Kondensatoren sind eine essenzielle Komponente moderner Schaltungen und beinahe in jedem elektrischen Gerät vorhanden. Diese passiven Komponenten finden sich in zentralen elektronischen Subsystemen wie RC-Schaltkreisen (Widerstand-Kondensator-Schaltkreisen), RLC-Schaltkreisen (Widerstand-Induktor-Kondensator-Schaltkreisen), Leistungsschaltungen, Spannungsversorgungseinheiten und mehr.
Aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Kosteneffektivität und Zuverlässigkeit bilden Keramik-, Folien- und Elektrolyt-Kondensatoren die drei häufigsten Typen von Kondensatoren. Dieser Artikel untersucht, wie diese drei Typen von Kondensatoren gefertigt werden, und zeigt einige wichtige Unterschiede auf.
Woraus bestehen Kondensatoren?
Grundsätzlich bestehen Kondensatoren aus zwei Elektroden (Leitern, häufig aus Metall), die durch eine dielektrische Komponente (einen Isolator) getrennt werden. Wenn an eine der beiden Elektroden ein elektrisches Signal angelegt wird, wird im elektrischen Feld zwischen den beiden getrennten Elektroden Energie gespeichert. Die gespeicherte Energiemenge wird als „Kapazität“ bezeichnet. Bei der Entwicklung eines Kondensators kann die Kapazität mithilfe von drei kritischen Faktoren kontrolliert werden:
Die Größe der Elektrodenplatten. Je größer die Oberfläche der Elektroden, desto mehr Energie kann in diesem Bereich gespeichert werden, was die Kapazität erhöht.
Der Abstand zwischen den Platten. Wenn der Abstand zwischen den beiden Elektroden relativ groß ist, wird ihre Fähigkeit zur Erzeugung eines elektrischen Felds (über Induktion) reduziert. Wenn der Abstand zwischen den beiden Elektroden verringert wird, steigt ihre Fähigkeit zur Erzeugung eines elektrischen Felds, was die Kapazität erhöht.
Das Isolationsmaterial zwischen den Elektroden. Verschiedene dielektrische Materialien können die Kapazität durch die Reduzierung des elektrischen Felds zwischen den Elektroden erhöhen. Auf diese Weise kann bei gleicher Spannung eine höhere Ladung an den Elektroden gespeichert werden.
Basierend auf diesen drei zentralen Kondensatorvariablen werden verschiedene Fertigungstechniken verwendet, um Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten, Spannungskapazitäten, Temperaturschwellwerten, Zuverlässigkeitsstufen, Kosten, Sicherheitsstufen, Größen und Ableitungsverlusten herzustellen.
Erfahren Sie mehr über die Verwendung dielektrischer Komponenten in Kondensatoren.
Fertigung von Elektrolyt-Kondensatoren
Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren sind für geringe Herstellungskosten und ihre Fähigkeit bekannt, große Mengen von Energie in einem kleinen Paket zu speichern, verglichen mit Keramik- oder Folien-Kondensatoren. Auch wenn Elektrolyt-Kondensatoren sehr verbreitet sind, reagieren sie empfindlicher auf unerwünschte Spannungen und Temperaturen als andere Kondensatoren und weisen vergleichsweise hohe Leckströme auf.
Der Fertigungsprozess von Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren beginnt mit der Ätzung dünner Aluminiumfolien in chemischen Bädern. Während dieses Ätzverfahrens bildet sich eine dünne Schicht von Aluminiumoxid an der Anode. Diese oxidierte Schicht dient als dielektrische Schicht zwischen der Anode und der Kathode und bildet eine weitere Schicht aus dünner Aluminiumfolie.
Die eloxierte Aluminiumfolienanode wird anschließend zusammen mit der Aluminiumfolienkathode gespult, getrennt durch eine dünne Schicht aus Papier. Anschließend werden am Anschlussdeck Anschlüsse an die Anoden- und Kathodenschichten angeschlossen. Das Terminaldeck wird schließlich für die Verbindung mit externen Schaltungen verwendet.
Die Folien-Papier-Folien-Windung wird im externen Gehäuse der Kondensatoreinheit platziert, das häufig als auch als „Becher“ bezeichnet wird. Als Nächstes wird eine Elektrolytlösung über die Papierschicht durch die Windung geleitet. Der Kondensatorbecher wird dann mit dem Deck versiegelt und thermisch gealtert, um mögliche Fehler der dielektrischen Komponente zu beseitigen und die elektrischen Eigenschaften zu überwachen. Nachdem der Kondensator thermisch gealtert und getestet wurde, kann er verwendet werden.
In unserer Anleitung finden Sie Informationen dazu, wie Sie den richtigen Aluminium-Elektrolyt-Kondensator auswählen.
Fertigung von Keramik-Kondensatoren
Keramik-Kondensatoren (häufig auch als „MLCCs“ bezeichnet) bilden den häufigsten Typ von Kondensatoren in modernen Elektronikkomponenten. Diese Kondensatoren verwenden keramische Materialien für die isolierende dielektrische Komponente zwischen Anoden- und Kathodenplatten. Keramikpulver wie Bariumtitanat werden mit einem Bindemittel gemischt, um eine Masse zu bilden. Diese Masse wird anschließend dünn auf eine dünne Metallfolie aufgetragen. Alternativ kann eine metallische Paste auf die keramische Masse angewendet werden.
Anschließend werden die keramischen und metallischen Schichten aufeinander gelegt, bei hohen Temperaturen mechanisch gepresst und in kleine Scheiben oder Rechtecke geschnitten, um „Kondensator-Chips“ zu formen. Die externen Abmessungen der Chips und die Schichtabstände liegen den Kapazitätswerten des Kondensators zugrunde.
Diese Chips werden bei hohen Temperaturen in einem Brennofen gebrannt, um das Bindemittel zu entfernen, sodass nur die keramischen und metallischen Materialien in den Chips verbleiben. Beim Brennvorgang kann die Größe der ungebrannten Chips um 30 % oder mehr reduziert werden, abhängig von den im Fertigungsprozess verwendeten Materialien.
Nach dem Brennvorgang werden die Chips mit Anschlussenden gesintert, die abwechselnde Schichten der Elektroden mit den einzelnen Anschlüssen verbinden. Diese Anschlüsse werden galvanisiert, um eine geeignete Oberfläche für Lötarbeiten und die Platzierung auf Leiterplatten bereitzustellen. Nach der Galvanisierung können die Kondensatoren getestet werden, um die Kapazität zu überprüfen.
Erfahren Sie mehr darüber, wie Keramik-Kondensatoren funktionieren und was sie leisten.
Fertigung von Folien-Kondensatoren
Folien-Kondensatoren tendieren zu höheren Herstellungskosten als Keramik-Kondensatoren, besitzen jedoch eine sehr viel längere Nutzungsdauer und sind für Hochspannungsanwendungen geeignet. Darüber hinaus besitzen Folien-Kondensatoren sehr viel höhere maximale Betriebstemperaturen als Keramik- und Elektrolyt-Kondensatoren. Daher sind sie für zahlreiche industrielle und gewerbliche Umgebungen geeignet.
Folien-Kondensatoren nutzen eine Kunststofffolienschicht, z. B. Polyester, Polypropylen oder Poly-imprägniertes Papier, als dielektrischen Isolator zwischen den Elektroden des Kondensators. Die Folie wird mittels Metallaufdampfung oder Auftragung auf eine sehr dünne Metallfolie mit Metall kombiniert.
Die metallisierte Folie wird anschließend geschlitzt und gewickelt. Die geschlitzte Folie wird genau nach Länge und Breite abgemessen, um die erforderliche Kapazität sicherzustellen. Die gewickelten Rollen werden anschließend in einem Wickelverfahren kombiniert, um die beiden unabhängigen Elektrodenschichten zu formen.
Anschließend werden die Wicklungen komprimiert und thermisch behandelt, um eine feste Struktur zu formen. Die Wicklungen werden maskiert und verkapselt, um elektrisch von der Umgebung isoliert zu werden. Anschließend werden Anschlüsse angebracht. Die verkapselte Kondensatorwicklung wird anschließend in eine Kunststoffstruktur eingefügt und mit Harz vergossen, um ihre Langlebigkeit sicherzustellen und sie vor den Elementen zu schützen. Nach dem Vergießen mit Harz sind diese Kondensatoren fertiggestellt und können auf ihre Qualität und allgemein getestet werden.
Fertigung verschiedener Typen von Kondensatoren
Wie in allen Bereichen der Elektronik basieren Kosten und Funktionalität eines Geräts auf den verwendeten Materialien, dem Fertigungsprozess und den Gerätefunktionen. Diese unterschiedlichen Verfahren führen zur Fertigung verschiedener Kondensatortypen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Der optimale Kondensatortyp ist von der Anwendung abhängig.
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