Gefiltert
Kondensatoren werden häufig zur Filterung und Entkopplung eingesetzt. In Kleinsignalanwendungen wird die Kapazität durch die Filtertopologie und den Frequenzbereich des Filters bestimmt. In Stromversorgungsschaltungen müssen Kondensatoren sehr hohe elektrische Energiemengen speichern und Sicherheitsanforderungen erfüllen können. Hier gilt: Je größer, desto besser, da die Belastbarkeit und die integrierte Isolation des Kondensators wichtiger sind als seine Größe. Die Größe, insbesondere der Mindestabstand zwischen stromführenden Leiterbahnen auf einer Leiterplatte oder zwischen Drähten, ist ein entscheidender Parameter in vielen Sicherheitsstandards. Dies veranlasst viele Hersteller, die Bauteilmaterialien und das Design zu verbessern, um die Kapazität zu erhöhen, anstatt die Größe zu reduzieren. Viele große Kondensatoren werden für die Filterung in Stromversorgungssystemen verwendet.
Kondensatoren der Klasse X und Klasse Y
Kondensatoren der Klassen X und Y gehören zu den am häufigsten verwendeten großen Filterkondensatoren in Wechselstromanwendungen und werden oft als EMI/RFI-Unterdrückungskondensatoren oder Netzfilter-Sicherheitskondensatoren bezeichnet. Aufgrund der Sicherheitsrisiken, die von einer direkten Verbindung mit Wechselstrom über die Außen- und Neutralleiter (Klasse Y) ausgehen, sind alle diese Steckverbinder sicherheitszertifiziert, und jegliche Störungen müssen so behoben werden, dass die Sicherheit gewährleistet ist.
Klasse-Y-Kondensatoren reagieren besonders empfindlich auf die Spannungsspitzen und -transienten, die typischerweise in der Stromversorgung von Haushaltsgeräten und Industrieanlagen auftreten. Beispielsweise kann ein naher Blitzeinschlag extrem hohe Spannungsspitzen verursachen und das Gerät mit hoher Wahrscheinlichkeit beschädigen. Ein Ausfall eines Klasse-Y-Kondensators kann jedoch aufgrund des Verlusts der Erdung einen potenziell tödlichen Stromschlag zur Folge haben. Um dies zu verhindern, sind Klasse-Y-Kondensatoren so konstruiert, dass sie im Fehlerfall einen offenen Zustand annehmen. Dadurch wird zwar ihre Filterfunktion aufgehoben, aber letztendlich eine Sicherheitsgefahr beseitigt.
Wenn ein Kondensator der Klasse X ausfällt, verursacht er mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Kurzschluss, der wiederum eine Überstromschutzeinrichtung wie eine Sicherung oder einen Leitungsschutzschalter auslöst. Daher ist es unwahrscheinlich, dass der Kondensatorausfall zu einem Stromschlag für den Benutzer führt.
Die Ausfallanfälligkeit eines Kondensators hängt von seinem internen Aufbau ab. Bei X- und Y-Keramikkondensatoren kann es mit der Zeit zu Schäden kommen, die das Bauteil schwächen, bis es schließlich ausfällt. Metallisierte Folienkondensatoren hingegen, wie beispielsweise die Vishay MKP3381-Serie oder die TDK (ehemals EPCOS) B32916-Serie, verfügen über Selbstheilungsmechanismen, die Kurzschlüsse und die daraus resultierenden Schäden verhindern. Im Fehlerfall bildet sich ein isolierter Bereich, der es dem Kondensator ermöglicht, seine Betriebskapazität nahezu vollständig wiederzuerlangen und so einen Kurzschluss zu verhindern. Metallisierte Folienkondensatoren vom Y-Typ sind zudem anfälliger für Leerlaufausfälle als Keramikkondensatoren, was die Sicherheit erhöht.
Die internationale Norm EN 60384-14 definiert verschiedene Untertypen von X- und Y-Kondensatoren. X-Kondensatoren werden in die Kategorien X1, X2 und X3 unterteilt: X1-Kondensatoren werden in Anwendungen mit hoher Impulsfestigkeit eingesetzt, während X2- und X3-Kondensatoren für allgemeine Anwendungen verwendet werden. Y-Kondensatoren werden ähnlich klassifiziert, unterscheiden sich jedoch in ihrer Isolationsklasse: von Y1-Kondensatoren (bis 500 V AC mit einer maximalen Prüfspannung von 8 kV) bis hin zu Y4-Kondensatoren (bis 150 V AC mit einer maximalen Prüfspannung von 2,5 kV). Um die Kapazitätsdichte zu erhöhen, integrieren Hersteller wie Kemet mehrere Kondensatoren in ein und dasselbe Gehäuse; beispielsweise hat der PHE840M eine maximale Kapazität von 10 µF.
Leistungsfaktorkorrektur
Große Kondensatoren werden auch häufig zur Leistungsfaktorkorrektur eingesetzt, die in vielen Ländern gesetzlich vorgeschrieben ist und die Stromversorgungskosten senken kann.
Der Leistungsfaktor eines Systems ist das Verhältnis der tatsächlichen Leistungsaufnahme zum durchschnittlichen Leistungsverbrauch über einen Wechselstromzyklus und zum maximalen Leistungsverbrauch. Werden lineare Leistungswandler in der Eingangsstufe eines Systems eingesetzt, liegt der Leistungsfaktor typischerweise nahe bei 1, was zu Problemen führen kann. Diese Wandler sind im Vergleich zu den moderneren Schaltnetzteilen, die in vielen Eingangsstufen verwendet werden, weniger effizient. Sie erhalten die Leistung in kurzen Impulsen anstatt über den gesamten Wechselstromzyklus, was zu einer hohen Spitzenleistung im Verhältnis zur tatsächlichen Leistung und einem niedrigen Leistungsfaktor führt. Auch ein Hochleistungs-Induktionsmotor weist einen niedrigen Leistungsfaktor gegenüber der Quelle auf.
Hochspannungskondensatoren mit 50 µF oder mehr pro Wechselstromphase können in Modulen zur Leistungsfaktorkorrektur eingesetzt werden. Diese werden typischerweise parallel zu den Geräten des Anwenders installiert, um die Kapazitätsdichte zu erhöhen und die Konstruktion zu vereinfachen. Hersteller wie TDK und Kemet bieten Kondensatoren mit Anschlüssen für alle drei Phasen an, die jeweils mit einem separaten internen Kapazitätsmodul verbunden sind.
Unterdrückung
Große Kondensatoren sind äußerst wertvoll zur Filterung und Unterdrückung von Spannungsspitzen in Systemen, insbesondere bei stark induktiven Lasten wie Motorsteuerungen. Polypropylen-Folienkondensatoren, ähnlich denen, die häufig zur Leistungsfaktorkorrektur eingesetzt werden, eignen sich aufgrund ihrer Selbstheilungsfähigkeit, geringen Verluste und hohen Isolation hervorragend zur Spannungsspitzenunterdrückung. Diese Bauteile sind in Größen von einigen hundert Nanofarad bis zu einigen hundert Mikrofarad erhältlich und werden von verschiedenen Herstellern wie Kemet, TDK, Vishay und Wima angeboten.
Motoren können beim Anlauf und bei plötzlichen Stopps hohe Ströme ziehen. Dies stellt insbesondere für batteriebetriebene Systeme ein Problem dar, da diese den benötigten Spitzenstrom möglicherweise nicht liefern können. Der Einsatz großer Kondensatoren, die hohe Stromimpulse abgeben können, ermöglicht es, auf diese Ereignisse zu reagieren und Spannungsabfälle in anderen Systemteilen zu verhindern. Elektrolytkondensatoren, wie beispielsweise die Aluminium-Elektrolytkondensatoren der MS/MD-Serie von Kemet, bieten typischerweise den niedrigen Serienwiderstand und die Kapazität, die erforderlich sind, um das System während der Millisekunden eines Spitzenstrombedarfs zu unterstützen.
Hochstromrelais in einem System stellen eine weitere Quelle von Spannungsspitzen dar, die unterdrückt werden müssen: Lichtbögen an den Kontakten beim Öffnen und Schließen des Relais. Werden diese nicht unterbunden, korrodieren die wiederkehrenden Lichtbögen die Relaiskontakte und führen schließlich zum Ausfall. Ein parallel zur Relaislast geschalteter Kondensator unterdrückt die Lichtbogenbildung, da er sich schneller laden und entladen kann als das Relais schaltet. Wie bei anderen Hochleistungsfilter- und Entstöranwendungen verwenden effektive Kondensatoren eine metallisierte Folienkonstruktion. Da die Ladezeit kritisch ist, muss bei der Bauteilauswahl das Verhältnis zwischen der erforderlichen Kapazität und dem effektiven Serienwiderstand berücksichtigt werden. Da viele Folienkondensatoren einen niedrigeren ESR-Wert aufweisen als für eine typische Entstörschaltung erforderlich, wird häufig ein niederohmiger Widerstand in Reihe geschaltet.
Abschluss
Da die Fähigkeit, hohe Spannungs- und Stromspitzen zu überstehen und hohe Leistungspegel langfristig zu bewältigen, für viele Anwendungen entscheidend ist, sind große Kondensatoren mit hoher Kapazität unerlässlich. Hersteller arbeiten kontinuierlich an der Leistungssteigerung und Verbesserung der Systemdichte durch gemeinsame Verkapselung. In diesen Anwendungen ist eine Verkleinerung der Bauteile jedoch nicht wünschenswert, da die Designentscheidungen von der Kapazität bestimmt werden.
