Dipl.-Ing. Hans Peschl ist Professor an der Hochschule für Technik in Bremen. Hans Peschl erklärt anhand von Beispielen, was hinter der Typenbezeichnung moderner Wickelkondensatoren steckt und er macht auf Fußangeln der Kondensatoren-Hersteller aufmerksam, in die jeder Service-Techniker arglos hineintappen kann.

.

Erzwingt ein Servicefall den Austausch eines defekten Kondensators, dann ist es immer ratsam, den vom Gerätehersteller vorgeschriebenen Typ zu nehmen. Ist dieser nicht am Lager zu beschaffen, muß man sich mit einem Ersatztyp begnügen, wobei aber auf mehr zu achten ist, als nur auf die gleiche oder eine höhrere Nennspannung und eine in etwa gleiche Kapazität - das Dielektrikum - also die genrelle Type des Kondensators - und eine eventuelle Polarität kann sonst für echten Kummer sorgen.

Papier als Isolierfolie - das war vor etwa 20 Jahren (nach diesem Artikel also etwa 1960 !!) nahezu ausschließlich ein für die Herstellung ungepolter Wickelkondensatoren benutztes Dielektrikum - es ist heute (der Artikel ist von 1981) bis auf einige Spezialfälle - vollständig von Kunststoffen verdrängt worden.

Trotz der Vielfalt an Kunststoffarten gibt es jedoch nur verhältnismäßig wenige Kunststoffe, die als Isolierfolien zum Aufbau von Wickelkondensatoren geeignet sind: Polystyrol, Polypropylen, Polycarbonat, Polyterephthalsäureester (kurz: Polyester) und Lackfolien aus Zelluloseacetat.

In Tabelle 1 sind die wichtigsten elektrischen Eigenschaften der vier erstgenannten Kunststoffe aufgeführt [1] und aus den Bildern 1 bis 4 [1] lassen sich weitere charakteristische Eigenschaften dieser Dielektrika ablesen:
-

• • Polystyrol hat den kleinsten Verlustfaktor; damit lassen sich also Kondensatoren besonders hoher Güte aufbauen. Die Kapazitätskonstanz ist sehr groß, die Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors und der Kapazität sind gering. Polystyrol-Kondensatoren weisen einen annähernd linearen Kapazitätsrückgang bei steigender Temperatur auf, das günstig für Kompensationszwecke ist. Nachteilig wirkt sich manchmal die geringe Temperaturbeständigkeit (maximal 70 °C) aus.
• • Polypropylen bietet ähnlich günstige Eigenschaften wie Polystyrol, nur ist sein Verlustfaktor geringfügig höher. Dafür weist Polypropylen eine hohe Impuls-Spannungsfestigkeit auf und ist temperaturbeständiger als Polystyrol.
• • Polycarbonat hat einen etwa 10mal höheren Wert des Verlustfaktors als Polypropylen oder Polystyrol. Vorteile sind hohe Wärmebeständigkeit, gute Impuls-Spannungsfestigkeit und geringe Temperaturabhängigkeit des Kapazitätswertes.
• • Polyterephthalsäureester zeigt einen verhältnismäßig hohen Verlustfaktor, der zudem stark frequenz- und temperaturabhängig ist. Dafür zeichnet sich dieses Material durch eine hohe Spannungsfestigkeit und große Wärmebeständigkeit aus. Infolge der hohen Dielektrizitätszahl von sr = 3,2 lassen sich kleine Kondensatoren hoher Kapazität herstellen.

-

Die elektrischen Eigenschaften eines Kondensators werden jedoch nicht allein vom Isoliermaterial, sondern auch von der technischen Ausführung stark beeinflußt.

Zwei Technologien zur Herstellung der Elektroden
Kondensatoren mit Kunststoffolien als Dielektrikum werden meist als Wickel-Kondensatoren hergestellt. Dabei werden je zwei Dielektrikumsfolien und zwei Elektroden zu einem Wickel verarbeitet. Die Elektroden können selbsttragende Metallfolien aus Aluminium oder Zinn sein oder aus etwa 0,02um bis 0,05um dünnen Metallschichten (Zink oder Aluminium) bestehen, die unmittelbar auf die Kunststofffolien aufgedampft sind.

Man spricht in diesem Fall von einer metallisierten Kunststoffolie. Kondensatoren mit Kunststoffolien als Dielektrikum und Metallfolien als Elektroden werden häufig kurz als „Folienkondensatoren" bezeichnet, während Kondensatoren mit Kunststoffolien als Dielektrikum und aufgedampften Elektroden „metallisierte Kunststoff-Kondensatoren" genannt werden.

Eindeutig besser ist hier die Kurzbezeichnung nach DIN 41 379 vom August 1968, weil danach durch eine Folge von 2 bis 4 Buchstaben die Art des Dielektrikums und die Technologie eindeutig festgelegt werden.

Der letzte Buchstabe einer solchen Buchstabengruppe kennzeichnet das Dielektrikum. Dieser Buchstabe ist der 5. Buchstabe aus dem Namen des jeweiligen Kunststoffes:

• S bei Polystyrol
• P bei Polypropylen
• C bei Polycarbonat
• T bei Polyterephthalsäureester
• U bei Zelluloseacetat.

Der grundsätzlich davorgesetzte Buchstabe K weist aus, daß es sich um einen Kondensator mit Kunststoffolie als Dielektrikum handelt.

Steht vor dem K noch der Buchstabe M, so bedeutet dies, daß ein so benannter Kondensator mit Hilfe einer metallisierten Kunststoffolie aufgebaut ist.
.

.

• KS-Kondensatoren sind Kondensatoren, die Polystyrolfolien als Isoliermaterial haben und Metallfolien als Elektroden.
• MKT-Kondensatoren sind Kondensatoren, bei denen Folien aus Polyterephthalsäureester (Polyester) als Isoliermaterial benutzt werden auf die die Elektroden aufgedampft sind.
• Der Buchstabe P vor dem K in einer aus 3 Buchstaben bestehenden Kennzeichnung oder vor dem M in einer aus 4 Buchstaben bestehenden Kennzeichnung weist darauf hin, daß ein solcher Kondensator ein Misch-Dielektrikum aus Kunststoff und Papier hat.

.

.

• Bei einem PKP-Kondensator besteht das Dielektrikum aus zwei Isolier-stoffolien, nämlich einer Papierfolie und einer Kunststoffolie aus Polypropylen. Die Elektroden solch eines Kondensators bestehen aus Metallfolien.
• Ein PMKT-Kondensator hat ebenfalls ein Misch-Dielektrikum. Hier wird aber eine beidseitig metallisierte Polyesterfolie (MKT) zusammen mit einer Papierfolie (P) zu einem Wickel verarbeitet. Die auf der Polyesterfolie aufgedampften Metallschichten sind die Elektroden und es müssen keine Metallfolien bei der Herstellung mitgewickelt werden.

.

Bei richtiger Dimensionierung haben die dünnen, auf der Kunststoffolie aufgedampften Metallschichten den Vorteil, daß bei einem elektrischen Durchschlag die Metallschichten durch den entstehenden Lichtbogen in der Nähe des Durchschlages verdampfen. Dadurch wird die Stromzufuhr zur Überschlagsstelle unterbrochen und die Fehlstelle im Dielektrikum isoliert. Mit metallisierten Kunststoffolien hergestellte Kondensatoren sind also selbstheilende Kondensatoren.

Bei MK-Kondensatoren erhält man einen hohen Kapazitätswert bei vergleichsweise geringem Bauteil-Volumen. Denn durch das Fehlen der dicken Metallfolien wird bei gleicher Länge und Dicke der Kunststoffolie die Wickelhöhe beim MK-Kondensator erheblich niedriger als beim K-Typ.

Hinzu kommt noch, daß wegen des Selbstheilungs-Effektes beim MK-Typ bei gleicher Spannungsfestigkeit ohne Einbußen an Zuverlässigkeit die Dicke der Kunststoffolie geringer gewählt werden kann als beim K-Typ, wodurch eine weitere Erhöhung des Kapazitätswertes, bezogen auf das Kondensator-Volumen, erreicht wird.

Ein Folienkondensator (K-Typ) hat bei gleichem Kapazitätswert und gleicher Nennspannung ein etwa 5mal größeres Bauteil-Volumen als der MK-Typ.

Andererseits führen die verhältnismäßig hohen Flächenwiderstände (1 bis 3 Q/D) der aufgedampften dünnen Metallschichten beim MK-Kondensator zu hohen Dämpfungswerten. Diese machen sich insbesondere bei hohen Frequenzen stark bemerkbar. So ist der Verlustfaktor tan 5 eines MK-Kondensators bei etwa 100 Hz ungefähr doppelt so groß wie der eines K-Typs.

Bei 1 MHz dagegen ist der Verlustfaktor schon etwa 3mal größer als beim gleichwertigen K-Typ (Bilder 5 und 6)[2].

Aus diesem Grund werden Styroflex-Kondensatoren - Styroflex ist der geschützte Handelsname für kalt gereckte Polystyrolfolie - von den meisten Herstellern fast ausschließlich als KS-Typ angeboten und nur sehr vereinzelt die MKS-Ausführung.

Weil Polystyrol nach Bild 3 das Dielektrikum mit dem kleinsten Wert des Verlustfaktors tan 5 ist, lassen sich damit auch Kondensatoren höchster Gütefaktoren 0 = 1/tan 5 herstellen - für Anwendungen, bei denen es auf kleinstmögliche Verluste ankommt.

Aber nur, wenn auch durch konstruktive Maßnahmen gewährleistet ist, daß nicht nur die dielektrischen Verluste im Isolierstoff, sondern auch die Leiterverluste klein bleiben.

Erheblichen Einfluß auf das elektrische Verhalten eines Kondensators hat deshalb die Art der Kontaktierung, das heißt die Ausbildung der Stromzufuhr von den äußeren Anschlußdrähten zu den Kondensatorbelägen.

Bei Wickelkondensatoren mit Belägen aus Aluminumfolie werden die Zuleitungsdrähte direkt oder über Metalbänder kontaktsicher mit den Elektroden verschweißt.

Die verhältnismäßig kleine Kontaktoberfläche der Schweißstelle führt bei großen Strömen zu hohen Stromdichten. Diese Kontaktierung ist daher wenig geeignet für große Ströme, wie sie zum Beispiel bei Impulsbelastung auftreten. Solche Kondensatoren haben auch eine große Eigeninduktivität und sind daher für die Anwendung im HF-Bereich nicht geeignet.

Eine großflächige Kontaktierung mit geringer Eigeninduktivität bekommt man durch Stirnkontaktierung der Wickel. Die Zuführungsdrähte werden dabei mit den an der Stirnseite der Wickel überstehenden Metallfolien direkt verlötet.

Für diese Art der Kontaktierung wird Zinnfolie als Elektroden-Matrial verwendet, um ein besseres Verlöten zu gewährleisten. Da jetzt jede einzelne Lage des Wickels zweimal mit dem Zuleitungsdraht verbunden ist, ergibt sich eine großflächige Stromzuführung zu den Belägen des Kondensators.

Solche Ausführungen sind mit hohen Strömen belastbar und damit sehr impulsfest. Die Leiterdämpfung ist bei dieser Art der Kontaktierung sehr gering, ebenso wie die Eigeninduktivität des Kondensators. Zum Bau sehr dämpfungsarmer Kondensatoren für Anwendungen im HF-Bereich ist diese Kontaktierung also besonders geeignet.

Kondensatorwickel aus metallisierter Kunststoffolie werden auch meist stirnkontaktiert. Dazu wird mit Hilfe eines Metallspritzverfahrens, das nach seinem Erfinder „Schoopieren" genannt wird, eine leitende Brücke an den Stirnflächen der Kondensatorwickel angebracht. An dieser Brücke werden später die Zuleitungsdrähte aufgelötet oder aufgeschweißt.

Ist dann noch der aufgedampfte Metallbelag an den zu kontaktierenden Rändern verstärkt worden, so ergibt das eine sehr dämpfungsarme Kontaktierung und eine sehr geringen Eigeninduktivität.

Zu den Wickelkondensatoren im weiteren Sinne können auch die neuerdings stark verbreiteten MK-Vielschicht-Kondensatoren gerechnet werden. Bei dieser Technologie verwendet man für die Herstellung des Kondensator-Wickels Wickeldorne mit sehr großem Durchmesser (bis zu 3m und mehr). Aus dem so entstandenen „Mutterkondensator" werden die einzelnen Kondensatoren als flache, rechteckige Scheibchen abgetrennt.

Das bedeutet rationelle Fertigung, denn nicht jeder einzelne „Wickel" muß in einem zeit- und arbeitsaufwendigen Prozeß getrennt hergestellt werden. Die von vornherein gegebene Rechteckform der Kondensatoren ermöglicht eine hohe Packungsdichte in der Schaltung.

Das alternative Verfahren, aus Rundwickeln durch Zusammenpressen der Wickel eine ovale, also annähernd rechteckige Form zu erzielen, und damit eine höhere Packungsdichte als beim Rundwickel zu erreichen, kann Ursache für Kondensator-Ausfälle sein.

Durch die mechanische Verformung können nämlich Risse an Elektroden und Dielektrikums-Folien entstehen, die einen instabilen Betrieb nach sich ziehen.

Der bei einem elektrischen Durchschlag entstehende Gasdruck zwischen den flachgeschichteten und daher nachgiebigen Folien kann nicht so hoch ansteigen wie bei einem Rundwickel; die Selbstheilfähigkeit von Vielschicht- Kondensatoren ist daher höher als die von Wickel-Kondensatoren üblicher Technologie. Die kleine Bauform zusammen mit der großflächigen Stirnkontaktierung ergibt zudem ein sehr gutes Hochfrequenzverhalten.

Es ist selbstverständlich, daß die aus der unterschiedlichen Technologie herrührenden Unterschiede im elektrischen Verhalten eines Kondensators bei der Schaltungsentwicklung berücksichtigt werden müssen. Der Service-Techniker sollte deshalb darauf achten, daß er beim Austausch eines defekten Kondensators möglichst einen der gleichen Technologie benutzt, wenn der vom Gerätehersteller vorgeschriebene Ersatz-Typ nicht greifbar ist.

Einige Hersteller von Kondensatoren geben mittlerweile auch die zuvor beschriebene Kurzbezeichnung nach DIN 41 379 neben den üblichen Angaben auf dem Kondensator an. Aber das sind leider längst nicht alle. Und insbesondere einige ältere Kondensatoren weisen noch eine Kennzeichnung auf, die der Kurzbezeichnung nach DIN 41 379 zwar ähnlich ist, aber nicht mit ihr übereinstimmt.
.

So wurden bis vor kurzem zum Beispiel Siemens-Kondensatoren nach folgendem Schema gekennzeichnet [3]:
-

• MKL anstelle von MKU (L: Lackfolie aus Zelluloseacetat)
• MKH anstelle von MKT (H: Hostaphan, Handelsname für Polyterephthalsäureester)
• MKM anstelle von MKC (M: Makrofol, Handelsname für Polycarbonat)
• MKY anstelle von MKS

-

Noch verwirrender wird es, wenn Kennzeichnungen nach einem firmeneigenen Code zu finden sind, die mit den Bezeichnungen nach DIN 41 379 zwar rein formal übereinstimmen, aber eine andere Bedeutung haben als dort angegeben.

So findet man zum Beispiel Kondensatoren mit der aufgedruckten Typen-Kennzeichnung MKS oder FKS. Zumindest die erstgenannte Bezeichnung läßt den Schluß zu, daß es sich um Kondensatoren handelt, die mit metallisierter Kunststofffolie aus Polystyrol hergestellt sind.

Wenn ein solcher Kondensator defekt wird, kann der Service-Techniker auf den Gedanken kommen, ihn gegen einen Styroflex-Kondensator gleichen Kapazitätswertes und gleicher Spannungsfestigkeit auszutauschen.

Zwar wird er kaum einen passenden MKS-Typ zur Hand haben, weil metallisierte Polystyrolfolien sehr selten zur Herstellung von Kondensatoren verwendet werden, aber ein passender KS-Typ ist sehr einfach zu bekommen.

Nun weist aber der Firmenkatalog [4] aus, daß bei dem genannten Kondensatortyp als Dielektrikum eine metallisierte Polyesterfolie verwendet wird. Die Kennzeichnung nach DIN 41 379 hätte demnach MKT lauten müssen.

Der Ersatz dieses Kondensators durch einen MKS- oder KS-Typ (DIN-Bezeichnung) war vielleicht unzulässig, weil Polyesterfolie bis zu einer oberen Betriebstemperatur von mindestens 100°C nach [4] verwendbar ist, während Polystyrol höchstens bis 70 °C betrieben werden darf.

Bei dem FKS-Kondensator weist das F in der Typenkennzeichnung nach [4] darauf hin, daß Metallfolien als Kondensator-Elektroden benutzt werden.
Nach DIN 41 379 handelt es sich also hier um einen KT-Kondensator.

Diese wenigen Beispiele zeigen, vor welchen Schwierigkeiten selbst ein erfahrener Service-Techniker steht, wenn er einen defekten Kondensator austauschen will und den gleichen Typ desselben Fabrikates nicht zur Hand hat, aber dennoch eine gründliche und sorgfältig überlegte Reparatur vornehmen möchte.

[1] Telefunken-Datenbuch. Folienkondensatoren 1977, S. 17-19
[2] Valvo-Datenbuch. Kunststoffolien-Kondensatoren 1978, S. 33 u. 137
[3] Siemens-Datenbuch 1978/79, Metallisierte Kunststoff-Kondensatoren, S. 19
[4] WIMA-Kondensatoren für die Elektronik, Kurzkatalog, Ausgabe April 1979