Die Pionierjahre in der Geschichte der Kondensatoren waren eine Zeit, in der Kondensatoren vor allem dazu dienten, ein frühes Verständnis der Elektrizität zu erlangen, noch bevor das Elektron entdeckt wurde. Es war auch eine Zeit für Vorführungen im Salon, wie zum Beispiel eine Reihe von Menschen, die sich an den Händen hielten und durch die ein Kondensator entladen wurde. Die moderne Ära der Kondensatoren beginnt im späten 19. Jahrhundert mit dem Beginn des Zeitalters der praktischen Anwendung von Elektrizität, das zuverlässige Kondensatoren mit spezifischen Eigenschaften erfordert.

LEYDEN-GLAS

Marconi mit Sendeapparat, veröffentlicht auf LIFE [Public domain], über Wikimedia Commons

Eine solche praktische Anwendung fand kurz vor 1900 und im ersten und zweiten Jahrzehnt bei Marconis drahtlosen Funkenstreckensendern statt. Die Sender bauten eine Hochspannung zur Entladung über eine Funkenstrecke auf und verwendeten daher Porzellankondensatoren, um dieser Spannung standzuhalten. Außerdem war eine hohe Frequenz erforderlich. Dabei handelte es sich im Wesentlichen um Leydener Gefäße, und um die erforderlichen Kapazitäten zu erhalten, war viel Platz erforderlich.

GLIMMER

Im Jahr 1909 erfand William Dubilier kleinere Glimmerkondensatoren, die dann auf der Empfangsseite für die Resonanzkreise in drahtloser Hardware verwendet wurden.

Frühe Glimmerkondensatoren bestanden im Wesentlichen aus Schichten aus Glimmer und Kupferfolien, die als sogenannte „geklemmte Glimmerkondensatoren“ zusammengeklemmt wurden. Diese Kondensatoren waren jedoch nicht sehr zuverlässig. Da es sich lediglich um Glimmerplatten handelte, die gegen Metallfolien gepresst wurden, gab es Luftspalte zwischen Glimmer und Folien. Diese Lücke ermöglichte Oxidation und Korrosion und bedeutete, dass sich der Abstand zwischen den Platten ändern konnte, wodurch sich die Kapazität änderte.

In den 1920er Jahren wurden Silberglimmerkondensatoren entwickelt, bei denen der Glimmer auf beiden Seiten mit dem Metall beschichtet ist, wodurch Luftspalte vermieden werden. Mit einer dünnen Metallbeschichtung anstelle dickerer Folien ließen sich die Kondensatoren zudem kleiner bauen. Diese waren sehr zuverlässig. Natürlich haben wir hier nicht aufgehört. Die moderne Ära der Kondensatoren war von einem Durchbruch nach dem anderen und einer faszinierenden Geschichte geprägt. Lass uns einen Blick darauf werfen.

KERAMIK

MLCCs rund um einen Mikroprozessor. Von Elcap [CC BY-SA 3.0], über Wikimedia Commons

In den 1920er Jahren war Glimmer in Deutschland nicht so reichlich vorhanden, und so experimentierten sie mit neuen Familien von Keramikkondensatoren und stellten fest, dass Titandioxid (Rutil) zur Temperaturkompensation eine lineare Temperaturabhängigkeit der Kapazität aufwies und Glimmerkondensatoren ersetzen konnte. Sie wurden zunächst in kleinen Stückzahlen und in den 1940er Jahren in größeren Stückzahlen hergestellt. Sie bestanden aus einer beidseitig metallisierten Scheibe.

Um eine höhere Kapazität zu erreichen, wurde eine andere Keramik, Bariumtitanat, verwendet, da diese eine zehnmal höhere Permittivität als Glimmer oder Titandioxid aufwies. Allerdings hatten sie weniger stabile elektrische Parameter und konnten Glimmer nur dort ersetzen, wo Stabilität weniger wichtig war. Dies wurde nach dem Zweiten Weltkrieg verbessert.

Ein 1961 gegründetes amerikanisches Unternehmen war der Pionier des mehrschichtigen Keramikkondensators (MLCC), der kompakter war und eine höhere Kapazität aufwies. Ab 2012 werden jedes Jahr mehr als 10^12 Bariumtitanat-MLCCs produziert.

ALUMINIUM-ELEKTROLYTISCH

Elektrolytkondensator

In den 1890er Jahren stellte Charles Pollak fest, dass eine Oxidschicht auf einer Aluminiumanode in einer neutralen oder alkalischen Lösung stabil war, und erhielt 1897 ein Patent für einen Borax-Elektrolyt-Aluminiumkondensator. Die ersten „nassen“ Elektrolytkondensatoren tauchten in den 1920er-Jahren kurzzeitig in Radios auf, hatten jedoch eine begrenzte Lebensdauer. Aufgrund ihres hohen Wassergehalts wurden sie „nass“ genannt. Es handelte sich im Wesentlichen um einen Behälter mit einer Metallanode, der in eine Lösung aus Borax oder einem anderen in Wasser gelösten Elektrolyten getaucht war. Die Außenseite des Behälters fungierte als andere Platte. Diese wurden in großen Telefonzentralen eingesetzt, um das Relaisrauschen zu reduzieren.

Das Patent für den modernen Vorläufer des Elektrolytkondensators wurde 1925 von Samuel Ruben angemeldet. Er platzierte einen gelartigen Elektrolyten zwischen der oxidbeschichteten Anode und der zweiten Platte, einer Metallfolie, wodurch ein mit Wasser gefüllter Behälter überflüssig wurde. Das Ergebnis war der „trockene“ Elektrolytkondensator. Eine weitere Ergänzung war ein Papierraum zwischen den Windungen der Folien. All dies reduzierte die Größe und den Preis erheblich.

Im Jahr 1936 stellte die Firma Cornell-Dubilier ihre Aluminium-Elektrolytkondensatoren vor, die Verbesserungen wie das Aufrauen der Anodenoberfläche zur Erhöhung der Kapazität beinhalteten. Zur gleichen Zeit begannen die Hydra-Werke, ein AEG-Unternehmen, in Berlin mit der Massenproduktion.

Nach dem Zweiten Weltkrieg führte die rasante Entwicklung der Radio- und Fernsehtechnik zu größeren Produktionsmengen sowie einer Vielfalt an Stilen und Größen. Zu den Verbesserungen gehörten die Reduzierung von Leckströmen und dem äquivalenten Serienwiderstand (ESR), größere Temperaturbereiche und längere Lebensdauern durch den Einsatz neuer Elektrolyte auf Basis organischer Stoffe. Zu den weiteren Entwicklungen in den 1970er bis 1990er Jahren gehörten auch die Reduzierung von Leckströmen, eine weitere Reduzierung des ESR und höhere Temperaturen.

Was als „Kondensatorplage“ bekannt wurde, ereignete sich in den Jahren 2000 bis 2005, möglicherweise aufgrund der Verwendung eines gestohlenen Rezepts, aber ohne bestimmte stabilisierende Substanzen, was zu einem vorzeitigen Versagen führte.

TANTAL ELEKTROLYTISCH

Ein oberflächenmontierbarer Tantalkondensator. Von Epop [Public domain], über Wikimedia Commons

Tantal-Elektrolytkondensatoren wurden erstmals in den 1930er Jahren für militärische Zwecke hergestellt. Dabei wurden gewickelte Tantalfolien und ein nicht fester Elektrolyt verwendet. In den 1950er Jahren stellten die Bell Laboratories die ersten Festelektrolyt-Tantalkondensatoren her. Sie mahlten das Tantal zu einem Pulver und sinterten es zu einem Zylinder. Zunächst wurde ein flüssiger Elektrolyt verwendet, doch dann entdeckten sie, dass Mangandioxid als Festelektrolyt verwendet werden konnte.

Obwohl Bell Labs die grundlegenden Erfindungen machte, verbesserte die Sprague Electric Company 1954 das Verfahren und produzierte die ersten kommerziell nutzbaren Tantal-Festelektrolytkondensatoren.

1975 kamen Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren auf den Markt, bei denen leitfähige Polymere mit viel höherer Leitfähigkeit das Mangandioxid ersetzten, was zu einem niedrigeren ESR führte. NEC brachte 1995 seine Polymer-Tantal-Kondensatoren für SMDs (Oberflächenmontagegeräte) auf den Markt, Sanyo folgte 1997 diesem Beispiel.

Tantalerz unterliegt Preisschocks, und zwei solcher Ereignisse ereigneten sich in den Jahren 1980 und 2000/2001. Der letztgenannte Schock führte zur Entwicklung von Niob-Elektrolytkondensatoren mit Mangandioxid-Elektrolyt, die in etwa die gleichen Eigenschaften wie Tantalkondensatoren aufweisen.

POLYMERFILM

Folienkondensatoren. Elcap [CC-BY-SA 3.0], über Wikimedia Commons

Der metallisierte Papierkondensator wurde 1900 von GF Mansbridge patentiert. Die Metallisierung erfolgte durch Beschichten des Papiers mit einem mit Metallpartikeln gefüllten Bindemittel. Diese wurden in den frühen 1900er Jahren häufig als Entkopplungskondensatoren in der Telefonie (Telekommunikation) verwendet. Während des Zweiten Weltkriegs verbesserte Bosch das Verfahren und stellte sie her, indem er das Papier mit Lack beschichtete und es durch Vakuumabscheidung von Metall beschichtete. Um 1954 stellten die Bell Labs einen 2,5 µm dicken metallisierten Lackfilm getrennt vom Papier her, was zu viel kleineren Kondensatoren führte. Dies kann als der erste Polymerfilmkondensator angesehen werden.

Die Forschung zu Kunststoffen durch organische Chemiker während des Zweiten Weltkriegs führte dazu, dass dies noch weiter ging. 1954
war der erste Mylar-Kondensator einer davon. Mylar wurde 1952 von Dupont als Marke eingetragen und ist ein sehr starkes PET (Polyethylenterephthalat). Im Jahr 1954 wurde ein 12 µm metallisierter Mylar-Folienkondensator hergestellt. Bis 1959 umfasste die Liste Kondensatoren aus Polyethylen, Polystyrol, Polytetrafluorethylen, PET und Polycarbonat. 1970 nutzten die Energieversorger Folienkondensatoren ohne Papier.

DOPPELSCHICHT (SUPERKONDENSATOREN)

Superkondensatoren, Maxwell Technologies, Inc. [CC BY-SA 3.0], über Wikimedia Commons

Das bringt uns zum letzten unserer Kondensatortypen, und zwar zu den ziemlich spannenden mit Kapazitäten im Tausender-Farad-Bereich. In den frühen 1950er Jahren nutzten Forscher bei General Electric ihre Erfahrungen mit Brennstoffzellen und wiederaufladbaren Batterien, um mit Kondensatoren mit porösen Kohlenstoffelektroden zu experimentieren. Dies führte dazu, dass H. Becker den Kondensator als „Niederspannungs-Elektrolytkondensator mit porösen Kohlenstoffelektroden“ patentieren ließ, ohne das Prinzip dahinter zu verstehen, das zu der extrem hohen Kapazität führte. GE hat es nicht weiter verfolgt.

Standard Oil of Ohio entwickelte eine weitere Version und lizenzierte sie schließlich in den 1970er Jahren an NEC, der sie schließlich unter dem Markennamen Supercapacitor vermarktete. Es war für 5,5 V ausgelegt und hatte Kapazitäten von bis zu 1 F. Sie waren bis zu 5 cm^3 groß und dienten als Notstromversorgung für den Computerspeicher.

Brian Evans Conway, emeritierter Professor an der Universität Ottawa, arbeitete von 1975 bis 1980 an elektrochemischen Rutheniumoxidkondensatoren. 1991 beschrieb er den Unterschied zwischen Superkondensatoren und Batterien bei der elektrochemischen Speicherung, gab 1999 eine vollständige Erklärung und prägte gleichzeitig den Begriff Superkondensator erneut.

Produkte und Märkte wuchsen langsam mit Produktnamen wie Goldcaps, Dynacap und PRI Ultracapacitor. Letzterer war der erste Superkondensator mit niedrigem Innenwiderstand, der 1982 vom Pinnacle Research Institute (PRI) für militärische Zwecke entwickelt wurde.

Zu den relativ neuen Entwicklungen auf dem Markt gehören Lithium-Ionen-Kondensatoren, die die Aktivkohle-Anode mit Lithium-Ionen dotieren. Diese haben Kapazitäten im Tausend-Farad-Bereich (4-stellig) bei etwa 2,7 V.

ABSCHLUSS

Basierend auf Ihren Kommentaren als Antwort auf unseren Beitrag „Geschichte des Kondensators – Die Pionierjahre“  mangelt es nicht an der Verwendung des Begriffs „Kondensator“ statt „Kondensator“. Woher kommt also der Begriff Kondensator? Das scheint unbekannt zu sein, aber das Oxford English Dictionary zitiert aus dem BSI (British Standards Institution?) Glossary of Terms in Electrical Engineering von 1922, in dem es heißt, „Kondensator“ sei ein „neuer Begriff“ und schlägt vor, ihn zu verwenden, um Verwechslungen mit Dampf zu vermeiden 'Kondensator'.

Quelle:HACKADAY