Kunststoff-Folienkondensatoren, auch Folienkondensatoren oder kurz Folkos genannt, sind elektrische Kondensatoren mit isolierenden Kunststofffolien als Dielektrikum. Die Kunststoffe werden dafür in speziellen Verfahren zu extrem dünnen Folien gezogen, mit den Elektroden versehen und dann als Wickel gewickelt oder aus Einzellagen geschichtet zu einem Kondensator zusammengefügt. Sie gehören nach den Keramikkondensatoren und Elektrolytkondensatoren zu den am häufigsten eingesetzten Kondensatorbauarten und werden in vielen Bereichen der Elektronik und Elektrotechnik genutzt. mini|hochkant=1.5|Gebecherte und tauchlackierte Kunststoff-Folienkondensatoren

mini|hochkant=1.5|Prinzipdarstellung des Aufbaus von Kunststoff-Folienkondensatoren

Aufbau und Einsatz Kunststoff-Folienkondensatoren bestehen üblicherweise aus zwei Kunststofffolien als Dielektrikum, die metallisiert oder mit Metallfolien belegt sind, und den Elektroden. Da Kunststoff-Folienkondensatoren, wie fast alle Kondensatoren in der Elektronik, im Grunde genommen Plattenkondensatoren sind, deren Kapazität umso größer ist, je größer die Elektrodenfläche und die Dielektrizitätszahl ist und je dichter die Elektroden zueinander stehen

wird die Kapazität eines Kondensators umso größer, je dünner das Dielektrikum ist. Deshalb wird das Folien-Grundmaterial, soweit die gewünschte Spannungsfestigkeit des späteren Kondensators es zulässt, in speziellen Verfahren zu extrem dünnen Folien gezogen. Die belegten Folien werden zu einem Wickel gewickelt, an den Seitenflächen kontaktiert, mit den Anschlüssen versehen und mit einer Umhüllung gegenüber äußeren Einflüssen geschützt.

Durch die heute übliche Kontaktierung der Elektroden an den Stirnflächen des Kondensatorwickels wird die gesamte Stromzuführung zu den beiden Elektroden sehr kurz gehalten. Ein Stromfluss rundherum im Wickel findet nicht statt. Dadurch werden die internen ohmschen Verluste (ESR) und die parasitäre Induktivität des Kondensators (ESL) reduziert. Heutige Kunststoff-Folienkondensatoren haben deshalb schon von ihrem Aufbau her sehr geringe ohmsche Verluste und eine sehr niedrige parasitäre Induktivität, wodurch sie speziell für Anwendungen im höheren Frequenzbereich, zum Abblocken von Spannungsspitzen und hohen (Stör)-Impulsen oder für steile Impulsflanken bzw. hohe Impulsstrombelastbarkeit geeignet sind, z. B. als Snubber-Kondensatoren in der Leistungselektronik.

Typische Kapazitätswerte von Kunststoff-Folienkondensatoren beginnen bei einigen 10 Pikofarad und reichen in den Mikrofaradbereich hinein, die Spannungsfestigkeit beginnt je nach Konstruktion bei 40 V und reicht bis in den vierstelligen Volt-Bereich hinein. Entsprechend vielfältig sind die Bauformen und -größen: von wenigen Kubikmillimetern bis hin zu den Leistungskondensatoren in metergroßen Abmessungen.

Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren haben selbstheilende Eigenschaften, Durchschläge führen nicht zur Zerstörung des Bauteils. Dadurch eignen sie sich gut als Entstörkondensatoren parallel zur Netzspannung (X-Kondensator) oder auch gegen Erde, Gehäusemasse oder berührbare Teile (Y-Kondensatoren).

Ein weiteres Charakteristikum von Kunststoff-Folienkondensatoren, speziell von Folienkondensatoren mit Polypropylenfolie als Dielektrikum, ist die vergleichsweise niedrige Temperaturabhängigkeit der elektrischen Werte. Daher findet man sie als so genannte „Klasse-1-Kondensatoren“ häufig auch in frequenzbestimmenden Gliedern von Oszillatorschaltungen.

Herstellung Bei den Kunststoff-Folienkondensatoren werden aufgrund unterschiedlicher Elektrodenkonstruktionen zwei Bauarten unterschieden: Metallfolienkondensatoren, auch Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallbelägen genannt, bestehen aus zwei Metallfolien als Elektrode und zwei dazwischenliegenden Kunststofffolien als Isolator. Sie besitzen die höchste Stromimpulsbelastbarkeit aller bekannten Kondensatoren. Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren: Bei ihnen stellen direkt auf die Isolierfolien ein- oder beidseitig aufgebrachte Metallisierungen die Elektrode dar. Sie besitzen selbstheilende Eigenschaften. Durch geeignete Konstruktionen kann das auch für spezielle Metallfolienkondensatoren gelten.

mini|Wickel eines Kunststoff-Folienkondensators mit Blick auf eine „schoopierte“ Stirnfläche und den angelöteten Anschluss

Metallisierung: Das Kunststoffmaterial wird zunächst in einem Extrudierprozess in bi-axialer Richtung zu extrem dünnen Folien gezogen. P. Winsor, E. Lobo, Aerovox, Corp., New Polymer Dielectric For High Energy Density Film CapacitorsP. Olbrich, Applied Films GmbH & Co. KG, Advanced Coating Technology for Film Capacitor Applications, CARTS USA 2005 (PDF; 583 kB)P. Olbrich, Innovative Solutions in Film Capacitor Vacuum Coating for advanced automotive Applications, CARTS Asia 2006 (PDF; 783 kB) Danach wird diese Folie in einer Vakuum-Bedampfungsanlage im Hochvakuum bei etwa 1015 bis 1019 Luftmolekülen pro Kubikmeter mit Aluminium oder Zink metallisiert (Schichtdicke ~ 0,03 µm). Diese metallisierten Folien haben eine Breite von etwa einem Meter und werden „Mutterrollen“ genannt. Folienschneiden: Die Mutterrollen werden entsprechend der Baugröße der späteren Kondensatoren auf die geforderte Breite geschnitten. Wickeln: Die Folien werden zu einem Wickel gerollt. Dabei werden die beiden metallisierten Folien, die zu einem Kondensator gehören, leicht gegeneinander versetzt gewickelt, so dass durch die versetzte Anordnung der Elektroden jeweils eine Kante der Metallisierung aus einer der beiden Seitenflächen (Stirnflächen) des Wickels herausragt. Plätten: Der Wickel des späteren Kondensators wird durch Druck (plätten) in eine ovale Form gebracht. Dadurch reduziert sich die Projektionsfläche des Bauteils auf einer Leiterplatte und reduziert durch geringeren Leiterplattenbedarf die Kosten. Kontaktieren: Die herausragenden Elektroden werden mit einem nach Max Ulrich Schoop genannten Verfahren mit Zinn, Zink und/oder Aluminium metallisiert (schoopiert), also elektrisch kontaktiert. Dabei wird das Kontaktmetall verflüssigt und unmittelbar mit Hilfe von Pressluft als fein verteilter Nebel auf die jeweilige Stirnfläche des Kondensators aufgesprüht. Ausheilen: Der Wickel, der durch die Schoopierung elektrisch kontaktierbar ist, wird „ausgeheilt“. Dabei wird eine geeignete (hohe) Spannung an den Wickel gelegt und dadurch eventuell vorhandene Fehlstellen im Wickel „weggebrannt“, d. h. ausgeheilt (siehe auch „Selbstheilung“ weiter unten). Imprägnieren: Zum erhöhten Schutz gegen Umwelteinflüsse können die Wickel nach dem Ausheilen noch imprägniert werden, z. B. mit einem Silikonöl oder einem Silikonlack. Anschweißen der Anschlüsse: An die Kontaktschicht der Wickel-Stirnflächen werden die Anschlüsse angelötet oder angeschweißt. Umhüllung: Nach dem Anbringen der Anschlüsse wird die Kondensatorzelle in das gewünschte Gehäuse gebracht oder mit einer Schutzlackierung versehen. Aus Gründen der geringeren Herstellkosten kommen aber auch Folienkondensatoren ohne weitere Umhüllung des Wickels zum Einsatz. Endkontrolle: Jeder Kondensator wird bei der elektrischen Endprüfung zu 100 % auf Einhaltung des spezifizierten Kapazitätswertes, des Verlustfaktors und der Impedanz getestet. mini|zentriert|hochkant=2.5|Schematische Darstellung des Fertigungsprozesses zur Herstellung von metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren mit tauchlackierter Umhüllung

Die Herstellung von Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallfolien erfolgt in ähnlicher Weise. Hier werden beim Wickeln lediglich die Metallfolien zwischen die Kunststofffolien mit eingewickelt.

Die Wickel von Folienkondensatoren werden üblicherweise in Form und Größe des späteren Kondensators hergestellt. Eine weitere Herstellmöglichkeit besteht darin, den Wickel auf einen Kern mit einem großen Durchmesser zu wickeln und daraus einzelne Segmente herauszusägen. Dieser Fertigungsprozess erlaubt bei metallisierten Kunststofffolien die preiswerte Herstellung sogenannter Mehrschichtkondensatoren (MLP, Multilayer Polymer Capacitors) oder auch „stacked“ Folienkondensatoren genannt, wobei das durch das Sägen zerstörte Gefüge an den Schnittflächen im Laufe der weiteren Fertigung ausgeheilt wird.

Konstruktive Möglichkeiten zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit mini|hochkant=1.5|Beispiele für konstruktive Maßnahmen bei metallisierten Folienkondensatoren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit durch partielle Metallisierung einseitig metallisierter Isolierfolie Technisch ergibt sich die Spannungsfestigkeit von Kunststoff-Folienkondensatoren zunächst einmal aus der Dicke der Kunststofffolie, dem Dielektrikum. Beispielsweise reicht die minimal verfügbare Folienstärke von 0,7 µm bei Polyesterfolien aus, um Kondensatoren mit der Nennspannung von 400 V Gleichspannung herzustellen. Werden höhere Nennspannungen benötigt, kann man eine dickere Folie verwenden oder indem man durch partielle Metallisierung der Isolierfolien eine interne Reihenschaltung von miteinander verbundenen Einzelkondensatoren erzeugt. Am Gesamtkondensator vervielfacht sich dadurch die Spannungsfestigkeit, jedoch verringert sich die Kapazität auf einen entsprechenden Bruchteil. Das hat Vorteile gegenüber einer dickeren Folie: die Durchschlagspannung einer Folie steigt bei Gleichspannung aufgrund möglicher inhomogener Feldverteilung nicht linear mit der Dicke an (siehe auch Durchschlagsfestigkeit) der Einsatz von isolierstoffschädigenden Teilentladungen wird hin zu höheren Wechselspannungen verschoben Funkentstörkondensatoren der Klasse X1 aus metallisiertem Polypropylen (PP) mit innerer Reihenschaltung...

Neben der Möglichkeit, durch partiell einseitig metallisierte Folien die Spannungsfestigkeit des Kondensators erhöhen zu können, werden höhere Spannungsfestigkeiten häufig auch mit doppelseitig beschichteten Folien erzeugt. Auch diese können durch partielle Beschichtung zu internen Serienschaltungen zusammengefügt werden. Diese Konstruktionen finden besonders bei professionellen Anwendungen mit Polypropylenfolien breite Anwendung.

Erhöhung der Impulsfestigkeit Um hohe Spannungs- bzw. Stromimpulse aufnehmen oder abzugeben müssen Kondensatoren Temperaturerhöhungen vertragen. Hier sind die Kontaktbereiche der Metallisierung der Elektroden gemeint. Die Kontaktierung besteht aus einer Vielzahl punktförmiger Kontakte, die den kritischen Bereich des Kondensator-Innenwiderstandes darstellen. Durch Stromfluss wird insbesondere in diesen Kontaktpunkten Wärme erzeugt, die punktuell zu so hohen Temperaturen führen kann, dass es zu einem Abbrennen des Kontaktes kommen kann. Eine zweite Begrenzung der Stromtragfähigkeit ist in der Dicke der Elektroden zu sehen. Bei metallisierten Kunststoff-Folienkondensatoren, die mit Schichtstärken von 0,02 bis 0,05 μm arbeiten, wird die Stromtragfähigkeit auch durch diese dünnen Schichten begrenzt.

Auf der anderen Seite verdanken die Folienkondensatoren ihrem Aufbau sowieso schon eine (im Vergleich zu anderen Kondensatortechnologien) hohe Impulsfestigkeit. Durch die Wickel- bzw. Schichttechnik werden die Elektroden an den Stirnflächen des Wickelpaketes über die Schoopierung kontaktiert. Dadurch wird gewissermaßen eine große Anzahl von Einzelkondensatoren parallel geschaltet; auch ihre ohmschen und induktiven Verluste, die sich im äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und in der äquivalenten Serieninduktivität (ESL) (siehe Kondensator, Induktivität und Reihenwiderstand) niederschlagen, werden parallel geschaltet. Die gesamten ohmschen Kondensatorverluste sinken ab, auch die Induktivität, die die Anstiegsgeschwindigkeit eines Impulses begrenzt, wird kleiner. Die Induktivität ist etwa proportional zur Breite des Kondensators. mini|hochkant=1|Schichtstärken-optimierte Metallisierung der Kunststofffolie zur Erhöhung der Impulsfestigkeit