandergelegt, gerollt und in das Aluminiumgehäuse gesteckt.
Bei der sogenannten Formierung erhält die Anode durch Anschluss an einen Gleichstromkreis anschließend eine Oxidschicht. Sie dient als Isolator zwischen den beiden Folien und wird als Dielektrikum bezeichnet.
Es gibt zwei gängige Geometrien: axial und radial. Axiale Kondensatoren besitzen einen Stift beziehungsweise Draht an jedem Ende des Zylinders, während sich bei der radialen Geometrie beide Drähte am gleichen Ende des Zylinders befinden.
Unterschiede zwischen normalen und bipolaren Elkos
Vom Prinzip her gibt es keinen Unterschied zwischen den beiden Typen – es handelt sich vielmehr um zwei mit entgegengesetzter Polarität in Reihe geschaltete normale Elkos. Da dies aber konstruktionstechnisch zu viel Raum einnehmen würde, bestehen bipolare Kondensatoren aus zwei Anoden und zwei Kathoden, die umgekehrt formiert und dann zusammengerollt wurden. Daher sind bipolare Typen etwas dicker.
Beim Anschluss in einem Wechselstromkreis fungiert jeweils eine Folienrolle als Durchgang für die jeweilige Halbwelle der Spannung. Während die Anode der einen Rolle die positive Halbwelle durchlässt, blockiert sie gleichzeitig die negative Halbwelle. Ändert sich die Stromrichtung, übernimmt die zweite Folien die umgekehrte Funktion.
Ein bipolarer Kondensator lässt sich somit ohne Berücksichtigung der Polarität wie ein normaler Kondensator in einem Wechselstromkreis betreiben. Daraus resultiert allerdings, dasss immer nur eine Halbwelle verarbeitet wird, was die Kapazität des Kondensators halbiert.
Im Gegensatz zur üblichen Elkos sind bipolare Kondensatoren weitaus weniger belastbar, sowohl hinsichtlich der Spannung als auch der Stromstärke. Ihr Haupteinsatzgebiet liegt somit in Bereichen, in denen kleine Wechselspannungen üblich sind, zum Beispiel bei der Verarbeitung von Audiosignalen.
Bei Frequenzweichen zur Lautsprecheransteuerung beispielsweise geht es darum, den Hoch-, Mittel- und Tieftönern den passenden Frequenzbereich zuzuordnen, was sich mit bipolaren Kondensatoren problemlos realisieren lässt.
Die Strombelastbarkeit ist bei diesen Anwendungen eher zweitrangig, vielmehr ist die Filterfunktion oder die Signalqualität das entscheidende Kriterium. Wichtig sind hier eine hohe Kapazität und eine kleine Bauform, nicht die Lastkapazität.
Außerdem sollten die Bauelemente einen möglichst geringen Widerstand gegenüber Wechselstrom besitzen.
Grenzwerte
Wie bei allen anderen Kondensator-Typen sind auch bei bipolaren Kondensatoren die Grenzwerte für Spannungen und Temperaturen zu berücksichtigen.
Qualität
Die Qualität der verwendeten Kondensatoren bestimmt nicht unwesentlich die Klangqualität einer Lautsprecheranlage.
Serien-Ersatzwiderstand
Ein wichtiger Parameter ist der Serien-Ersatzwiderstand, abgekürzt ESR. Er sollte so gering wie möglich sein und darf während der Lebensdauer des Kondensators nur wenig zunehmen.
Der ESR-Wert steht für die Summe aller seriellen Verluste des Kondensators, der sich aus der Reihenschaltung der Verlustwiderstände und der Induktivität ergibt. So bewirkt allein die Induktivität mit wachsender Frequenz eine Abnahme der wirksamen Kapazität des Kondensators. Dies ist beispielsweise bei Niederfrequenzweichen zu beachten, da es hier auf langfristige genaue Einhaltung der Werte der frequenzbestimmenden Bauelemente ankommt.
Für welche Spannungsbereiche sind bipolare Kondensatoren geeignet?
Für Wechselstrom geeignete Elkos sind hinsichtlich ihrer Spannungsfestigkeit ihren polarisierten Pendants weit unterlegen. So liegen die Grenzwerte oft nur bei 35 Volt Wechsel- und 100 Volt Gleichspannung. Höhere Belastungen können zum Verdampfen des Elektrolyts führen und den Kondensator aufgrund des Überdrucks platzen lassen.
In der Praxis allerdings werden diese Spannungswerte so gut wie nie erreicht, das im Umfeld von Audioanwendungen eher Kleinspannungen oder Niederspannungen im unteren Bereich vorkommen.