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1. Welche Art von Bauelementl ist der Kondensator

2. Aus welchen 3 Bauteilen besteht ein Kondensator

3. Nenne 3 verschiedene Bauarten von Transistoren

4. Wie nennt man die Menge an Energie die ein Kondensator speichern kann ?

5.Wo wird ein Elektrolytkondesator z.B. verwendet

6. Welche Funktion hat der Kondensator in dem Versuch im 1. Video ?

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1. Wie heißen die beiden Anschlüsse der LED ?

2. Wofür steht die Abkürzung LED?

3. Welche davon ist der Minuspol und welche der Pluspol und woran erkenne ich diese ?

4. Nennen Sie 2 weitere Bauteile einer LED

5. Erklären Sie wofür diese 2 Bauteile zuständig sind ?

6.Nennen Sie eine Gemeinsamkeit von normalen Siliziumdioden und LED's

7. Nennen Sie einen Unterschied von normalen Siliziumdioden und LED's

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1. Wie heißen die 3 Anschlüsse des Transistors ?

2.Zu Welcher Baugruppe von Bauelementen gehört der Transistor ?

3.Unter welcher Bedingung fließt Strom zwischen der Collector-Emitter Strecke ?

4. Wofür wird z.B. ein Leistungstransistor verwendet ?

5. In welchen Bereichen wird der Transistor am häufigsten eingesetzt ?

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Der Transistor - Vom Prinzip bis zum Einsatz | Conrad Academy

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Der Kondensator - Aufbau, Funktion und Bauarten | Conrad Academy

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Ein Kondensator (von lateinisch condensare ‚verdichten') ist ein passives elektrisches Bauelement mit der Fähigkeit, in einem Gleichstromkreis elektrische Ladung und die damit zusammenhängende Energie statisch in einem elektrischen Feld zu speichern. Die gespeicherte Ladung pro Spannung wird als elektrische Kapazität bezeichnet und in der Einheit Farad gemessen. In einem Wechselstromkreis wirkt ein Kondensator als Wechselstromwiderstand mit einem frequenzabhängigen Impedanzwert.

Kondensatoren bestehen im Prinzip aus zwei elektrisch leitfähigen Flächen, den Elektroden, die mit einem isolierenden Material, dem Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Die Größe der Kapazität wird durch die Fläche der Elektroden, das Material des Dielektrikums und den Abstand der Elektroden zueinander bestimmt. Die Elektroden und das Dielektrikum können aufgerollt oder parallel geschaltet als Stapel angeordnet sein. Industriell hergestellte Kondensatoren werden mit Kapazitätswerten von etwa 1 Pikofarad (10 −12 F) bis zu etwa 1 Farad, bei Superkondensatoren bis zu 10.000 Farad geliefert.

Die mit großem Abstand am meisten produzierten Kondensatoren sind integrierte Speicherkondensatoren in digitalen Speicherschaltungen. Die wichtigsten Kondensatorarten sind Keramikkondensatoren, Kunststoff-Folienkondensatoren, Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren und, obwohl sie auf völlig anderen Speicherprinzipien beruhen, die Superkondensatoren. Neben diesen Kondensatoren mit festen Kapazitätswerten gibt es Bauelemente mit einstellbaren Kapazitätswerten, die variablen Kondensatoren.

Kondensatoren werden in vielen elektrischen Anlagen und in nahezu allen elektrischen und elektronischen Geräten eingesetzt. Sie realisieren beispielsweise elektrische Energiespeicher als Zwischenkreiskondensatoren in Frequenzumrichtern, als Speicherkondensator in Sample-and-Hold-Schaltungen oder als Photo-Flash-Kondensatoren in Blitzlichtgeräten. Sie koppeln Signale in Frequenzweichen von Audiogeräten und bilden als hochstabile Klasse-1-Kondensatoren zusammen mit Spulen Filter und Schwingkreise. Als Glättungskondensatoren in Netzteilen und Stützkondensatoren in Digitalschaltungen sind sie im Bereich der Stromversorgung zu finden. Sie unterdrücken als Entstörkondensatoren elektromagnetische Störsignale und bewirken als Leistungskondensatoren eine erwünschte Phasenkompensation. Spezielle Bauformen von Kondensatoren werden als Sensor verwendet.

Ein Kondensator sperrt den Gleichstrom, aber leitet den Wechselstrom weiter.

Verlauf von Spannung und Strom beim Ladevorgang

Bei einer Gleichspannungsquelle mit konstantem Innenwiderstand folgt die Spannung am Kondensator hier einer Exponentialfunktion mit negativem Exponenten, so dass der Strom mit der Zeit asymptotisch gegen null geht. Haben Spannungsquelle und Kondensator die gleiche Spannung, dann fließt kein Strom („der Kondensator ist geladen").

Wird der Kondensator von der Spannungsquelle getrennt, so bleiben Energie und Ladungen erhalten und die Spannung bleibt konstant. Allgemein ausgedrückt, wird dadurch die auf den Elektroden befindliche Ladung vom Kondensator gespeichert. Wird durch Anschließen eines Verbrauchers dem Kondensator Energie entnommen, dann sinkt die Feldstärke des elektrischen Feldes und damit auch die Kondensatorspannung.

Da in einem geschlossenen Stromkreis der Strom im ganzen Kreis fließt, fließt er auch durch den Kondensator hindurch. Physikalisch besteht der Strom im Stromkreis jedoch aus zwei Strömen, einem leitungsgebundenen Strom von Ladungsträgern wie Elektronen oder Ionen und einem sogenannten Verschiebungsstrom im Raum zwischen den Elektroden, der als ein Teil der Wirkung des elektrischen Feldes zu verstehen ist und mit einer entsprechenden Änderung der elektrischen Feldstärke einhergeht. Bei realen Kondensatoren ist der Raum zwischen den Elektroden mit einem Dielektrikum ausgefüllt. Der Verschiebungsstrom ergibt sich dann zusätzlich zu dem Anteil durch die Änderung der Feldstärke noch aus der Ladungsverschiebung im Dielektrikum, der Polarisation, die sich aus seiner Dielektrizitätszahl ergibt.

Bei kleinen Feldstärken und linearen dielektrischen Materialien wächst die Polarisation linear mit der Spannung am Kondensator. Proportional zur Spannung wächst die im Kondensator gespeicherte Ladung. Die Proportionalitätskonstante wird als Kapazität bezeichnet; sie ist das wesentliche Merkmal eines Kondensators. Je größer die Kapazität ist, desto mehr Ladung und Energie kann ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichern. Die Gleichungen

beziehungsweise

und

fassen das zusammen. ist die Ladung (in Coulomb, C, oder Amperesekunden, As), die Kapazität (in Farad, F) und die Spannung (in Volt, V); die Energie (in Joule, J) ist mit bezeichnet, um sie von der Feldstärke zu unterscheiden.

Reale Kondensatoren können nur bis zu einer maximal zulässigen Spannung, die sich aus der Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums ergibt, geladen werden. Die Zeit, die ein realer Kondensator braucht, um sich aufzuladen beziehungsweise um entladen zu werden, kann dem Artikel RC-Glied entnommen werden.

„Beim Kondensator: Strom eilt vor."

„Induktivitäten: Ströme sich verspäten."

„Induktivität: Strom zu spät."

Ein Kondensator mit der Kapazität (F) bildet im Wechselstromkreis bei der Kreisfrequenz als Quotient der Wechselspannung und dem Wechselstrom einen Wechselstromwiderstand mit der Impedanz (Ω) als komplexe Größe:

Der Betrag der komplexen Impedanz ist der Scheinwiderstand .

Der Scheinwiderstand ist umso kleiner, je größer die Kapazität und je höher die Frequenz ist.

Die Eigenschaft von Kondensatoren als Wechselstromwiderstand mit möglichst geringem Scheinwiderstand wird neben der Energiespeicherung in vielen Anwendungen genutzt zur Trennung von Gleich- und Wechselstromanteilen, zur Korrektur von Phasenverschiebungen und zur Erzeugung von Resonanzkreisen. Die für viele Anwendungen wichtige Entladedifferentialgleichung befindet sich im Artikel RC-Glied.

Die Leidener Flasche ist die älteste Bauform eines Kondensators ( Kapazität etwa 5 nF). Sie besteht aus einem Glasgefäß, das innen und außen mit Metallfolie, meist aus Aluminium, belegt ist. Das Glas wirkt als Isolator, später „Dielektrikum" genannt. Das Prinzip der Leidener Flasche wurde unabhängig voneinander 1745 von dem Domdechanten Ewald Jürgen Georg von Kleist in Cammin ( Pommern) und ein Jahr später von dem Physiker Pieter van Musschenbroek in Leiden gefunden, als sie bei Laborversuchen mit Anordnungen von Gläsern und Metallteilen elektrische Stromschläge erlitten.

Die Leidener Flasche und ähnliche Laborgeräte wurden in der Folge vornehmlich zur publikumswirksamen Demonstration von Stromschlägen (auch als „Kleistscher Stoß" bekannt geworden) eingesetzt, bei später zunehmenden Kenntnissen über das Wesen der Elektrizität auch als Energiequelle für fortgeschrittenere Experimente: Benjamin Franklin verband eine Leidener Flasche über eine Metallschnur mit einem Drachen, den er in den Himmel steigen ließ. Es gelang ihm mit diesem gefährlichen Experiment, Ladung von Gewitterwolken auf die Leidener Flasche zu übertragen. Er prägte den Begriff „electrical condenser".

Ein verbesserter Kondensator wurde 1775 durch Alessandro Volta erfunden, er nannte ihn „electrophorus" ( Elektrophor, Elektrizitätsträger). Er bestand aus zwei Metallplatten, die durch eine Ebonitschicht gegeneinander isoliert waren. Man kann diese Anordnung bereits als Prototyp moderner Kondensatoren betrachten. Der Einsatz besserer Dielektrika führte später zu einer Reduzierung der Baugröße. Etwa 1850 wurde Glimmer, ein natürlich vorkommendes Mineral, in Scheiben geschnitten und als Isolator verwendet; kommerziell wurden diese Kondensatoren ab der Zeit des Ersten Weltkrieges hergestellt. Gewickelte Papierkondensatoren mit Metallfolienbelägen sind seit 1876 in Gebrauch.

Kondensatoren, die durch den chemischen Aufbau eines äußerst dünnen Dielektrikums aus nichtleitendem Aluminiumoxid auf einer Aluminium-Anode und Verwendung eines flüssigen Elektrolyten zu Kondensatoren mit höherer Kapazität führten, die späteren Elektrolytkondensatoren, wurden 1896 von Charles Pollak zum Patent angemeldet, sie wurden anfangs als Siebkondensator zur Unterdrückung von Brummgeräuschen in Telefonnetzen benutzt.

Seit etwa 1900 wurde auch Porzellan als Dielektrikum in Kondensatoren verwendet. In den 1930er Jahren erforschte man weitere keramische Werkstoffe als Ersatz für Porzellan; die Entwicklung der Keramikkondensatoren setzte ein.

Glimmer als Dielektrikum in Kondensatoren wurde erstmals 1909 von William Dubilier in den USA eingesetzt und war bis zum Ausbruch des Zweiten Weltkrieges das meistgenutzte Material für Kondensatoren in Kommunikationsgeräten. Glimmerkondensatoren werden im Jahre 2022 nur noch vereinzelt eingesetzt, sie waren durch Klasse-1-Keramik-Kondensatoren abgelöst worden.

Mit der Entwicklung hoch isolierender und durchschlagsfester bzw. verlustarmer Kunststofffolien nach dem Zweiten Weltkrieg wurde das Papier in den Metall-Papierkondensatoren bei vielen Anwendungen durch dünnere Kunststofffolien ersetzt, es entwickelte sich eine breite Palette von Kunststoff-Folienkondensatoren.

Ab etwa 1950 wurde bei der General Electric in den USA mit der Entwicklung von Tantal-Elektrolytkondensatoren begonnen. Hier gelang es, nicht nur eine Miniaturisierung durch eine erheblich höhere Kapazität pro Bauvolumen gegenüber den bislang bekannten Kondensatoren zu erreichen, sondern mit der Entwicklung eines festen Elektrolyten konnte außerdem die Langzeitstabilität von Elektrolytkondensatoren deutlich verbessert werden.

Eine nochmals deutliche Kapazitätssteigerung gelang mit dem von General Electric 1957 patentierten „low voltage electrolytic capacitor", der durch SOHIO und ab 1971 durch NEC zu einem marktreifen Bauelement weiterentwickelt wurde und zunächst die Bezeichnung „ Doppelschicht-Kondensator" erhielt, aus der jetzt aufgrund der Erkenntnisse zur Pseudokapazität die Bezeichnung Superkondensator wurde.

In jüngster Zeit entwickelten Forschende am MIT einen Superkondensator auf der Basis von Zement, Wasser und Ruß. Aufgrund der hydrophobischen Eigenschaften von Ruß bilden sich bei der Trocknung dieses Gemischs langkettige netzartige Kohlenstoffstrukturen, die eine sehr große Oberfläche aufweisen. Solche Kondensatoren können zwar beliebig skaliert werden, da die Mischung jedoch feucht gehalten werden muss, sind sie als tragende Bauteile innerhalb von Gebäuden weitgehend ungeeignet.

Bei allen Kondensatorarten ist eine Entwicklung zu immer kleinerem Bauvolumen und hin zu oberflächenmontierbaren (SMD) Kondensatoren typisch. Darüber hinaus wurde speziell bei Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren durch Einführung von Polymer-Elektrolytsystemen eine erhebliche Erhöhung der Elektrolyt-Leitfähigkeit und entsprechend geringere Verlustwiderstände erreicht.

Forschungen in 2009 beschäftigten sich unter anderem mit neuartigen Oberflächenstrukturen der Elektroden. Beispielsweise lässt sich durch eine Nanostruktur in Form von Milliarden nebeneinander liegender kleiner Löcher in einer dünnen Aluminiumschicht, beschichtet mit Titan-Nitrid/Aluminiumoxid/Titan-Nitrid als kapazitiver Aufbau, die Leistungsdichte eines Nanokondensators, gemessen in W/kg, um mehr als das Zehnfache gegenüber Elektrolytkondensatoren vergrößern und erreicht damit eine Speicherfähigkeit in der Größenordnung von Doppelschichtkondensatoren, ohne deren Nachteil, die begrenzte Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit, aufzuweisen.

Eine weitere Möglichkeit, die Kapazität zu erhöhen, besteht in der Verwendung von Dielektrika mit hoher Permittivität. Klassisch wird hierfür Bariumtitanat-Keramik verwendet. Auch die Einbindung von Bariumtitanat-Körnern in nichtleitendes folienartiges Material wird erprobt, wodurch das Dielektrikum formbar wie bei Folienkondensatoren wird.

Kondensatoren sind in nahezu allen elektrischen und elektronischen Geräten zu finden. Nach der Schätzung eines Industriereports belief sich im Jahre 2008 der Wert aller weltweit verkauften Kondensatoren auf 18 Milliarden US$. Davon entfielen auf Keramikkondensatoren 8,3 Milliarden US$ (46 %), Aluminium-Elektrolytkondensatoren 3,9 Milliarden US$ (22 %), Kunststofffolien- und Metallpapierkondensatoren 2,6 Milliarden US$ (15 %), Tantal-Elektrolytkondensatoren 2,2 Milliarden US$ (12 %), Doppelschicht- und Superkondensatoren 0,3 Milliarden US$ (2 %) und andere Kondensatoren wie Vakuumkondensatoren 0,7 Milliarden US$ (3 %). Insbesondere die Entwicklung auf dem Gebiet neuer Telekommunikationsgeräte und Tabletcomputer mit ihren MLCC-Chipkondensatoren hat den Markt erheblich vorangetrieben. Von den etwa 1,4 Billionen (1,4·10 ¹²) Kondensatoren (2008) entfielen allein auf MLCC-Chips etwa 1 Billion (1,0·10 ¹²) Stück.

Der Markt an industriell hergestellten und von der Industrie benötigten Kondensatoren ist in den darauffolgenden Jahren etwas gesunken, weil vielfach eine Substition von teureren Kondensatoren durch preiswertere Lösungen erfolgte. Beispielsweise wurden Tantal-Chips durch MLCCs ersetzt. Der Kondensatormarkt wurde für 2016 auf 16,9 Milliarden US$ geschätzt.

Berechnung der Kapazität

Für eine Reihe von idealisierten Elektrodenanordnungen lässt sich die Feldverteilung im Kondensator und damit seine Kapazität exakt bestimmen. In der folgenden Tabelle sind einige wichtige Anordnungen aufgeführt:

Es bedeuten:
die Elektrodenfläche, deren Abstand, deren Länge, sowie deren Radien, die elektrische Feldkonstante des Vakuums, die relative Permittivität des Dielektrikums und die elektrische Ladung.

In der schematischen Darstellung sind die Elektroden hellgrau bzw. dunkelgrau und das Dielektrikum blau gefärbt. Anzumerken ist hier, dass bei den Anordnungen Plattenkondensator und Zylinderkondensator nur der Kapazitätsanteil durch dieses blau dargestellte Dielektrikum berechnet wird. Da auch Felder außerhalb des dargestellten Dielektrikums existieren - die bildlich gesprochen seitlich herausquellen -, stellen die gegebenen Formeln nur Näherungen dar, die umso besser werden, je geringer der Abstand der Elektroden im Vergleich zu ihrer Länge ist.

Plattenkondensatoren erlauben in einer modifizierten Ausführung sehr hohe Kapazitäten pro Volumen: Indem man die jeweils mit einem Potential verbundenen Elektroden abwechselnd aufeinander stapelt, werden sie doppelt wirksam. Die Abbildung des Vielschichtkondensators verdeutlicht dies. Sind die Platten als Metallfolie oder -film ausgeführt, können sie bei einem geeigneten Isolator auch aufgewickelt werden, dabei verdoppelt sich die Wirkung. Aufgrund seiner kompakten Bauform ist das der gebräuchlichste Kondensator.

Zylinderkondensatoren werden meist nur bei speziellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise als Vakuum- oder Durchführungskondensator. Die für die Bauform angegebene Gleichung ist aber auch hilfreich, um den Kapazitätsbelag einer Koaxialleitung zu bestimmen.

Bei Kugelkondensatoren ist insbesondere der Spezialfall, von Bedeutung, die Kapazität einer freistehenden Kugel. Hier wird die Gegenelektrode durch die Umgebung gebildet, sie liegt deshalb gewöhnlich auf Erdpotenzial. Die Kapazität dieser Bauform ist sehr gering. So hat eine Kugel mit einem Radius von 15 cm, wie sie im Van-de-Graaff-Generator zur Ladungsspeicherung oder in Tesla-Spulen zur Bildung eines LC-Schwingkreises eingesetzt wird, theoretisch eine Kapazität von ca. 16,7 pF. In der Praxis ist die Kapazität jedoch höher, weil die Gegenelektrode (Erde) nicht unendlich weit entfernt ist. Im CGS-Einheitensystem ist die Kapazität eines Kugelkondensators gleich dem Radius der Kugel in Zentimetern, die oben genannte Kugel hat also eine Kapazität von 15 cm (cm ist die Einheit der Kapazität in diesem System). Da auf der Kugeloberfläche das elektrische Feld sehr homogen ist, können große Kugelkondensatoren auf mehrere Millionen Volt aufgeladen werden, bevor es zu einer Funkenentladung kommt.

Eine typische Anwendung in der Leistungselektronik bilden Zwischenkreiskondensatoren in Schaltnetzteilen und Umrichtern. Hier übernimmt eine Schaltung (zum Beispiel Gleichrichter, Vierquadrantensteller) die Gleichrichtung von Wechselstrom, dieser Schaltungsteil agiert als Stromquelle. Ein zweiter Schaltungsteil agiert als Senke (zum Beispiel Wechselrichter). Der Zwischenkreiskondensator hat die Aufgabe, den pulsierenden Strom aus dem Gleichrichter aufzunehmen und dem Wechselrichter eine ausreichend konstante Spannung zuzuführen. Je größer seine Kapazität desto kleiner die Spannungsänderung durch die Stromentnahme zwischen den Ladepulsen. Die gleiche Funktion haben die Glättungskondensatoren am Ausgang von Gleichspannungswandlern und in Gleichspannungsnetzteilen, sie halten deren Brummspannung möglichst klein.

In ähnlicher Weise können Kondensatoren zeitlich begrenzt hohe Leistung bereitstellen (siehe auch Doppelschichtkondensator). Sie werden auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und können dann Verbraucher mit hohem kurzzeitigem Leistungsbedarf antreiben. Beispiele dafür sind die Hochspannungs-Kondensatorzündung bei Verbrennungsmotoren und in der Waffentechnik der „exploding-bridgewire detonator".

Eine typische Anwendung findet man in Blitzlichtgeräten. Ein Kondensator wird mit Hilfe eines Spannungswandlers innerhalb von einigen Sekunden aus einer Batterie bis etwa 400 V aufgeladen. Nach Zündung der Blitzröhre entlädt sich der Kondensator innerhalb einiger Mikrosekunden und liefert dabei eine Leistung von einigen Kilowatt. Die Batterie selbst kann wegen ihres hohen Innenwiderstandes unmöglich so viel Leistung zur Verfügung stellen.

Gleiches gilt für die in der Medizin eingesetzten Defibrillatoren. Implantierbare Defibrillatoren arbeiten mit Spannungen von zirka 650 bis 800 V und einer Schockenergie von 30 J bei einer Batteriespannung von zirka 3,5 V. Die Kapazitäten der Kondensatoren liegen bei etwa 100 bis 170 μF.

Des Weiteren werden Verschaltungen von mehreren Kondensatoren zum Herauf-, Herabsetzen und zum Invertieren von Versorgungsspannungen genutzt. Hier werden Kondensatoren zyklisch auf ein Potential aufgeladen, mit einem anderen Potential verbunden und dort entladen. Gebräuchliche Schaltungen sind die Ladungspumpe und deren spezielle Ausführung als Hochspannungskaskade.

Für Anwendungen, in denen es nicht auf schnellste Verfügbarkeit ankommt, sind zur Speicherung größerer Energiemengen andere Speichertechnologien wirtschaftlicher.

Induktionsarme (Keramik-)Kondensatoren sind in allen Elektronikschaltungen notwendig, um den dynamischen Innenwiderstand der Stromversorgung so weit zu vermindern, dass auch sehr hochfrequente Stromimpulse von beispielsweise 2 GHz keine unzulässigen Spannungsschwankungen am induktiven Widerstand des Zuleitungsdrahtes hervorrufen. Deshalb müssen diese Kondensatoren unmittelbar mit dem IC verbunden werden. Abklatschkondensator.

Eine zeitdiskrete Variante von speziellen Filtern, die Kondensatoren in ihrem Aufbau verwenden, stellen die Switched-Capacitor-Filter dar. Weiters können in Filtern Spulen durch sogenannte Gyratoren nachgebildet werden: Dabei wird mit der Kapazität eines Kondensators unter Verwendung einer aktiven Schaltung die Induktivität einer Spule nachgebildet.

Die sich an einem Kondensator aufbauende Spannung ist proportional dem Integral des Ladestromes über die Zeit. Auf diese Weise werden Kondensatoren zur Festlegung von Schaltzeiten genutzt, zum Beispiel bestimmt ein Kondensator die Schaltzeiten einer astabilen Kippstufe. Dazu wird ein Kondensator über eine Stromquelle geladen; seine Spannung nimmt proportional zur verstrichenen Zeit zu. Sobald die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, erfolgt ein Zustandswechsel der Schaltung. In ähnlicher Weise wird eine Reihe von Wandlerschaltungen realisiert:

Spannungs-Frequenz-Umformer: Diese Schaltung wandelt eine Eingangsspannung in eine dazu proportionale Frequenz um. Ein Kondensator wird zyklisch durch eine spannungsgesteuerte Konstantstromquelle bis zu einer vorgegebenen Spannung geladen, dann schlagartig entladen. Die Frequenz des sägezahnförmigen Spannungsverlaufes am Kondensator ist das Ausgangssignal.

Analog-Digital-Umsetzer nach dem slope-Prinzip: Dieser Wandler gleicht dem Spannungs-Frequenz-Wandler, arbeitet allerdings nicht zwingend zyklisch.

Zeitmessung: Hier wird die Stromquelle durch einen Impuls unbekannter Länge gesteuert, die Spannung des Kondensators nach dem Impulsende ist proportional zur Impulslänge.

Frequenz-Spannungs-Wandler: Zur Frequenzmessung werden im Takt der zu messenden Frequenz Impulse konstanter Länge erzeugt. Diese laden periodisch einen Kondensator, dem ein konstanter Entladestrom entnommen wird. Die Spannung am Kondensator ist das Ausgangssignal.

Siehe auch: NE555, ein 1971 entwickelter integrierter Schaltkreis für Timer- oder Oszillator-Schaltungen.

Zur Speicherung von großen Informationsmengen können einige Milliarden Kondensatoren in einer integrierten Schaltung zusammengefasst werden. Beispiele dafür sind dynamisches RAM (DRAM), Eraseable Programmable Read Only Memory (EPROM) und Flash-Speicher.

Sonderbauformen von Kondensatoren sind als Sensoren für eine Reihe physikalischer Größen geeignet. Diese Größen bewirken eine Änderung der Kapazität oder der enthaltenen Ladung, beides kann durch eine nachfolgende Schaltung ausgewertet werden. Bei besonderen Konfigurationen sind nichtlineare Kondensatoren bekannt. Kondensatoren mit großen Toleranzen können aber auch unbeabsichtigt nichtlinear sein. Folienkondensatoren zum Beispiel können durch elektrostatische Anziehung nach der Aufladung eine größere Kapazität aufweisen.

Man kann die Messprinzipien in die beiden folgenden Gruppen einteilen:

Unter anderem der elektrostatische Lautsprecher nutzt die elektrostatische Anziehungskraft der Elektroden aus. Die Druckkraft auf die im Abstand befindlichen planparallelen Platten eines Kondensators bei der Spannung beträgt[17]

mit - Permittivität

Der Druck ist somit vom Quadrat der Feldstärke abhängig und lässt sich durch Verwenden durchschlagsfester Materialien mit hohem stark steigern, siehe auch Dielektrische Elastomere.

Alternativ kann eine Messgröße auch die Überdeckung der Elektroden verändern, wodurch sich ebenfalls die Kapazität ändert. So lassen sich bspw. Winkel messen, indem kreissegmentförmige Elektroden gegeneinander verdreht werden, ähnlich dem weiter unten beschriebenen Drehkondensator.

Bei einem kapazitiven Hygrometer beeinflusst die Luftfeuchtigkeit die Dielektrizitätszahl eines speziellen Isolationsmaterials und auf diese Weise die Kapazität.

Ebenfalls auf einer Änderung der Dielektrizitätszahl beruht der kapazitive Füllstandssensor. Hier sind die Elektroden so befestigt, dass sie mit zunehmendem Füllstand weiter in die Flüssigkeit eintauchen. Durch die höhere Permittivität der Flüssigkeit nimmt die Kapazität mit zunehmender Tauchtiefe zu.

Im Laufe der Geschichte der Kondensatoren haben sich viele industriell genutzte Bauarten, auch Familien oder Technologien genannt, entwickelt. Diese werden gemäß der Eingruppierung in den internationalen und nationalen Normen in Kondensatoren mit fester Kapazität, die „Festkondensatoren", und Kondensatoren mit veränderbarer Kapazität, die „Veränderbaren oder Variablen Kondensatoren ", unterteilt.

Festkondensatoren haben einen definierten und mit einer Toleranz versehenen Kapazitätswert. Es gibt sie je nach den technischen Anforderungen wie Spannungsfestigkeit, Strombelastbarkeit, Kapazitätsstabilität, Temperaturkoeffizient, Einsatzfrequenzbereich, Temperaturbereich oder Montageart (SMD-Ausführung) sowie nach wirtschaftlichen Anforderungen (Preis) in zahlreichen verschiedenen Technologie-Familien, Ausführungen oder Bauformen.

Keramikkondensatoren haben keramische Dielektrika mit Spannungsfestigkeiten von 10 bis zu 100.000 V bei verschieden hoher Permittivität. Sie bilden eine große Gruppe von Kondensatoren im unteren Kapazitätsbereich (0,5 pF bis zu 100 µF oder mehr). Die verwendeten Keramikarten gehören einerseits zu den paraelektrischen Materialien mit feldstärkeunabhängiger relativer Permittivität, beispielsweise Titandioxid (TiO ₂), andererseits zu den ferroelektrischen Materialien mit feldstärkeabhängiger relativer Permittivität, wie Bariumtitanat (BaTiO ₃). Keramikkondensatoren werden aus fein gemahlenen Granulaten durch Sinterung im Temperaturbereich zwischen 1200 und 1400 °C hergestellt. Durch geeignete Zusatzstoffe ( Aluminium- Silikate, Magnesium-Silikate, Aluminiumoxide) kann die relative Permittivität ε r eines Keramikkondensators zwischen 6 und 14.000 liegen. Die Keramikkondensatoren werden anhand ihrer Keramikart und damit zusammenhängend ihren elektrischen Eigenschaften in zwei Klassen eingeteilt: Klasse-1-Kondensatoren, die sich für Hochfrequenz- und Filteranwendungen eignen, und Klasse-2-Kondensatoren, die als Energiespeicher und Siebkondensator eingesetzt werden.

Kunststoff-Folienkondensatoren verwenden Folien aus Kunststoff oder Kunststoffmischungen als Dielektrikum und werden in zwei Ausführungen hergestellt:

Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallbelägen bestehen aus je zwei Kunststofffolien, die beide mit einer Metallfolie, meist aus Aluminium, belegt sind und gemeinsam zu einem Wickel aufgerollt werden. Bei den üblichen kleineren Bauformen ragen die Metallfolien abwechselnd entgegengesetzt über die Kunststofffolie hinaus, so dass auf jeder Seite des Wickels eine der Metallfolien übersteht, die dann großflächig und induktionsarm mit dem jeweiligen Anschluss kontaktiert wird.

Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren bestehen im einfachsten Fall aus zwei Kunststofffolien, die jeweils einseitig mit Aluminium bedampft sind. Diese werden mit leichtem seitlichem Versatz so aufgewickelt, dass die metallisierten Folien an gegenüberliegenden Seiten aus dem Wickel heraus stehen und somit kontaktiert werden können. Diese Bauform gibt es auch als Schichtkondensatoren - die Lagen werden zu einem großen Block geschichtet, aus dem die einzelnen Kondensatoren herausgesägt werden. Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren sind, wie MP-Kondensatoren, bei einem Durchschlag selbstheilend, da die dünne Metallschicht der Beläge vom Spannungsdurchschlags-Lichtbogen um den Durchschlagskanal herum verdampft.

Metallpapierkondensatoren (MP-Kondensatoren) bestehen aus je zwei mit Aluminium metallisierten Papierstreifen ( Isolierpapier), die mit einer weiteren Papierfolie zu einem Wickel aufgerollt und in einem Becher eingebaut werden. Der Wickel wird mit einem Isolieröl imprägniert, wodurch die Spannungsfestigkeit erhöht und der Verlustfaktor verringert wird. MP-Kondensatoren finden vor allem als Leistungskondensatoren im Bereich der Leistungselektronik und für Netzanwendung als Entstörkondensator Verwendung. Sie sind auf Grund der metallisierten Beläge, wie vergleichbare Kunststoff-Folienkondensatoren, selbstheilend.

Superkondensatoren, früher „Doppelschichtkondensatoren" genannt, ( electrochemical double layer capacitor, EDLC) haben die größte Energiedichte aller Kondensatoren. Ihre hohe Kapazität, bezogen auf das Bauvolumen, basiert einerseits auf dem physikalischen Phänomen äußerst dünner elektrisch isolierender Helmholtz-Doppelschichten an den Oberflächen spezieller großflächiger Elektrodenmaterialien, in denen die elektrische Energie statisch als Doppelschichtkapazität in elektrischen Feldern gespeichert wird. Andererseits stammt sehr oft ein weiterer Anteil an der hohen Kapazität aus einer sogenannten Pseudokapazität, einer innerhalb enger Grenzen spannungsabhängigen elektrochemischen bzw. faradayschen Speicherung elektrischer Energie, die mit in einer Redoxreaktion und mit einem Ladungsaustausch an den Elektroden verbunden ist, wobei allerdings im Gegensatz zu Akkumulatoren an den Elektroden keine chemische Stoffänderung eintritt. Die Pseudokapazität kann durch spezielle Elektroden bei gleichem Bauvolumen einen erheblich größeren Wert als die Doppelschichtkapazität erreichen.

Der jeweilige Anteil der Doppelschichtkapazität und der Pseudokapazität an der Gesamtkapazität des Kondensators wird in sehr grober Verallgemeinerung durch die Namensgebung solcher Kondensatoren in industriellen Veröffentlichungen erkennbar.

Doppelschichtkondensatoren

speichern die elektrische Energie überwiegend in Helmholtz-Doppelschichten ihrer Elektroden und haben keinen oder nur einen geringen Anteil von Pseudokapazität an der Gesamtkapazität (bis etwa 10 %)

Pseudokondensatoren

weisen aufgrund ihrer Elektrodenkonstruktion mit hoher Redoxkapazität meist einen zum Teil deutlich höheren Anteil an der Pseudokapazität auf, wodurch sie eine höhere spezifische Kapazität als Doppelschichtkondensatoren haben.

Hybridkondensatoren

sind Superkondensatoren mit einer statischen Doppelschichtelektrode und einer elektrochemischen Redox-Elektrode, wobei die Redox-Elektrode aus einer anderen Technologie, beispielsweise aus dem Bereich der Akkumulatoren oder der Elektrolytkondensatoren, ähneln kann.

Superkondensatoren werden unter vielen unterschiedlichen Handelsnamen wie BestCap, BoostCap, DLCAP, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, SuperCap, PAS, PowerStor oder Ultracapacitor sowie die Lithium-Ionen-Kondensatoren unter Premlis, EneCapTen, Ultimo oder LIC angeboten.

Vakuumkondensatoren

Sie sind bei großen hochfrequenten Strömen und Spannungen im Kilovolt-Bereich vorteilhaft und werden vorzugsweise bei Sendern hoher Leistung eingesetzt. Es gibt auch Bauformen mit variabler Kapazität.

Glas-Dielektrikum

erlaubt einen hohen Temperaturbereich von −75 bis +200 °C; typische Werte sind 300 pF bis 100 nF.

Kondensatoren auf Siliziumsubstrat

In integrierten Schaltkreisen werden Kondensatoren konventionell durch eine Schichtfolge von Silizium, Siliziumoxid, Aluminium hergestellt. Silizium und Aluminium bilden dabei die Elektroden des Kondensators; das Siliziumoxid (auch Siliziumnitrid) bildet das Dielektrikum. Sind besonders viele Kondensatoren erforderlich, wie in Halbleiterspeichern, so kommen auch schwieriger zu verarbeitende Dielektrika mit höherer Dielektrizitätszahl zum Einsatz. In besonderen Fällen, wenn der Speicherinhalt ohne Energieversorgung erhalten bleiben soll, auch Ferroelektrika.
Nach einem ähnlichen Verfahren werden diskrete Kondensatoren hergestellt, die bei Frequenzen bis in den Gigahertz-Bereich gute Eigenschaften besitzen.

Glimmerkondensatoren

haben ein Dielektrikum aus dem natürlich vorkommenden Mineral Glimmer. Dieses weist eine hohe Spannungsfestigkeit auf und ist aufgrund seiner Schichtstruktur spaltbar in dünne Blättchen bis hinab zu 20 µm Dicke, die meist mit Silber als Elektrodenbeläge bedampft werden. Glimmerkondensatoren werden aufgrund der niedrigen Verlustfaktoren in der Sendetechnik und aufgrund ihrer hohen Kapazitätskonstanz und geringen Kapazitätstoleranz in Messnormalen und in Filter- und Schwingkreisanwendungen für hohe Anforderungen eingesetzt. Sie werden, nach dem englischen Wort für Glimmer, oft als Mica-Kondensatoren bezeichnet.

Neben der Unterteilung von Kondensatoren nach verwendetem Dielektrikum bzw. bei Elkos nach der Kathode kann eine Klassifizierung nach Anwendungsbereich oder nach Bauform erfolgen. Wichtige Beispiele sind:

Leistungskondensatoren

sind Metallpapier- oder Kunststoff-Folienkondensatoren. Sie können direkt an Versorgungsnetzspannung betrieben werden und zeichnen sich durch eine größere Bauform, je nach Leistungsbereich durch Steck- oder Schraubanschlüsse sowie meist durch erdbare Blechgehäuse aus und sind funktionell für eine hohe Strombelastbarkeit vorgesehen.

Durchführungskondensatoren

sind meist koaxial aufgebaute Kondensatoren, oft Keramikkondensatoren, die eine elektrische Leitung durch eine leitfähige Wandung (Abschirmung) führen. Der innen liegende Anschluss ragt beidseitig an den Enden eines leitfähigen Belags aus dem Kondensator heraus und bildet die Durchführung für eine elektrische Verbindung. Die außen liegende Elektrode des Kondensators wird mit der Wandung kontaktiert. Die Kapazität, die zwischen Innen- und Außenanschluss wirkt, leitet hochfrequente Störungen, zum Beispiel einkoppelnde Funkwellen aus der Umgebung, aus einer Geräte-Zuleitung gegen Masse ab.

Schutzringkondensatoren

sind eine spezielle Bauform eines Plattenkondensators, um Randeffekte in Messvorgängen zu reduzieren.

Die heutzutage industriell genutzten Bauformen von Festkondensatoren spiegeln die Entwicklung der industriellen Technik der letzten 100 Jahre wider. Die Bauformen zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden noch mechanisch mit Schrauben befestigt und die Anschlüsse per Hand gelötet oder auch angeschraubt. Der Preisdruck in der Fertigung führte Mitte des 20. Jahrhunderts zur Leiterplattentechnik. Dafür wurden bedrahtete Bauteile benötigt und die Kondensatoren wurden entsprechend mit Anschlussdrähten entwickelt. Aus zunächst liegenden Bauformen mit axialen Anschlüssen wurden, um mit kompakteren Leiterplatten Kosten einzusparen, etwas später radiale, stehende Bauformen. Diese werden häufig, bei gleichen elektrischen Werten, mit verschieden großen Abständen der Anschlüsse, dem Rastermaß (RM), angeboten.

Im Zuge der Miniaturisierung und Standardisierung, getrieben von der Entwicklung immer umfangreicherer Schaltungen, begann in den 1980er Jahren der Siegeszug der oberflächenmontierbaren Bauelemente, der sog. SMD-Chips. Sie ermöglichen kompaktere Leiterplatten bei höherer Fertigungsqualität und niedrigeren Prozesskosten.

Neben den Bauteilen für das industrielle Massengeschäft finden sich aber auch weiterhin Bauformen, die sich aus speziellen Anforderungen der jeweiligen Schaltung ergeben. Beispielsweise die Flachbandanschlüsse von Folienkondensatoren für eine hohe Impuls-Strombelastbarkeit, die Schraubanschlüsse großer Aluminium-Elektrolytkondensatoren für hohe Strombelastbarkeit oder spezielle Bauformen für zum Beispiel Durchführungskondensatoren.

Es gibt mechanische und elektrische variable Kondensatoren.

Die mechanisch-variablen Kondensatoren gehören zu den Passiven Bauelementen und werden unterschieden in Drehkondensatoren, die zur Senderabstimmung für häufige und wiederholende Betätigungen ausgelegt sind und Trimmkondensatoren (Trimmer), die für einmalige oder seltene Betätigungen zur Feinabstimmung ausgelegt sind.

Heutzutage noch benötigte mechanische Bauformen sind u. a.

Variable Vakuumkondensatoren für Geräte mit höheren Leistungen wie in MRT-Scannern.

Multiturn-Rohrtrimmer, die sich aufgrund des wirksamen Drehwinkels der Spindel, der ein Mehrfaches von 360 Grad (Multiturn) beträgt, recht präzise einstellen lassen und für Mikrowellen-Anwendungen in Radargeräten sowie in medizinischen und industriellen Geräten bis zu 100 GHz geeignet sind.

SMD-Trimmer mit kleinsten Abmessungen in Kreisen mit sehr kleinen Leistungen für z. B. Mobiltelefone, ferngesteuerte Zugangssysteme, Überwachungskameras, DVD-Geräte und Einbruchsicherungen., sowie

Laser-Abgleichkondensatoren, deren oberste Elektrode mit Hilfe eines präzise steuerbaren Laserstrahles schrittweise verdampft werden kann. Somit lässt sich ein gewünschter Kapazitätswert mit einer sehr großen Genauigkeit einstellen.

Ein einstellbarer Kapazitätswert kann für Kreise mit kleineren Leistungen auch durch elektrisch-variable Kondensatoren, auch Varaktoren genannt ( Varactors), bewerkstelligt werden. Diese Kondensatoren gehören zu den Aktiven Bauelementen und nutzen die Eigenschaften der Halbleitertechnik aus, um eine variable Kapazität zu erhalten. Zu den elektrisch-variablen Kondensatoren gehören

Kapazitätsdioden (Varicap diode), in denen durch elektrisch beeinflussbare Änderung der Raumladungszone der Elektrodenabstand und somit die Kapazität variiert werden kann.

Dielektrisch-variable Kondensatoren (Dielectric varactors), beispielsweise integrierte variable BST-Kondensatoren bzw. BST-Varaktoren (BST varactors), deren Besonderheit das Dielektrikum aus dem ferroelektrischen Material Barium-Strontium-Titanat (BST) ist. BST hat eine relativ hohe relative Permittivität, die abhängig von der Feldstärke im Dielektrikum ist. Damit ist die Kapazität der BST-Varaktoren abhängig von der anliegenden Spannung.,

Digital-variable Kondensatoren (Digitally Tunable Capacitors (DTC)) sind Anordnungen mehrerer integrierter Kondensatoren in Integrierten Schaltungen unterschiedlicher Halbleitertechnologien, die über digital-codierte Schalter parallel/seriell so geschaltet werden können, das ein gewünschter Kapazitätswert erreicht wird, der zur Abstimmung eines Schwingkreises oder Filters benötigt wird. und

Elektrisch-variable RF-MEMS-Kondensatoren (Tunable RF MEMS capacitors), in denen die Kraft ausgenutzt wird, mit der sich gegenpolig geladene bewegliche Elektroden in Mikro-Elektromechanischen Systemen beim Anlegen einer Spannung anziehen, um elektrisch einstellbare Kapazitätswerte zu erzeugen.

Die Parameter dieser elektrisch-variablen Kondensatoren werden durch spezielle Eigenschaften der Halbleitertechnik stark beeinflusst. U. a. führen die kleinen Dimensionen zu deutlich kleineren realisierbaren Kapazitätswerten, wodurch allerdings die Eignung dieser Kondensatoren für höhere Frequenzen bis zu einigen 100 GHz möglich wird. Sie werden u. a. in modernen stationären und mobilen Empfangsgeräten in Filtern zur Frequenzselektion eingesetzt.

Bei Kondensatoren gibt es keine so einheitliche Kennzeichnung wie bei Widerständen. Einige häufige Varianten sind unten aufgelistet. Weitere Informationen sind über die Weblinks unten zu finden.

473: Die ersten beiden Ziffern geben den Wert in Pikofarad an, die dritte die Anzahl der nachfolgenden Nullen. 473 bedeutet also 47 × 10³ pF = 47000 pF = 47 nF.

18: Oft auf keramischen bedrahteten Kondensatoren als Aufdruck zu finden, bedeutet eine Angabe in Pikofarad, hier also 18 pF.

3n9: Bedeutet 3,9 nF.

.33 K 250: Die erste Zahl gibt den Wert in Mikrofarad an, also 0,33 µF = 330 nF. K steht für eine Kapazitätstoleranz von 10 % und 250 für die Nennspannung in Volt, für die der Kondensator ausgelegt ist und die dauernd im gesamten spezifizierten Temperaturbereich angelegt werden darf (J, K und M stehen respektive für ±5 %, ±10 % und ±20 %).

Für die zunehmend seltener werdende axiale Bauform waren auch Farbcodes üblich.

Mitte des 20. Jahrhunderts wurden vor allem Papierkondensatoren, welche in den damals aufkommenden ersten Röhrenempfängern für den Rundfunkempfang eingesetzt wurden, häufig mit der Einheit „cm" beschriftet, der Kapazitätseinheit im kaum noch gebrauchten elektrostatischen CGS-Einheitensystem.

Die nebenstehende Abbildung zeigt einen Papierkondensator der Firma SATOR aus dem Jahr 1950 mit einer Kapazität laut Aufdruck von „5.000 cm" bei einer Prüfspannung von „2.000 V". Das wäre eine Kapazität von zirka 5,6 nF im üblichen SI-Einheitensystem. Eine Kapazität von 1 cm im CGS-Einheitensystem entspricht 1,1 pF im SI-Einheitensystem, der Umrechnungsfaktor ist .

Oft wird bei Elektrolytkondensatoren ein in mehreren Ziffern codierter Datumscode aufgedruckt, um das Herstellungsdatum erkennen zu können, da Elektrolytkondensatoren in Abhängigkeit von der Zeit ihre Kapazität verringern können; zum Beispiel 2313 : 2 = 2002, 3 = März, 13 = 13. Tag, also 13. März 2002. Der Aufbau der Codes kann sich bei verschiedenen Herstellern unterscheiden, da nur wenige sich nach einheitlichen Normen richten. (Siehe auch Kennzeichnung von Elektrolytkondensatoren)

Sofern es die Bauform des Kondensators zulässt, wird auch der Hersteller, der Betriebstemperaturbereich, die Spannungsfestigkeit und eine Baureihenbezeichnung angebracht, die Aufschluss über den verwendeten Isolator gibt.

Keramikkondensatoren werden mit ihrer Toleranz und dem gültigen Temperaturbereich gekennzeichnet.

Die Bezeichnungen X1, X2, X3 sowie Y1 bis Y4 dienen der Kennzeichnung von Entstörkondensatoren zur Verwendung in Netzfiltern im Niederspannungsnetz. X-Kondensatoren werden zwischen Außenleiter und Neutralleiter eingesetzt. Der X1-Typ hält einem Spannungsimpuls von 4 kV stand, X2 von 2,5 kV. Durch eine spezielle Konstruktion geraten sie auch bei Überlastung nicht in Brand. Die Y-Typen werden eingesetzt, wenn eine Schutzisolierung überbrückt wird und deren Defekt zu einem Stromschlag führen kann; sie halten Spannungsimpulsen der doppelten Höhe stand.

In den unten abgebildeten Schaltzeichen symbolisieren die horizontalen Flächen die separierten Elektroden. In Europa sind elektrische Schaltzeichen in EN 60617 Graphische Symbole für Schaltpläne bzw. genormt. Im nordamerikanischen Raum kommen die Normen ANSI/ IEEE Std 91a-1991 IEEE Graphic Symbols for Logic Functions, IEEE Std 315-1986 (Reaffirmed 1993) / ANSI Y32.2-1975 (Reaffirmed 1989) / CSA Z99-1975 Graphic Symbols for Electrical and Electronics Diagrams zum Einsatz.

Normung und Ersatzschaltbild

Diskrete Kondensatoren sind Industrieprodukte, von denen etwa 1400 Milliarden (1,4·10 ¹²) Einheiten im Jahre 2008 hergestellt und eingebaut wurden. Für Kondensatoren werden die elektrischen Werte und die Kriterien ihrer Messverfahren im internationalen Bereich harmonisiert durch die Rahmenspezifikation IEC 60384-1, die in Deutschland als DIN EN 60384-1 (VDE 0565-1) im Mai 2010 erschienen ist. Diese Norm definiert zunächst die elektrischen Werte eines Kondensators mit Hilfe eines Serien-Ersatzschaltbildes. Darin sind:

C die Kapazität des Kondensators,

R isol, der Isolationswiderstand des Dielektrikums bzw. R Leak, der Widerstand, der den Reststrom bei Elektrolytkondensatoren repräsentiert,

ESR (engl. Equivalent Series Resistance), der äquivalente Serienwiderstand, in ihm sind die ohmschen Leitungs- und die dielektrischen Umpolungsverluste des Kondensators zusammengefasst

ESL (engl. Equivalent Series Inductivity L), die äquivalente Serieninduktivität, sie fasst die parasitäre Induktivität des Bauelementes zusammen.

Mit diesem Ersatzschaltbild, den Vorschriften in der DIN EN 60384-1 und den jeweiligen untergeordneten Bauartspezifikationen können Betriebszustände von Kondensatoren so beschrieben werden, dass für definierte Randbedingungen (Frequenz, Temperatur, anliegende Spannung) reproduzierbare Messergebnisse erzielt werden können.

Für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche wurde eine Reihe von Beschreibungen entwickelt, die bestimmte Aspekte des Verhaltens eines Kondensators hervorheben.

Ein geladener Kondensator speichert elektrische Energie in dem elektrischen Feld, das zwischen den geladenen Platten besteht. Ist ein Kondensator der Kapazität auf die Spannung geladen, so enthält sein Feld die Energie gemäß:

Zum Laden eines Kondensators werden elektrische Ladungen von der einen Platte zur anderen transportiert. Je weiter der Kondensator während dieses Vorgangs bereits aufgeladen ist, desto stärker ist das bereits zwischen seinen Platten herrschende elektrische Feld , desto mehr Kraft wird ausgeübt, um die Ladung von einer Platte zur anderen zu bringen. Mit steigender Spannung des Kondensators wird daher zunehmend mehr Arbeit für eine weitere Spannungserhöhung verrichtet. Am Schluss ist die während des Aufladens verrichtete Gesamtarbeit als Feldenergie gespeichert. Beim Entladen wird diese wieder frei.

Für einen Lade- oder Entladevorgang gelten mit die Zusammenhänge

und

Dabei ist

die Eulersche Zahl

die Kondensatorspannung zum Zeitpunkt

der Ladestrom zum Zeitpunkt

die Quellspannung, welche am Kondensator anliegt

die Kondensatorspannung zum Zeitpunkt

die Differenz zwischen Kondensatorspannung und Quellspannung

die Zeitkonstante des Kondensators

der Innenwiderstand des Kondensators, bzw. die Summe aus Innen- und Vorwiderstand bei einem RC-Glied

die Kapazität des Kondensators

Während des Ladevorgangs eines Kondensators über ein RC-Glied lassen sich Spannungs- sowie Stromverlauf (in der Zeit) durch folgende e-Funktionen beschreiben:

und

mit als Momentanwert der Spannung am Kondensator, als Momentanwert des Stroms am Kondensator, als ohmscher (Vor-)Widerstand des Kondensators (im Stromkreis), als Zeitkonstante und als Ladespannung. Ein Kondensator erreicht nach einer Ladezeit von eine Spannung in Höhe von ; nach einer Ladezeit von nur rund hat ein Kondensator bereits 50 % seiner endgültigen beziehungsweise ursprünglichen Spannung erreicht. Er ist nach einer Ladezeit von zu rund 99 % aufgeladen.

Der Verlauf der elektrischen Spannung und des elektrischen Stroms (in der Zeit) während des Entladevorgangs eines Kondensators lassen sich folgendermaßen als Funktionen darstellen:

sowie

mit als Spannung des geladenen Kondensators. An einem Kondensator liegt nach einer Entladezeit von nur noch eine Spannung von (= 1/e) an; nach einer Entladezeit von näherungsweise ist die Spannung auf die Hälfte gesunken. Nach einer Entladezeit von ist die Spannung auf rund 1 % gesunken ( Restströme/Leckströme sind zu beachten).

Eine Beziehung zwischen Strom und Spannung ergibt sich durch die zeitliche Ableitung der Elementgleichung des Kondensators :

Das bedeutet, dass der Strom durch den Kondensator proportional der Spannungsänderung am Kondensator ist. Die Aussage, dass der Strom proportional der zeitlichen Ableitung der Spannung ist, lässt sich umkehren: Die Spannung ist proportional zum zeitlichen Integral des Stroms. Legt man beispielsweise einen konstanten Strom an, so folgt daraus eine konstante Spannungsänderung, die Spannung steigt linear an.

Das Aufladen und Entladen eines Kondensators durch eine Spannungsquelle über einen Widerstand resultiert in einen exponentiell abflachenden Spannungsverlauf. Es wird ausführlich im Artikel behandelt.

Eine kosinusförmige Wechselspannung mit der Amplitude und der Frequenz bzw. der Kreisfrequenz , also

an einem Kondensator bewirkt den Stromfluss

Der Strom fließt zeitlich versetzt zur Spannung („ Phasenverschiebung"), er eilt dieser um bzw. 90° voraus.

Die Stromstärke ist proportional zur Frequenz der angelegten Spannung und zur Kapazität des Kondensators:

Das Verhältnis von Spannungsamplitude zu Stromamplitude wird allgemein als Scheinwiderstand bezeichnet; im Falle eines idealen Kondensators, bei dem der Strom der Spannung um genau 90° vorauseilt, als kapazitiver Blindwiderstand :

Phasenverschiebungswinkel:

Blindwiderstand:

Die Formel zeigt, dass der elektrische Blindwiderstand des Kondensators mit zunehmender Frequenz bis zum praktischen Kurzschluss bei Hochfrequenz abnimmt und andererseits bei der Frequenz , also bei Gleichspannung, unendlich groß wird und praktisch wie eine Leitungsunterbrechung wirkt.

Wird ein Kondensator von periodischen nichtsinusförmigen Wechselströmen durchflossen, so können diese mittels der Fourieranalyse als eine Summe von sinusförmigen Wechselströmen dargestellt werden. Für diese lässt sich die Verknüpfung von Spannung und Strom am Kondensator auf jede einzelne Sinusschwingung getrennt anwenden, der resultierende nichtsinusförmige Spannungsverlauf am Kondensator ergibt sich dann als Summe der einzelnen sinusförmigen Spannungsverläufe.

Diese Zusammensetzung gilt nur, wenn die Kapazität des Kondensators nicht von der anliegenden Spannung abhängt. In diesem Fall ist der Kondensator ein lineares Bauelement und die damit aufgebauten Schaltungen mit den Methoden der komplexen Wechselstromrechnung zugänglich. Hängt die Kapazität des Kondensators von den Momentanwerten der anliegenden Spannung ab, d. h., die dielektrische Leitfähigkeit des zwischen den Platten befindlichen Dielektrikums ist von der elektrischen Feldstärke abhängig, liegt ein nichtlinearer Kondensator vor. In diesem allgemeinen Fall können die obige Beziehungen zwischen Strom und Spannung am Kondensator nicht angewendet werden.

Die nebenstehende Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator ist am 230-V- Stromnetz angeschlossen, bei 50 Hz fließen die angegebenen Ströme. Durch den Widerstand fließt 2,3 A Wirkstrom, der bezahlt werden muss, auf den Blindstrom von 1,45 A darf der Elektrizitätszähler nicht reagieren und die Anschlussleitung muss für den Gesamtstrom von 2,72 A bemessen sein (der Strom durch den Kondensator ist um 90° phasenverschoben, daher ist der Gesamtstrom: ). Einer Wirkleistung von 529 W steht eine Blindleistung von 334 var (W) gegenüber, die zwischen Generator und Kondensator pendelt und Leitungen und Trafos unnötig belastet.

Zur Kompensation dieser Blindleistung wird eine passend gewählte Induktivität von 0,5 H parallel zum Gerät geschaltet, deren Blindstrom ebenfalls 1,45 A beträgt. Die Blindströme von Kondensator und Spule kompensieren sich auf Grund ihrer entgegengesetzten Phasenlagen und die gesamte Stromaufnahme sinkt auf 2,3 A. Die gesamte Anordnung gleicht nun einem gedämpften Schwingkreis.

Insbesondere Systeme mit mehreren Kondensatoren, Widerständen und Spulen sind mit dem oben genannten Formalismus umständlich zu beschreiben. Um nicht Phase und Betrag von Signalen getrennt berechnen zu müssen, werden in der komplexen Wechselstromrechnung die Amplituden sinus- und kosinusförmiger Spannungsverläufe in Imaginär- und Realanteil einer komplexen Amplitude der auf die komplexe Ebene erweiterten Kreisfunktion zusammengefasst, wobei die imaginäre Einheit und die Kreisfrequenz bezeichnen. Kleine Buchstaben für Spannungen und Ströme kennzeichnen zeitlich veränderliche Größen; zeitlich konstante Größen werden mit Großbuchstaben gekennzeichnet; komplexe Größen werden unterstrichen:

Der Realteil davon ergibt den Momentanwert der Größe.

Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung, die Impedanz , lässt sich daraus analog dem ohmschen Widerstand durch Quotientenbildung gewinnen:

Als Beispiel wird der Betrag der Impedanz eines 5-nF-Kondensators bei 3 kHz berechnet:

Man sieht, dass für den (idealen) Kondensator der Wirkwiderstand gleich 0 ist und der Blindwiderstand automatisch das negative Vorzeichen bekommt.

Durch diese Betrachtungsweise werden Differentialgleichungen vermieden. Anstelle der Ableitung tritt eine Multiplikation mit (mathematisch negativer Drehsinn).

Da reale Kondensatoren nicht nur eine Kapazität sondern auch immer noch parasitäre Effekte aufweisen (Serienersatzwiderstand ESR, engl. Equivalent Series Resistance, Serienersatzinduktivität ESL, engl. Equivalent Series Inductance L), ändert sich die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Sie ist nicht mehr 90°, sondern nimmt einen um den Verlustwinkel kleineren Wert an. Mit einem Zeigerdiagramm kann auf anschauliche Weise nicht nur die Impedanz , sondern auch noch der Phasenverschiebungswinkel und der ergänzende Verlustwinkel dargestellt werden. Dabei ist zu beachten, dass dieses Diagramm jeweils nur für eine Frequenz gilt.

Sind die Serienersatzwerte eines Kondensators bekannt, dann kann die Impedanz auch über diese Werte berechnet werden. Sie ist dann die Summe der geometrischen (komplexen) Addition der Wirk- und der Blindwiderstände, also des Ersatzserienwiderstandes ESR und des induktiven Blindwiderstandes abzüglich des kapazitiven Blindwiderstandes . Die beiden Blindwiderstände weisen mit der Kreisfrequenz folgende Beziehungen auf:

Der Scheinwiderstand ist dementsprechend der Betrag der geometrischen (komplexen) Addition der Wirk- und der Blindwiderstände:

(Zur verwendeten Vorzeichenkonvention siehe Anmerkung unter Blindwiderstand, zur Herleitung siehe unter Komplexe Wechselstromrechnung).

In den Datenblättern der Hersteller von Kondensatoren wird meist der Betrag der Impedanz, also der Scheinwiderstand , angegeben.

Reale Kondensatoren weisen parasitäre Verluste auf, die sich aus den Widerständen der Zuleitungen und den dielektrischen Verlusten ergeben. Sie bewirken, dass die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung an den Klemmen eines realen Kondensators nicht mehr genau 90° beträgt, sondern um den sogenannten Verlustwinkel reduziert ist. Dieser Winkel wird als Tangens ausgedrückt und heißt dann Verlustfaktor (engl.: dissipation factor, abgekürzt DF). Er ergibt sich aus dem Tangens des Phasenwinkels zwischen der geometrischen Summe der Blindwiderstände und und dem Ersatzreihenwiderstand ESR.

Unter Vernachlässigung der Induktivität ESL sind der Verlustfaktors , der ESR und die Kapazität eines Kondensators bei einer bestimmten Frequenz mit folgender Formel miteinander verbunden:[35]

Für kleine Werte von (ausgedrückt im Bogenmaß) gilt:

Bei verlustarmen Klasse-1-Keramikkondensatoren wird anstelle des Verlustfaktors häufig sein Kehrwert, die Güte oder der Gütefaktor spezifiziert.

Dieser Wert bezieht sich auf die Bandbreite bei der Resonanzfrequenz und berechnet sich nach der Gleichung:

wobei sich die Bandbreite (definiert als der Frequenzbereich, an dessen Grenzen sich der Spannungspegel um 3 dB gegenüber dem Mittelwert geändert hat) aus

ergibt (mit als oberer und als unterer Grenzfrequenz). Da der Verlauf der Impedanzkurve im Resonanzbereich umso steiler ist, je kleiner der ESR ist, kann auch mit der Spezifikation der Güte bzw. des Gütefaktors eine Aussage über die Verluste gemacht werden.[36]

Die oben beschriebene Definition der Spezifikation der Verluste in einem Kondensator geht von dem allgemein üblichen und in der Fachgrundspezifikation DIN EN (IEC) 60384-1 spezifizierten Serien-Ersatzschaltbild aus, in dem die dielektrischen und die Leitungsverluste zum ESR bzw. Verlustfaktor zusammengefasst werden. Einige Fachbücher benutzen zur Erklärung des Verlustfaktors aber ein anderes Ersatzschaltbild, in dem die ohmschen Verluste durch einen Widerstand modelliert werden, der (zusätzlich zum Isolationswiderstand) zu einem idealen Kondensator mit der Kapazität parallelgeschaltet ist. (Wenn in diesen Beschreibungen dann die ohmschen Verluste mit den dielektrischen Verlusten gleichgesetzt werden, dann erfolgt das aus dem Wissen heraus, dass die Leitungsverluste in diesen Kondensatoren vernachlässigbar sind.) Die Verlustleistung ergibt sich damit beim Betrieb des Kondensators an einer Wechselspannung mit dem Effektivwert zu

Der Kehrwert dieses Widerstands ist der Leitwert und wird auch als Ableitung bezeichnet. Der Tangens des Verlustwinkels kann in der Form

[37]

dargestellt werden.

Eine Beschreibung im Bildbereich der Laplace-Transformation vermeidet die Beschränkung auf harmonische Schwingungen. Für die Impedanz im Bildbereich gilt dann

Dabei ist die „komplexe Frequenz", charakterisiert die exponentielle Einhüllende, wiederum die Kreisfrequenz.

Kondensatoren sind in einer elektrischen Schaltung als Parallelschaltung miteinander verbunden, wenn dieselbe Spannung an allen Bauteilen anliegt. In diesem Fall addieren sich die Kapazitäten der einzelnen Bauteile zur Gesamtkapazität:

Durch die Parallelschaltung erhöht sich sowohl die Gesamtkapazität als auch die Strombelastbarkeit der Schaltung. Der gesamte Stromfluss verteilt sich auf den -ten Kondensator gemäß:

Neben einer Erhöhung der Kapazität und Strombelastbarkeit der Schaltung, reduzieren sich durch parallel geschaltete Kondensatoren auch deren unerwünschte parasitäre Eigenschaften wie Induktivität (ESL) und Ersatzserienwiderstand (ESR).

Eine Reihenschaltung liegt vor, wenn durch zwei oder mehr Kondensatoren derselbe elektrische Strom fließt. Dann addiert sich der Kehrwert der Kapazität der einzelnen Bauteile zum Kehrwert der Gesamtkapazität:

Die Reihenschaltung wird beispielsweise angewendet, um eine hohe Spannung auf mehrere Kondensatoren mit geringerer Spannungsfestigkeit zu verteilen, wenn kein Einzelbauelement für diese Spannung verfügbar ist. Da die Isolationswiderstände bzw. bei Elektrolytkondensatoren die Restströme der einzelnen Kondensatoren stark unterschiedlich sein können, kann über unterschiedliche Isolationswiderstände bzw. Restströme eine Spannungsaufteilung entstehen, die nicht mit der kapazitiven Spannungsaufteilung übereinstimmt. Dadurch können unter Umständen einzelne Kondensatoren mit einer zu hohen Spannung beaufschlagt werden, was zu Kurzschlüssen führen könnte. Aus diesem Grunde werden in der Regel in Reihe geschaltete Kondensatoren symmetriert, das heißt, jedem Kondensator wird ein definierter hochohmiger Widerstand (jedoch deutlich geringer als ) parallel geschaltet, damit eine definierte Spannungsaufteilung entsteht.

-Fläche einer Kondensatorentladekurve

Beim Auf- und Entladen von Kondensatoren ist der -Wert für die Dimensionierung bzgl. Kurzzeitbelastung von Halbleitern ( Grenzlastintegral) und Schmelzsicherungen (Schmelzintegral) von Bedeutung. Für die vom Lade- bzw. Entladestrom durchflossenen Bauelemente berechnet sich der von der Zeit anhängige -Wert wie folgt:

oder

mit als Lade- bzw. Entladezeit, als Anfangskondensatorspannung beim Entladen bzw. als Ladespannung beim Aufladen, als Kondensatorkapazität, als Lade- bzw. Entladewiderstand, als Anfangsstrom und als Zeitkonstante. Für das vollständige Auf- bzw. Entladen gilt:

oder

Bei Keramikkondensatoren ist es nicht möglich, eine physikalisch begründete präzise Durchschlagsspannung einer keramischen Schicht für eine definierte Dicke festzulegen. Die Durchschlagsspannung kann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Elektrodenmaterials und der Sinterbedingungen bis um den Faktor 10 variieren. Auch bei Kunststoff-Folienkondensatoren variiert die Spannungsfestigkeit der Folie abhängig von Einflussgrößen wie Schichtdicke der Elektroden und elektrischen Belastungen sehr stark.

Metallisierte Kunststoff-Folienkondensatoren besitzen die Fähigkeit zur Selbstheilung, ein Durchschlag führt dabei lediglich zur lokalen Verdampfung der dünnen Elektroden. Der Kondensator verliert jedoch einen bestimmten, geringen Teil seiner Kapazität, ohne dass seine Funktionsfähigkeit darunter leidet.

Elektrolytkondensatoren sind vom Aufbau her gepolte Bauelemente. Die Spannungsfestigkeit der Oxidschichten gilt nur bei richtig gepolt anliegender Spannung. Falschpolspannung zerstört den Elektrolytkondensator.

Die Frequenzabhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors von Kondensatoren ergibt sich aus zwei Komponenten:

aus dem frequenzabhängigen Verhalten des Dielektrikums von Kondensatoren. Das beeinflusst den Kapazitätswert, der mit steigender Frequenz abnimmt und die Verluste im Dielektrikum, die mit steigender Frequenz meist zunehmen. Für Details siehe Dielektrische Spektroskopie.

eine bauartbedingte, parasitäre Induktivität (Anschlüsse, Aufbau), die im Ersatzschaltbild als eine in Reihe liegende Induktivität dargestellt wird. Sie wird ESL (von engl. equivalent series inductance L) genannt und führt zu einer charakteristischen Eigenresonanzfrequenz, bei der der Kondensator seine minimale Impedanz besitzt.

Ist bei einer Anwendung eine geringe Impedanz in einem weiten Frequenzbereich erforderlich, schaltet man Kondensatoren verschiedener Bauarten parallel. Bekannt ist das Parallelschalten eines Elektrolytkondensators mit einem Keramikkondensator oder auch das Parallelschalten von Keramikkondensatoren verschiedener Baugrößen.

Kondensatorfamilie, dielektrisches Material

Bezeichnung

ΔC/C

Üblicher Temperaturbereich

Keramikkondensator Klasse 1, paraelektrisch

NP0 / C0G

±0,3 % bzw. ± 30 ppm/K

−55...+125 °C

Keramikkondensator Klasse 2, ferroelektrisch

X7R

±15 %

−55...+125 °C

Keramikkondensator Klasse 2, ferroelektrisch

Y5V

+22 % / −82 %

−30...+85 °C

metallisiertes Papier (ölgetränkt)

MP

±10 %

−25...+85 °C

Aluminium-Elektrolytkondensator, Al ₂O ₃

±20 %

−40...+85/105/125 °C

Ferroelektrische Klasse-2-Keramikkondensatoren zeigen einen spannungsabhängigen, nichtlinearen Verlauf der Kapazität. Daraus resultiert zum Beispiel bei Anwendungen im Audiobereich ein Klirrfaktor. Dort werden bei hohen Qualitätsanforderungen deshalb oft Folienkondensatoren eingesetzt.

Formal lässt sich ein nichtlinearer Kondensator durch eine von der Momentanspannung abhängige Dielektrizitätszahl beschreiben. Diese relative Dielektrizitätszahl ist also nicht konstant, sondern ist als Funktion der am Kondensator anliegenden Spannung zu betrachten. Beispielsweise ist bei einem nichtlinearen Kondensator die spannungsabhängige Kapazität gegeben als:

Die Funktion ist werkstoffabhängig.

Klasse-2-Keramikkondensatoren weisen, abhängig von der Art der Keramik, bei Nennspannung einen Abfall der Kapazität von bis zu 90 % gegenüber der genormten Messspannung von 0,5 oder 1 V auf.

Die elektrischen Eigenschaften einiger Kondensatorfamilien sind Alterungsprozessen unterworfen, sie sind zeitabhängig.

Keramische Klasse-2-Kondensatoren mit Dielektrika aus ferroelektrischen Materialien zeigen eine ferroelektrische Curietemperatur. Oberhalb von etwa 120 °C, der Curietemperatur von Bariumtitanat, ist die Keramik nicht mehr ferroelektrisch. Da diese Temperatur beim Löten von SMD-Kondensatoren deutlich überschritten wird, werden die dielektrischen Gebiete parallel ausgerichteter dielektrischer Dipole erst beim Abkühlen des Materials neu gebildet. Diese Bereiche zerfallen aufgrund mangelnder Stabilität der Domänen jedoch im Laufe der Zeit, die Dielektrizitätszahl verringert sich und damit sinkt die Kapazität des Kondensators, der Kondensator altert. Die Alterung folgt einem logarithmischen Gesetz. Dieses definiert die Alterungskonstante als Kapazitätsabnahme in Prozent während einer Zeitdekade, zum Beispiel in der Zeit von 1 h auf 10 h.

Auch Doppelschichtkondensatoren sind einer Alterung durch Verdunstung des Elektrolyten unterworfen. Die damit verbundene Erhöhung des ESR begrenzt die mögliche Anzahl von Ladezyklen des Kondensators.

Typische Impedanzverläufe des Scheinwiderstandes verschiedener Kondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität. Je kleiner die Kapazität ist, desto höher wird die Frequenz, die der Kondensator ableiten (filtern, sieben) kann.

Der Betrag der Impedanz, der Scheinwiderstand , wird in Datenblättern von Kondensatoren häufig als Kurve über der Frequenz dargestellt. Dabei sinkt mit steigender Frequenz zunächst der Scheinwiderstand ab bis zu einem Minimum in der Kurve, ab dem er wieder ansteigt. Dieser Verlauf ist das Resultat der Konstruktion realer Kondensatoren, die nicht nur eine Kapazität , sondern immer auch noch eine in Serie dazu liegende parasitäre Induktivität (ESL) aufweisen. (Siehe Absatz „Normung und Ersatzschaltbild"). Kapazität und Induktivität ESL bilden einen Serienschwingkreis,[44][45] der bei der Frequenz

in Resonanz gerät. An diesem Punkt hat der Scheinwiderstand nur noch einen Realanteil, den ESR des Kondensators. Bei höheren Frequenzen überwiegt der induktive Anteil; der Kondensator ist somit als solcher unwirksam, da er nun wie eine Spule wirkt.

Herkömmliche Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben aufgrund ihrer großen Kapazität relativ gute Siebeigenschaften im Bereich niedriger Frequenzen bis etwa 1 MHz. Sie weisen aber aufgrund ihres gewickelten Aufbaus eine relativ hohe Induktivität auf, so dass sie für den Einsatz bei höheren Frequenzen ungeeignet sind. Keramik- und Folienkondensatoren sind schon von ihren kleineren Kapazitäten her für höhere Frequenzen bis zu einigen 100 MHz geeignet. Sie haben außerdem durch ihre Konstruktion (Stirnkontaktierung der Folien, Parallelschaltung der Elektroden) deutlich niedrigere parasitäre Induktivitätswerte. Um einen sehr breiten Frequenzbereich abdecken zu können, wird häufig ein Elektrolytkondensator mit einem Keramik- oder Folienkondensator parallelgeschaltet.

Viele Neuentwicklungen bei Kondensatoren haben unter anderem eine Verringerung der parasitären Induktivität ESL zum Ziel, um durch Erhöhung der Resonanzfrequenz zum Beispiel die Schaltgeschwindigkeit digitaler Schaltungen erhöhen zu können. Durch die Miniaturisierung speziell bei den SMD-Keramikvielschicht-Chipkondensatoren ( MLCC) wurde hier schon viel erreicht. Eine weitere Verringerung der parasitären Induktivität ist durch Kontaktierung der Elektroden an der Längsseite anstatt der Querseite erreicht worden. Die Face-down-Konstruktion, verbunden mit der Multi-Anodentechnik, hat bei Tantal-Elektrolytkondensatoren ebenfalls zu einer Verringerung der ESL geführt. Aber auch neue Kondensatorfamilien, wie MOS- oder Silizium-Kondensatoren, bieten Lösungen an, wenn Kondensatoren für sehr hohe Frequenzen bis in den GHz-Bereich benötigt werden.

Ohmsche Verluste in diskreten, handelsüblichen Kondensatoren für die Elektronik entstehen durch dielektrische Umpolarisierungsverluste im Wechselfeld und durch den ohmschen Widerstand der Zuleitungen und der Elektroden des Kondensators. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren trägt besonders die begrenzte Leitfähigkeit flüssiger Elektrolyte zu diesen Verlusten bei. Die verschiedenen Verlustwiderstände werden, da sie bei industriell gefertigten Kondensatoren messtechnisch nicht voneinander getrennt gemessen werden können, zu einem gemeinsamen Wert zusammengefasst. Sie können in den jeweiligen Datenblättern als Verlustfaktor , als Güte und als Ersatzreihenwiderstand ESR dargestellt werden. Der Zahlenwert des Verlustfaktors und der Güte ist, bei gleicher Messfrequenz, innerhalb eines spezifizierten Bereiches unabhängig von dem Kapazitätswert des Kondensators. Der ESR dagegen ist unabhängig von den Blindwiderständen und ist eine Größe, die jeden Kondensator einzeln kennzeichnet. Über ihn kann mit Hilfe der Gleichung

leicht die im Kondensator entstehende Verlustwärme bei Strombelastung mit dem Strom errechnet werden.

Bei Leistungskondensatoren wie Vakuumkondensatoren, großen Keramik- und Polypropylen-Folienkondensatoren werden die ohmschen Verluste anders definiert. Anstatt Verlustfaktor, Güte oder ESR wird hier oft die maximale Strom- oder Impulsbelastung spezifiziert. Diese Angabe ist letztendlich ein Ausdruck der ohmschen Verluste des Kondensators und ermittelt sich aus der zulässigen Verlustwärme, die über die ohmschen Verluste bei der Strombelastung entsteht.

Die ohmschen Verluste von Kondensatoren hängen von der Bauart ab, sind also spezifisch für eine bestimmte Fertigungstechnik. Innerhalb einer Bauart sinken die ohmschen Verluste mit steigender Kapazität. Das scheint zunächst paradox, weil mit steigender Kapazität die dielektrischen Verluste größer werden müssten. Dass das nicht der Fall ist, liegt am technischen Aufbau der Kondensatoren. Anschaulich wird es am Beispiel der Keramik-Vielschichtkondensatoren. Die vielen Einzelkondensatoren im Schichtverbund sind parallel geschaltet, so dass auch ihre einzelnen Verlustwiderstände parallel geschaltet sind. Dadurch reduziert sich der Gesamtwiderstand entsprechend der Anzahl parallel geschalteter Einzelkondensatoren. Bei Folienkondensatoren bewirkt die Stirnflächenkontaktierung des Wickels ähnliches. Die Art der Kontaktierung kann als eine Vielzahl parallel geschalteter Einzelkondensatoren beschrieben werden. Bei Elektrolytkondensatoren, bei denen die Zuleitungsverluste über den Elektrolyten die ohmschen Verluste maßgeblich bestimmen, kann bei größer werdenden Elektrodenflächen die steigende Anzahl der Zuleitungspfade als Parallelschaltung vieler Einzelwiderstände verstanden werden, wodurch sich die gesamten ohmschen Verluste verringern. Bei sehr großen Aluminium-Elektrolytkondensatoren reduziert außerdem häufig eine Mehrfachkontaktierung der Anoden- und Kathodenfolien die ohmschen Verluste. Aus demselben Grund werden Tantal-Elektrolytkondensatoren in einigen Ausführungsformen mit Mehrfach-Anoden gefertigt.

Die ohmschen Verluste sind Wechselstromverluste, Gleichstromverluste (Isolationswiderstand, Reststrom) sind bei Kondensatoren meist vernachlässigbar. Die Wechselstrom-Frequenz zum Messen der Verluste muss eindeutig festgelegt sein. Da aber handelsübliche Kondensatoren mit Kapazitätswerten von pF (Pikofarad, 10 −12 F) bis einigen 1000 F bei Superkondensatoren mit 15 Zehnerpotenzen einen außerordentlich großen Kapazitätsbereich abdecken, ist es nicht möglich, mit nur einer Messfrequenz den gesamten Bereich zu erfassen. Nach der Fachgrundspezifikation für Kondensatoren, der DIN EN (IEC) 60384-1, sollen die ohmschen Verluste mit derselben Frequenz gemessen werden, die zur Messung der Kapazität verwendet wird, mit:

100 (120) Hz für Elektrolytkondensatoren und andere Kondensatoren mit C > 10 µF

1 kHz (Bezugsfrequenz) oder 10 kHz für andere Kondensatoren mit 1 nF ≤ C ≤ 10 µF

100 kHz, 1 MHz (Bezugsfrequenz) oder 10 MHz für andere Kondensatoren mit C ≤ 1 nF

Die ohmschen Verluste von Kondensatoren sind frequenz-, temperatur- und zum Teil zeitabhängig (Alterung). Eine Umrechnung der Einheit tan δ in ESR und umgekehrt ist möglich, erfordert aber einige Erfahrung. Sie kann nur erfolgen, wenn die Messfrequenz hinreichend weit entfernt von der Resonanzfrequenz ist. Denn bei der Resonanz ändert sich der Kondensator von einem kapazitiven in ein induktives Bauelement, dabei ändert sich der Verlustwinkel dramatisch und ist deshalb zur Umrechnung nicht mehr geeignet.

Die Güte und der Verlustfaktor sind charakteristische Größen der ohmschen Verluste im Dielektrikum bestimmter Kondensatoren, bei denen die Leitungsverluste vernachlässigbar sind. Diese Kondensatoren, bei den Keramikkondensatoren „Klasse-1" genannt, werden überwiegend in frequenzbestimmenden Schaltungen oder in Hochleistungsanwendungen als Leistungskondensatoren eingesetzt. Als Messfrequenz für den in der Elektronik üblichen Kapazitätsbereich von 30 pF bis 1 nF wird von großen Herstellern meist 1 MHz genommen. Mit dieser hohen Frequenz wird Bezug auf die Anwendung solcher Kondensatoren genommen, die überwiegend im höheren Frequenzbereich liegt. Die betroffenen kleinen Kapazitätswerte mit den dazu vorhandenen niedrigen ESL-Werten stellen außerdem sicher, dass der Messwert noch weit genug von der Resonanzfrequenz entfernt ist.

Die folgende Tabelle, in der die ESR-Werte rechnerisch ermittelt wurden, gibt einen Überblick über die ohmschen Verluste (Maximalwerte) unterschiedlicher Kondensatorarten (ohne Leistungskondensatoren) bei 1 MHz in für Frequenz bestimmende Anwendungen in der Elektronik:

Der Kapazitätsbereich von 1 nF bis 10 µF wird überwiegend von Klasse-1- und Klasse-2-Keramikkondensatoren und von Kunststoff-Folienkondensatoren abgedeckt. Elektrolytkondensatoren werden in diesem Kapazitätsbereich weniger häufig eingesetzt. Dieser Kapazitätsbereich ist durch eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen mit stark unterschiedlichen Anforderungen gekennzeichnet. Die ohmschen Verluste dieser Kondensatoren werden in den Datenblättern der Hersteller überwiegend über den Verlustfaktor spezifiziert. Allerdings sind in diesem Bereich auch Wechselspannungs- und Impulskondensatoren angesiedelt, die sich über eine Strombelastung spezifizieren.

In der folgenden Tabelle sind als allgemeines Beispiel die Verlustfaktoren (Maximalwerte) bei 1 kHz, 10 kHz und 100 kHz sowie die daraus abgeleiteten ESR-Werte für einen 100-nF-Kapazitätswert gelistet.

Kondensatoren mit Kapazitätswerten größer 10 µF werden überwiegend in Anwendungen im Bereich der Stromversorgungen, der Sieb- und der Stützschaltungen eingesetzt. Es ist der typische Kapazitätsbereich, in dem Elektrolytkondensatoren und hochkapazitive Keramik-Vielschichtkondensatoren eingesetzt werden. Nach der Fachgrundspezifikation für Kondensatoren, der DIN EN (IEC) 60384-1, sollen die ohmschen Verluste solcher Kondensatoren mit 100 Hz (bzw. 120 Hz) gemessen werden. Da in der Elektronik die Arbeitsfrequenzen in den letzten Jahrzehnten aber deutlich gestiegen sind und im Bereich der Schaltnetzteile mit viel höheren Frequenzen gearbeitet wird, finden sich in den Datenblättern, speziell denen von Elektrolytkondensatoren, auch häufig die 100-kHz-ESR-Werte.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die ohmschen Verluste (Maximalwerte) verschiedener Kondensatorarten für Sieb- oder Stützanwendungen im Niedervoltbereich. Zur Vergleichbarkeit der Kondensatorarten miteinander ist jeweils die Kapazität von etwa 100 µF und eine Spannungsfestigkeit von 10 bis 16 V gewählt worden. Da für diesen Anwendungsbereich in der Elektronik das Bauvolumen eine große Rolle spielt, sind in der Tabelle die Abmessungen mit aufgeführt worden. Die Zeile mit der Kapazität 2200 µF ist als Beispiel dafür aufgeführt, dass mit größerer Kapazität und Baugröße bei der preiswertesten Kondensatorart, den „Elkos", niedrige ESR-Werte zu erreichen sind. Im Übrigen ist der höhere ESR bei den „Elkos" mitunter schaltungstechnisch sogar erwünscht, weil die Dämpfung über diese Verluste unerwünschte Resonanzen auf Leiterplatten verhindern kann.

Geplatzte Elektrolytkondensatoren, die an dem geöffneten Sollbruchventil erkennbar sind. Verursacht vermutlich durch überhöhte Wechselstrombelastung über die Kondensatoren im Schaltregler eines PC-Mainboards.

Eine Wechselspannung oder eine einer Gleichspannung überlagerte Wechselspannung bewirkt Lade- und Entladevorgänge in einem Kondensator. Es fließt ein Wechselstrom, der umgangssprachlich Rippelstrom genannt wird. Der Effektivwert dieses Wechselstromes bewirkt über die ohmschen Verluste des Kondensators (ESR, Verlustfaktor) eine Verlustleistung P V, die das Bauelement von innen heraus erwärmt.

oder

Die zulässige Wechselstrombelastung von Elektrolytkondensatoren und Kunststoff-Folienkondensatoren wird allgemein so berechnet, dass maximal eine zulässige interne Temperaturerhöhung von 3 bis 10 K entsteht. Bei Keramikkondensatoren kann die Wechselstrombelastung so spezifiziert werden, dass bei einer gegebenen Umgebungstemperatur durch die im Kondensator entstehende Wärme die spezifizierte Maximaltemperatur nicht überschritten wird.

In den Datenblättern von Folienkondensatoren und Keramikkondensatoren wird anstelle eines Wechselstromes oft eine maximal zulässige effektive Wechselspannung spezifiziert, die innerhalb des Nenntemperaturbereiches am Kondensator dauernd anliegen darf. Da mit steigender Frequenz die ohmschen Verluste im Kondensator ansteigen, die interne Wärmeentwicklung bei gleichbleibender Effektivspannung also größer wird, muss bei höheren Frequenzen die Spannung reduziert werden, um die zulässige Temperaturerhöhung einzuhalten.

Besonders bei Elektrolytkondensatoren ist eine hohe Wechselstrombelastung kritisch. Da sich der Kondensator erwärmt, wird die zu erwartende Lebensdauer reduziert. Wird durch überhöhte Wechselstrombelastung die maximal zulässige Temperatur überschritten, kann der flüssige Elektrolyt unter Umständen in den Siedebereich kommen und den Kondensator so zum Platzen bringen.

Ein auf eine Gleichspannung aufgeladener realer Kondensator entlädt sich mit der Zeit von selbst. Dieser Effekt kann durch einen endlichen Isolationswiderstand des Dielektrikums beschrieben werden, der zu einem idealen Kondensator mit der Kapazität C parallel geschaltet ist.[56] Der fließende Strom wird als Leckstrom bezeichnet; er wird bei Baureihen häufig als Funktion der Kapazität spezifiziert. Der zeitliche Verlauf der absinkenden Kondensatorspannung hat die Form

wobei

die Selbstentladezeitkonstante ist. Nach der Zeit ist die Kondensatorspannung auf 37 % des Anfangswertes abgesunken. Die Selbstentladezeitkonstante ist ein Maß für die Isolation des Dielektrikums zwischen den Elektroden eines Kondensators. Diese Zeitkonstante ist beispielsweise wichtig, wenn ein Kondensator als zeitbestimmendes Glied (zum Beispiel in Zeitrelais) oder zur Speicherung eines Spannungswertes wie in einer Abtast-Halte-Schaltung oder Integrierern eingesetzt wird.

Keramikkondensatoren der Klasse 1 müssen gemäß geltender Normen einen Isolationswiderstand von mindestens 10 GΩ, die der Klasse 2 mindestens 4 GΩ oder eine Selbstentladezeitkonstante von mindestens 100 s besitzen. Der typische Wert liegt meist darüber. Kunststoff-Folienkondensatoren haben typischerweise einen Isolationswiderstand zwischen 6 und 12 GΩ. Das entspricht für Kondensatoren im µF-Bereich einer Selbstentladezeitkonstante von 2000 bis 4000 s.

Bei Elektrolytkondensatoren wird der Isolationswiderstand des Oxidschichtdielektrikums über den Reststrom des Kondensators definiert.

Der Isolationswiderstand bzw. die Selbstentladezeitkonstante ist teilweise stark temperaturabhängig und sinkt mit steigender Temperatur. Der Isolationswiderstand bzw. die Selbstentladezeitkonstante darf nicht verwechselt werden mit der Isolierung des Bauelementes gegenüber der Umgebung.

Bei Elektrolytkondensatoren wird nicht der Isolationswiderstand definiert, sondern der Reststrom, auch „Leckstrom", (engl. Leakage Current), genannt.

Der Reststrom eines Elektrolytkondensators ist der Gleichstrom, der durch den Kondensator fließt, wenn eine Gleichspannung angelegt wird. Er entsteht aus einer Schwächung der Oxidschicht durch chemische Prozesse während Lagerzeiten und durch Strombrücken außerhalb der Kondensatorzelle. Der Reststrom ist kapazitäts-, spannungs-, zeit- und temperaturabhängig. Er ist außerdem noch abhängig von der Vorgeschichte, zum Beispiel von der Temperaturbelastung durch einen Lötprozess.

Bedingt durch Selbstheilungseffekte in Elektrolytkondensatoren wird der Reststrom normalerweise immer geringer, je länger der Kondensator an Spannung liegt. Obwohl der Reststrom von Elektrolytkondensatoren deutlich höher ist als derjenige von Folien- oder Keramikkondensatoren, kann die Selbstentladung geladener moderner Elektrolytkondensatoren mehrere Wochen dauern.

Unter dielektrischer Absorption oder dielektrischer Relaxation versteht man eine unerwünschte Ladungsspeicherung im Dielektrikum. Das hat zur Folge, dass ein Kondensator, der längere Zeit aufgeladen war und dann entladen wird, sich langsam wieder auflädt, nachdem der Entladewiderstand bzw. Kurzschluss beseitigt ist. Weil dabei nach einigen Minuten gut messbare Spannungen entstehen, heißt dies auch Nachladeeffekt. Er muss bei hochwertigen Kondensatoren berücksichtigt werden, wenn diese beispielsweise als Kapazitätsnormale eingesetzt werden sollen.

Der Effekt hat seine Ursache in den nicht idealen Eigenschaften des Dielektrikums. Unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes werden bei manchen Materialien durch atomare Umstrukturierung elektrische Elementardipole in Richtung des herrschenden Feldes ausgerichtet. Diese Ausrichtung läuft mit einer wesentlich langsameren Zeitkonstante ab, als der Raumladungsprozess des Kondensators und verbraucht zugeführte Energie. Diese Polarisationen bilden sich nach Abbruch der Feldeinwirkungen (Abschaltung der Betriebsspannung und komplette Entladung des Kondensators) im Dielektrikum nicht sofort zurück, so dass eine „Restspannung" an den Kondensatorbelägen jeweils in der Polarität der vorher angelegt gewesenen Spannung nachweisbar bleibt. Dieser Effekt kann mit der magnetischen Remanenz (Restmagnetismus) verglichen werden.

In der Praxis hat diese oft minimale elektrische Spannung selten Auswirkungen auf die elektrische Schaltung. Ausnahmen sind beispielsweise Sample-and-Hold-Schaltungen oder Integrierer.

Die Größe der Absorption wird im Verhältnis zur ursprünglich angelegten Spannung angegeben und hängt von dem verwendeten Dielektrikum ab.

Kondensatortyp

Dielektrische Absorption

Luft- und Vakuumkondensatoren, Teflon

nicht messbar

Kunststoff-Folienkondensatoren, Polypropylendielektrikum

0,01 bis 0,05 %

Kunststoff-Folienkondensatoren, Polyesterdielektrikum

0,2 bis 0,25 %

Keramikkondensatoren, X7R

0,6 bis 1 %

Keramikkondensatoren, Z5U

2,0 bis 2,5 %

Aluminium-Elektrolytkondensatoren

etwa 10 bis 15 %

Die entstehende Spannung kann eine Gefährdung darstellen: Es können dadurch Schäden an Halbleitern oder Funkenbildung beim Kurzschließen von Anschlüssen verursacht werden. In Messschaltungen ist dieser Effekt unerwünscht, da er zu falschen Messergebnissen führt. Hochspannungs- und Leistungskondensatoren, auch größere Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden daher kurzgeschlossen transportiert bzw. geliefert. Diese Kurzschlussbrücke muss nach dem Einbau wieder entfernt werden.

Aus physikalischen Gründen hat jedes reale elektrische Bauelement mehr oder weniger stark eine kapazitive Kopplung mit der Umgebung (Streukapazität) oder parallel zu seinem gewünschten Verhalten (Parasitärkapazität). Dieses kapazitive Verhalten kann vor allem bei hohen Frequenzen unerwünschte Auswirkungen haben.

Schaltungen, die an sich einen Kondensator benötigten, können aufgrund dieser schon vorhandenen Streukapazität zuweilen ohne einen Kondensator als separates Bauteil ausgeführt werden. Insbesondere können Kondensatoren im Picofaradbereich durch eine entsprechende Ausformung von Leiterzügen auf einer Leiterplatte ersetzt werden: Zwei gegenüberliegende Kupferflächen von 1 cm² haben bei einem Abstand von 0,2 mm beispielsweise bei Verwendung von FR2 als Basismaterial ( ε r = 3,4) eine Kapazität von 15 pF. Die Realisierung solcher „Kondensatoren" ist jedoch eine Preisfrage. Ein 15-pF-MLCC-Klasse-2-Keramikkondensator ist einschließlich der Bestückungskosten und abzüglich der von ihm benötigten Leiterplattenfläche deutlich preiswerter als 1 cm² Leiterplattenfläche.

Bei einem Kondensator können unerwünschte kapazitive Kopplungen entstehen. Insbesondere gewickelte Kondensatoren sind asymmetrisch in Bezug auf die Außenfläche. An die außen liegende Schicht wird der „kalte" Schaltungsteil (meist die Masse) angeschlossen, der das geringere oder niederohmigere Wechselspannungspotential führt, um eine Kopplung des Kondensators mit dem Umfeld zu verringern. Ähnlich verhält es sich mit Trimmkondensatoren, hier gilt das für den zur Trimmung betätigbaren Anschluss, um bei Betätigung mit einem Werkzeug dessen Störeinfluss zu verringern.

Friedhelm Schiersching: Kondensatoren verstehen und anwenden. Kosmos, Stuttgart 1983, ISBN 3-440-05185-4.

Otto Zinke, Hans Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11334-7.

Peter Volkmann, Edgar P. Vorndran: Elektrisches Feld und Kondensator. VDE, Berlin 1999, ISBN 3-8007-2018-3 (= Aufgaben Elektrotechnik + Elektronik. Band 2).

Wolfgang Just, Wolfgang Hofmann: Blindstromkompensation in der Betriebspraxis: Ausführung, Energieeinsparung, Oberschwingungen, Spannungsqualität. VDE, Berlin 2003, ISBN 3-8007-2651-3.

Hermann Böger, Friedrich Kähler, Günter Weigt: Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen. Stam, Köln 1996, ISBN 3-8237-0214-9 (= Einführung in die Elektronik. Teil 1).

Heinz-Josef Bauckholt: Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik. 7 Auflage. Hanser, München / Wien 2013, ISBN 978-3-446-43246-8, S. 409 ff.

DIN EN 60384-1.

Fritz Henze: Blindstrom und Leistungsfaktor. Fachbuchverlag, Leipzig 1955, .

Stefan Hochsattel: „Den werden sie wohl immer brauchen ..." 75 Jahre Kondensatorfertigung in Gera. Eigenverlag S. Hochsattel, Gera 2013, ISBN 978-3-00-043983-4.

Grundlagen und Funktionsweise

Wissenswertes über den Kondensator

CapSite 2016 Introduction To Capacitors Technische Details zu industriell relevanten Kondensatoren (englisch)

Technische Daten und weiterführende Informationen finden sich auf den Seiten der Hersteller, insbesondere: AVX, Cornell Dubilier, epcos,ELECTRONICON, Europe Chemi-Con, KEMET, Nichicon, Panasonic, Capacitive Products, RUBYCON, VISHAY, WIMA, Jianghai

museum-digital: Elektrolyt-Kondensator mit Steckanschlüssen, hergestellt im Werk für Fernmeldewesen (WF), Ostberlin, ca. 1959

1. J. Ho, T. R. Jow, S. Boggs, Historical introduction to capacitor technology, Electrical Insulation Magazine, IEEE, January-February 2010 ↑ ieeexplore.ieee.org, ifre.re.kr (Memento des Originals vom 5. Dezember 2016 im Internet Archive)

2. Patent ↑ DE92564C: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden. Angemeldet am 14. Januar 1896, veröffentlicht am 19. Mai 1897, Erfinder: Charles Pollak. ‌

3. SWRWissen: ↑ Beton als Stromspeicher. 20. September 2023, abgerufen am 17. Januar 2024.

4. J. Ho, T. R. Jow, St. Boggs: ↑ Historical Introduction to Capacitor Technology (Memento des Originals vom 5. Dezember 2016 im Internet Archive) In: Electrical Insulation Magazine, 2010, 26, S. 20-25 doi:10.1109/MEI.2010.5383924

5. Patent ↑ US2800616: Low voltage electrolytic capacitor. Veröffentlicht am 23. Juni 1957. ‌

6. SWRWissen: ↑ Beton als Stromspeicher. 20. September 2023, abgerufen am 17. Januar 2024.

7. Parag Banerjee, Israel Perez, Laurent Henn-Lecordier, Sang Bok Lee, Gary W. Rubloff: ↑ Nanotubular metal-insulator-metal capacitor arrays for energy storage. In: Nature Nanotechnology. Band4, Nr.5, 2009, S.292-296, doi:10.1038/nnano.2009.37.

8. Katherine Bourzac: ↑ Winzige Sandwiches für den großen Energiehunger. In: Telepolis. 20. April 2009, abgerufen am 20. April 2009.

9. ↑ NanoCenter Improves Energy Storage Options. In: Nanotechnology Now, 23. März 2009, abgerufen am 11. August 2009

10. ↑ New Electrostatic Nanocapacitors Offer High Power and High Energy Density. In: Green Car Congress, 17. März 2009, abgerufen am 11. August 2009

11. ↑ super-kon.uni-halle.de

12. L. A. Vsevolozhskii, V. A. Filinov: ↑ Methods of measuring nonlinear capacity. In: Measurement Techniques. Band19, Nr.10, 1976, S.1497-1500, doi:10.1007/BF01101215.

13. ↑ http://files.hanser.de/Files/Article/ARTK_LPR_9783446430389_0001.pdf Arnold Führer, Klaus Heidemann, Wolfgang Nerreter: Grundgebiete der Elektrotechnik Band 2: Zeitabhängige Vorgänge, ISBN 978-3-446-43038-9, Seite 62

14. ↑ Exxelia, Microwave tuning elements (Seite dauerhaft nicht mehr abrufbar, festgestellt im November 2019. Suche in Webarchiven). In: exxelia.com (englisch)

15. S. Lucyszyn, Review of radio frequency microelectromechanical systems technology, IEEE 2004, IEE Proceedings online no .20040405 ↑ doi:10.1049/ip-smt:20040405 Review of radio frequency microelectromechanical systems technology

16. ↑ Film Capacitors. General technical information (Memento des Originals vom 28. September 2007 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. EPCOS, Mai 2009, abgerufen am 11. August 2009 (PDF; 1,8 MB)

17. ↑ Umrechnung: 'Bandbreite in Oktaven' N in Gütefaktor Q und Gütefaktor Q in 'Bandbreite in Oktaven' N

18. Wolf-Ewald Büttner: ↑ Grundlagen der Elektrotechnik 2. Oldenbourg, 2004, ISBN 3-486-27296-9, S.102.

19. ↑ S. P. Murarka, Moshe Eizenberg, A. K. Sinha: a Interlayer dielectrics for semiconductor technologies. Academic Press, 2003, ISBN 0-12-511221-1, S.338-339.b

20. K. W. Plessner: ↑ Ageing of the Dielectric Properties of Barium Titanate Ceramics. In: Proceedings of the Physical Society. Section B. Band69, 1956, S.1261-1268, doi:10.1088/0370-1301/69/12/309.

21. WIMA: ↑ Induktivität und Eigenresonanz. (Memento vom 28. Februar 2007 im Internet Archive) abgerufen am 13. November 2019

22. WIMA: ↑ Isolationswiderstand. (Memento vom 27. Februar 2007 im Internet Archive)

23. ↑ Modeling Dielectric Absorption in Capacitors, by Ken Kundert (in Englisch; PDF; 352 kB)

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Ein Kondensator (von lateinisch condensare ‚verdichten') ist ein passives elektrisches Bauelement mit der Fähigkeit, in einem Gleichstromkreis elektrische Ladung und die damit zusammenhängende Energie statisch in einem elektrischen Feld zu speichern. Die gespeicherte Ladung pro Spannung wird als elektrische Kapazität bezeichnet und in der Einheit Farad gemessen.

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Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiter- Bauelement zum Steuern meistens niedriger elektrischer Spannungen und Ströme. Er ist der weitaus wichtigste „aktive" Bestandteil elektronischer Schaltungen, der beispielsweise in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik und in Computersystemen eingesetzt wird. Besondere Bedeutung haben Transistoren - zumeist als Ein/Aus-Schalter - in integrierten Schaltkreisen, was die weit verbreitete Mikroelektronik ermöglicht.

Die Bezeichnung „Transistor" ist ein Kofferwort des englischen transfer resistor, was in der Funktion einem durch eine angelegte elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom steuerbaren elektrischen Widerstand entspricht. Die Wirkungsweise ähnelt der einer entsprechenden Elektronenröhre, nämlich der Triode.

Die ersten Patente auf das Prinzip des Transistors meldete Julius Edgar Lilienfeld im Jahr 1925 an. Lilienfeld beschreibt in seiner Arbeit ein elektronisches Bauelement, das Eigenschaften einer Elektronenröhre aufweist und im weitesten Sinne mit dem heute als Feldeffekttransistor (FET) bezeichneten Bauelement vergleichbar ist. Zu dieser Zeit war es technisch noch nicht möglich, Feldeffekttransistoren praktisch zu realisieren.

Im Jahr 1934 ließ der Physiker Oskar Heil den Aufbau eines Feldeffekttransistor patentieren, bei dem es sich um einen Halbleiter-FET mit isoliertem Gate handelt. Die ersten praktisch realisierten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren JFETs mit einem p-n-Übergang (positiv-negativ) und einem Gate als Steuerelektrode gehen auf Herbert F. Mataré, Heinrich Welker sowie parallel dazu William Shockley und Walter H. Brattain aus dem Jahr 1945 zurück. Der Feldeffekttransistor wurde somit historisch vor dem Bipolartransistor realisiert, konnte sich damals aber noch nicht praktisch durchsetzen. Damals wurden diese Bauelemente noch nicht als Transistor bezeichnet; den Begriff „Transistor" prägte John R. Pierce im Jahr 1948.

Ab 1942 experimentierte Herbert Mataré bei Telefunken mit dem von ihm als Duodiode (Doppelspitzendiode) bezeichneten Bauelement im Rahmen der Entwicklung eines Detektors für Doppler-Funkmess-Systeme ( RADAR). Die von Mataré dazu aufgebauten Duodioden waren Punktkontakt-Dioden auf Halbleiterbasis mit zwei sehr nahe beieinander stehenden Metallkontakten auf dem Halbleitersubstrat. Mataré experimentierte dabei mit polykristallinem Silizium (kurz: Polysilizium), das er von Karl Seiler aus dem Telefunken-Labor in Breslau bezog, und mit Germanium, das er von einem Forschungsteam der Luftwaffe bei München (in dem auch Heinrich Welker mitwirkte) erhielt. Bei den Experimenten mit Germanium entdeckte er Effekte, die sich nicht als zwei unabhängig arbeitende Dioden erklären ließen: Die Spannung an der einen Diode konnte den Strom durch die andere Diode beeinflussen. Diese Beobachtung bildete die Grundidee für die späteren Spitzentransistoren, eine frühe Bauform des Bipolartransistors.

In den Bell Laboratories in den Vereinigten Staaten entwickelte die Gruppe um John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain den ersten funktionierenden Bipolartransistor in Form eines Spitzentransistors, der am 23. Dezember 1947 erstmals firmenintern präsentiert werden konnte. Für die Erfindung des Bipolartransistors erhielten John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain 1956 den Nobelpreis für Physik. Da Shockley mit seinem Team einen Bipolartransistor realisiert hatten, welcher nicht auf dem Funktionsprinzip eines Feldeffekttransistors basiert, finden sich in dem US-Patent auch keine Referenzen auf die theoretischen Vorarbeiten von Lilienfeld und Heil aus den 1920er Jahren.

Unabhängig von den Arbeiten in den USA entwickelten die beiden Wissenschaftler Herbert Mataré und Heinrich Welker in Frankreich ebenfalls einen funktionsfähigen Bipolartransistor. Sie waren einige Monate später erfolgreich und meldeten dafür am 13. August 1948 in Paris ein Patent an. Am 18. Mai 1949 wurde diese Entwicklung unter dem Kunstwort „Transistron" der Öffentlichkeit vorgestellt, der neue Begriff „Transistron" fand aber in Folge keine wesentliche Verbreitung.

In den Folgejahren folgen weitere, technologische Verbesserungen. So gelang der Gruppe um Gordon Teal, Morgan Sparks und William Shockley bei den Bell Labs im Jahr 1951 die Herstellung eines Flächentransistors, welcher aus nur einem Kristall besteht. Bis dahin waren Bipolartransistoren als Spitzentransistoren aufgebaut.

In den 1950er-Jahren gab es einen Wettlauf zwischen der Elektronenröhre und den damals üblichen Bipolartransistoren, in dem die Chancen des Bipolartransistors wegen der vergleichsweise niedrigen Transitfrequenzen häufig eher skeptisch beurteilt wurden. Die geringe Größe, der geringe Energiebedarf und später die zunehmenden Transitfrequenzen der Transistoren führten jedoch dazu, dass die Elektronenröhren als Signalverstärker mittlerweile auf fast allen technischen Gebieten abgelöst wurden.

Feldeffekttransistoren spielten im praktischen Einsatz, im Gegensatz zu den ersten Bipolartransistoren, in den 1950er bis in die späten 1960er Jahre noch kaum eine Rolle, obwohl deren theoretischen Grundlagen länger bekannt sind. Feldeffekttransistoren ließen sich mit den damaligen Kenntnissen nicht wirtschaftlich fertigen und waren wegen der Durchschlagsgefahr des Gates durch unbeabsichtigte elektrostatische Entladung umständlich zu handhaben. Zur Lösung der bei bipolaren Transistoren auftretenden Probleme wie Leistungsbedarf und Anforderungen für integrierte Schaltungen beschäftigten sich Entwickler ab etwa 1955 eingehender mit den Halbleiteroberflächen und fanden Fertigungsverfahren wie die Planartechnik, die die Feldeffekttransistoren im Folgejahrzehnt zur Serienreife brachten.

Die ersten handelsüblichen Bipolartransistoren wurden aus dem Halbleitermaterial Germanium hergestellt und ähnlich wie Elektronenröhren in winzige Glasröhrchen eingeschmolzen. Die verschieden dotierten Zonen entstanden mit einem zentralen Germaniumplättchen, in das von beiden Seiten „ Indiumpillen" anlegiert waren. Letztere drangen damit tief in das Grundmaterial ein, in der Mitte blieb aber eine Basisstrecke gewünschter Dicke frei. Im Jahr 1954 kamen Bipolartransistoren aus Silizium auf den Markt (Gordon Teal bei Texas Instruments und Morris Tanenbaum an den Bell Labs). Dieses Grundmaterial war einfacher verfügbar und preisgünstiger. Seit den späten 1960er Jahren kamen großteils Metall- oder Kunststoffgehäuse zur Anwendung. Einsatzbereiche lagen zunächst in der analogen Schaltungstechnik wie den damals aufkommenden Transistorradios. Das Basismaterial Germanium wurde in Folge verstärkt durch das technisch vorteilhaftere Silizium ersetzt, das einen größeren Arbeitstemperaturbereich bei wesentlich geringeren Restströmen abdeckte und durch die Siliziumdioxid-Passivierung langzeitstabiler in den elektrischen Kennwerten gegenüber Germanium ist.

Der erste auf Galliumarsenid basierende Feldeffekttransistor, sogenannte MESFET, wurde 1966 von Carver Mead entwickelt. Dünnschichttransistoren (engl. thin film transistor, abgekürzt TFT) wurden bereits 1962 von P. Weimer entwickelt, konnten aber erst rund 30 Jahre später im Bereich heute üblicher farbiger TFT-Displays einen Anwendungsbereich finden.

Werden alle Transistoren in sämtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen wie Arbeitsspeicher, Prozessoren usw., zusammengezählt, ist der Transistor inzwischen diejenige technische Funktionseinheit, die von der Menschheit in den höchsten Gesamtstückzahlen produziert wurde und wird. Moderne integrierte Schaltungen, wie die in Personal Computern eingesetzten Mikroprozessoren, bestehen aus vielen Millionen bis Milliarden Transistoren.

Es gibt zwei wichtige Gruppen von Transistoren, nämlich Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren (FET), die sich durch die Art der Ansteuerung voneinander unterscheiden. Eine Liste mit einer groben Einordnung bzw. Gruppierung der Transistoren sowie weiteren Transistorenvarianten findet sich unter Liste elektrischer Bauelemente.

Bei bipolaren Transistoren tragen sowohl bewegliche negative Ladungsträger, die Elektronen, als auch positive Ladungsträger, sogenannte Defektelektronen, zur Funktion bzw. zum Ladungstransport bei. Defektelektronen, auch als Löcher bezeichnet, sind unbesetzte Zustände im Valenzband, die sich durch Generation und Rekombination von Elektronen im Kristall bewegen. Zu den bipolaren Transistoren gehören unter anderem der IGBT und der HJBT. Der wichtigste Vertreter ist jedoch der Bipolartransistor (engl.: bipolar junction transistor, BJT).

Der Bipolartransistor wird durch einen elektrischen Strom angesteuert. Die Anschlüsse werden mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet (im Schaltbild abgekürzt durch die Buchstaben B, E, C). Ein kleiner Steuerstrom auf der Basis-Emitter-Strecke führt zu Veränderungen der Raumladungszonen im Innern des Bipolartransistors und kann dadurch einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern. Je nach Dotierungsfolge im Aufbau unterscheidet man zwischen npn- (negativ-positiv-negativ) und pnp-Transistoren (positiv-negativ-positiv). Dotierung bedeutet in diesem Zusammenhang das Einbringen von Fremdatomen bei dem Herstellungsprozess in eine Schicht des hochreinen Halbleitermaterials, um die Kristallstruktur zu verändern. Bipolartransistoren sind grundsätzlich immer selbstsperrend: Ohne Ansteuerung mittels eines kleinen Stromes durch die Basis-Emitter-Strecke sperrt der Transistor auf der Kollektor-Emitter-Strecke.

Im Schaltsymbol ist der Anschluss Emitter (E) in beiden Fällen mit einem kleinen Pfeil versehen: Bei einem npn-Transistor zeigt dieser vom Bauelement weg, beim pnp-Transistor weist er zu dem Bauelement hin. Der Pfeil beschreibt die technische Stromrichtung (Bewegung gedachter positiver Ladungsträger) am Emitter. In frühen Jahren wurde in Schaltplänen bei den damals oft eingesetzten diskreten Transistoren zur Kennzeichnung des Transistorgehäuses ein Kreis um das jeweilige Symbol gezeichnet. Die Kreissymbole sind durch den heutigen vorherrschenden Einsatz integrierter Schaltungen unüblich geworden.

Die Verknüpfung zweier Bipolartransistoren mit Vor- und Hauptverstärkung zu einer Einheit wird als Darlington-Transistor oder als Darlington-Schaltung bezeichnet. Durch diese Verschaltung kann eine deutlich höhere Stromverstärkung erreicht werden als mit einem einzelnen Transistor. Weitere Details zu den Besonderheiten und Ansteuerungen finden sich in dem eigenen Artikel über Bipolartransistoren und in der mathematischen Beschreibung des Bipolartransistors. Einfache Schaltungsbeispiele finden sich in dem Artikel über Transistorgrundschaltungen und bei den Ersatzschaltungen des Bipolartransistors.

Feldeffekttransistoren, abgekürzt FET, oder auch als unipolare Transistoren bezeichnet, werden durch eine Spannung gesteuert. Besonders für FETs ist ein sehr hoher Eingangswiderstand im statischen Betrieb und die daher fast leistungslose Ansteuerung typisch.

Die 3 Anschlüsse werden als Gate (dt. Tor, Gatter), das ist der Steueranschluss, Drain (dt. Senke, Abfluss) und Source (dt. Quelle, Zufluss) bezeichnet. Bei MOSFETs ( Metalloxidschicht) kommt noch ein weiterer Anschluss, das Bulk oder Body (dt. Substrat) hinzu, das meist mit dem Source-Anschluss verbunden wird. Der Widerstand und somit der Strom der Drain-Source-Strecke wird durch die Spannung zwischen Gate und Source und das dadurch entstehende elektrische Feld gesteuert. Die Steuerung ist im statischen Fall fast stromlos. Der gesteuerte Strom im Drain-Source-Kanal kann, im Gegensatz zum Kollektorstrom von Bipolartransistoren, in beiden Richtungen fließen.

Die Klasse der Feldeffekttransistoren unterteilt sich in Sperrschicht-FETs (JFETs) und in die FETs, die mit einem durch einen Isolator getrennten Gate (MISFET, MOSFET) versehen sind. Unterschieden wird bei Feldeffekttransistoren darüber hinaus je nach Dotierung des Halbleiters zwischen n- und p-FETs, die sich bei den MOSFETs weiter in selbstleitende und selbstsperrende Typen aufteilen.

Bei den Unipolartransistoren ist immer nur eine Ladungsträgerart, negativ geladene Elektronen oder positiv geladene Defektelektronen, am Ladungsträgertransport durch den Transistor beteiligt.

Sperrschicht-Feldeffekttransistor

Bei Sperrschicht-FETs (engl. junction FET, JFET) wird die elektrisch isolierende Schicht zum Gate durch eine in Sperrrichtung betriebene Diode und deren unterschiedlich große Raumladungszone gebildet. Sperrschicht-FETs sind in der Grundform immer selbstleitende Transistoren: Ohne Spannung am Gate sind sie zwischen Source und Drain leitend. Durch das Anlegen einer Gate-Spannung geeigneter Polarität wird die Leitfähigkeit zwischen Source und Drain reduziert. Es gibt allerdings auch spezielle Varianten, die Ohne Gate-Spannung keinen Source-Drain-Strom aufweisen (selbstsperrende JFET, engl. normally-off JFET).

Auch JFETs gibt es in zwei Arten: n-Kanal und p-Kanal. Im Schaltsymbol wird bei einem n-Kanal der Pfeil zu dem Transistor gezeichnet und auf dem Gate-Anschluss eingezeichnet, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Beim p-Kanal-Typ ist die Pfeilrichtung umgekehrt. Sperrschicht-FETs finden wegen der etwas komplizierteren Ansteuerung nur in speziellen Anwendungen, wie beispielsweise Mikrofonverstärkern, Anwendung.

Der Überbegriff MISFET leitet sich von der englischen Bezeichnung metal insulator semiconductor field-effect transistor (Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ab. Sie stellen die andere große Gruppe, die Feldeffekttransistoren mit einem durch einen Isolator getrennten Gate (engl.: isolated gate field-effect transistor, IGFET), dar. Aus historischen Gründen wird statt MISFET oder IGFET meist die Bezeichnung MOSFET synonym verwendet. MOSFET steht für englisch metal oxide semiconductor field-effect transistor ( Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und geht auf die Ursprünge der Halbleitertechnik zurück; damals wurde als Gate-Material Aluminium und als Isolator Siliziumdioxid verwendet.

Wie der Name schon andeutet, ist ein MOSFET im Wesentlichen durch den Aufbau des Gate-Schichtstapels definiert. Dabei ist ein „metallisches" Gate durch ein Oxid (Isolator) vom stromführenden Kanal (Halbleiter) zwischen Source und Drain elektrisch isoliert. Mit Technologiestand im Jahr 2008 wurde vornehmlich hochdotiertes Polysilizium als Gate-Material eingesetzt, womit die Bezeichnung MISFET bzw. MOSFET nicht korrekt ist. In Verbindung mit dem Substratmaterial Silizium bietet sich Siliziumdioxid als Isolationsmaterial an, da es sich technologisch einfach in den Herstellungsprozess integrieren lässt und gute elektrische Eigenschaften aufweist. Eine Ausnahme stellt die High-k+Metal-Gate-Technik dar, bei der ein metallisches Gate in Verbindung mit High-k-Materialien aus Metalloxiden eingesetzt wird.

Ein Vorteil der MOSFET-Technik ist, dass durch den Einsatz eines Isolators im Betrieb keine Raumladungszone als Trennschicht, wie beim Sperrschicht-FET mit entsprechender Ansteuerungspolarität, gebildet werden muss. Der Gate-Anschluss kann somit in bestimmten Bereichen mit sowohl positiven als auch negativen Spannungen gegen den Source-Anschluss beaufschlagt werden.

Je nach Dotierung des Grundmaterials lassen sich sowohl n- als auch p-Kanal-MOSFETs herstellen. Diese können auch in Form selbstleitender oder selbstsperrender Typen im Rahmen der Herstellungsprozesse konfiguriert werden. Die Schaltsymbole umfassen damit vier mögliche Variationen wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die selbstleitenden MOSFETs, auch als Verarmungstyp bezeichnet, eine durchgezogene Linie zwischen den Anschlüssen Drain und Source aufweisen. Diese Linie ist bei den selbstsperrenden Typen, auch als Anreicherungstyp bezeichnet, unterbrochen. Der Pfeil wird bei diesen Transistoren am Bulk-Anschluss eingezeichnet und bei einem n-Kanal-Typ zu dem Transistorsymbol orientiert, bei einem p-Kanal vom Transistor weg gezeichnet. Der Bulk-Anschluss ist oft fest mit dem Source-Anschluss direkt am Halbleiter verbunden.

Wegen der größeren Vielfalt und der leichteren elektrischen Steuerbarkeit sind MOSFETs die heute mit großem Abstand am meisten produzierten Transistoren. Möglich wurde dies vor allem durch die CMOS-Technologie, bei der n- und p-MOSFETs kombiniert werden. Erst der Einsatz dieser Technologie erlaubte die Realisierung hochkomplexer, integrierter Schaltungen mit einer deutlich reduzierten Leistungsaufnahme, die mit anderen Transistortypen nicht möglich wäre.

Neben den Transistorgrundtypen gibt es einige weitere Varianten für spezielle Anwendungsbereiche wie den Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode, abgekürzt IGBT. Diese Transistoren finden seit Ende der 1990er Jahre vor allem in der Leistungselektronik Anwendung und stellen eine Kombination aus MOS- und Bipolartechnologie in einem gemeinsamen Gehäuse dar. Da diese Leistungstransistoren Sperrspannungen bis zu 6 kV aufweisen und Ströme bis zu 3 kA schalten können, ersetzen sie in der Leistungselektronik zunehmend Thyristoren.

Fototransistoren sind optisch empfindliche bipolare Transistoren, wie sie unter anderem in Optokopplern Verwendung finden. Die Steuerung dieser Transistoren erfolgt nicht durch einen kleinen Basis-Emitter-Strom - mitunter wird der Basisanschluss auch weggelassen -, sondern ausschließlich durch den Einfall von Licht (beispielsweise angewendet in Lichtschranken). Licht hat in der Raumladungszone des p-n-Überganges des Bipolartransistors eine ähnliche Wirkung wie der Basisstrom, der normalerweise an der Basis(B), auf engl. Gate(G), geschaltet wird. Deswegen sollten herkömmliche Transistoren, bei welchen dieser Effekt unerwünscht ist, in einem lichtundurchlässigen Gehäuse untergebracht sein.

Ein heute kaum noch verwendeter Transistor ist der Unijunctiontransistor, abgekürzt UJT. Er ähnelt in seiner Funktion eher Thyristoren bzw. den Diacs, wird historisch aber zu den Transistoren gezählt. Seine Funktion, beispielsweise in Sägezahngeneratoren, wird heute großteils durch integrierte Schaltungen realisiert.

In manchen Flüssigkristallbildschirmen, den meist farbfähigen TFT-Displays, kommen pro Pixel im aktiven Bildbereich bis zu drei Dünnschichttransistoren (engl. thin film transistor, TFT) zu Anwendung. Diese Feldeffekttransistoren sind praktisch durchsichtig. Sie werden zur Ansteuerung der einzelnen Pixel verwendet und ermöglichen im Vergleich zu den transistorlosen, farbfähigen LC-Displays einen höheren Kontrast. Je nach Größe des TFT-Display können pro Bildschirm bis zu einigen Millionen Dünnfilmtransistoren eingesetzt werden.

In elektrisch programmierbaren Festwertspeichern wie EPROMs und EEPROMs finden spezielle MOSFET mit einem sogenannten Floating Gate als primäres Speicherelement Anwendung. Durch die im Floating Gate gespeicherte elektrische Ladung ist der Transistor permanent ein- bzw. ausgeschaltet und kann den Informationsgehalt eines Bits speichern. Das Beschreiben, und bei einigen Typen auch das Löschen, wird mittels des quantenmechanischen Tunneleffektes ermöglicht.

In integrierten Schaltungen werden weitere spezielle Formen wie der Multiemitter-Transistor eingesetzt, welcher bei Logikgattern in der Transistor-Transistor-Logik die eigentliche logische Verknüpfung der Eingangssignale durchführt.

Im Laufe der Geschichte der Mikroelektronik wurde - im Hinblick auf den funktionalen inneren Aufbau - eine Vielzahl von Transistorbauformen entwickelt, die sich vor allem in der Herstellung der pn-Übergänge und der Anordnung der dotierten Bereiche unterscheiden. Der erste praktisch realisierte Transistor war 1947 der Spitzentransistor. Darauf folgten zahlreiche Versuche, die Herstellung einfacher und somit auch günstiger zu machen. Wichtige Bauformen bipolarer Einzel-Transistoren sind: der gezogene Transistor, der Legierungstransistor, der Drifttransistor, der Diffusionstransistor, der diffundiert-legierte Mesatransistor, der Epitaxialtransistor und der Overlay-Transistor. Die wohl wichtigste Bauform ist jedoch der 1960 von Jean Hoerni entwickelte Planartransistor, der sowohl ein wirksamen Schutz des sensiblen pn-Übergangs als auch eine parallele Massenfertigung auf einem Substrat (Wafer) erlaubte - was die Entwicklung von integrierten Schaltkreisen (ICs) wesentlich beeinflusste.

Für u. a. Differenzverstärker ist es wichtig, dass dessen beide Eingangstransistoren möglichst isotherm betrieben werden. U. a. dafür werden Doppeltransistoren hergestellt, zwei Transistoren in einem Gehäuse. Auf dem nebenstehenden Bild deutlich erkennbar: Die einzelnen Transistoren auf einem kleinen Messingplättchen, die wiederum auf einem keramischen und elektrisch isolierenden Bock liegen. Moderne Typen in SO-Gehäusen basieren teilweise auf zwei Transistoren auf einem Die, auch gibt es integrierte Transistorarrays (z. B. CA 3086) oder vollkommen integrierte Differenzverstärker in Form von Operationsverstärkern und Komparatoren.

Die erst später praktisch realisierten Feldeffekttransistoren können in ähnlich vielen Bauformen realisiert werden. Die wichtigsten Formen sind der planare Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, der Nanodrahttransistor sowie der FinFET.

Ging es in der Anfangsphase der Mikroelektronik noch darum, überhaupt funktionsfähige Transistoren mit guten elektrischen Eigenschaften herzustellen, so wurden später zunehmend Bauformen für spezielle Anwendungen und Anforderungen entwickelt, beispielsweise Hochfrequenz-, Leistungs- und Hochspannungstransistoren. Diese Unterteilung gilt sowohl für Bipolar- als auch für Feldeffekttransistoren. Für einige Anwendungen wurden auch spezielle Transistortypen entwickelt, die typische Eigenschaften der beiden Haupttypen vereinen, z. B. der Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT).

Bipolare Transistoren wurden in der Anfangszeit aus dem Halbleiter Germanium gefertigt, während heute überwiegend der Halbleiter Silizium sowohl bei Feldeffekttransistoren als auch Bipolartransistoren verwendet wird. Der schrittweise Ersatz des Germaniums durch Silizium im Laufe der 1960er und 1970er Jahre geschah unter anderem aus folgenden Gründen (vgl. Thermische Oxidation von Silizium):

1. Silizium besitzt ein stabiles, nichtleitendes Oxid (Siliziumdioxid), hingegen ist Germaniumoxid wasserlöslich, was unter anderem die Reinigung komplizierter macht.

Siliziumdioxid eignet sich zur Oberflächenpassivierung der Halbleiter, wodurch die Umgebung (Verschmutzungen, Oberflächenladungen usw.) die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente deutlich weniger beeinflussten und somit reproduzierbarer wurden.

Mit der thermischen Oxidation von Silizium existierte ein einfacher Herstellungsprozess von Siliziumdioxid auf einkristallinem Silizium. Die dabei entstehende Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche zeigt eine geringe Anzahl an Grenzflächenladungen, was unter anderem die praktische Umsetzung von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate ermöglichte.

2. Silizium ist genauso wie Germanium ein Elementhalbleiter. Bei Silizium ist die Gewinnung und Handhabung einfacher als bei Germanium.

Für Spezialanwendungen werden weitere Materialien eingesetzt. So besitzen einige Verbindungshalbleiter wie das giftige Galliumarsenid bessere Eigenschaften für hochfrequente Anwendungen, sind aber teurer zu fertigen und benötigen andere Fertigungseinrichtungen. Um diese praktischen Nachteile des Galliumarsenids zu umgehen, existieren verschiedene Halbleiterkombinationen wie Siliziumgermanium, die für höhere Frequenzen verwendbar sind. Für Hochtemperaturanwendungen kommen für die Herstellung von Transistoren spezielle Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid (SiC) zur Anwendung. Diese Transistoren können beispielsweise direkt an einem Verbrennungsmotor bei Temperaturen bis zu 600 °C eingesetzt werden. Bei siliziumbasierenden Halbleitern liegt die maximale Betriebstemperatur im Bereich von 150 °C.

Transistoren werden heutzutage in nahezu allen elektronischen Schaltungen verwendet. Der Einsatz als einzelnes ( diskretes) Bauelement spielt dabei eine nebensächliche Rolle. Sogar in der Leistungselektronik werden zunehmend mehrere Transistoren auf einem Substrat gefertigt, dies geschieht hauptsächlich aus Kostengründen.

Eine ältere Typisierung von Transistoren erfolgte nach den Einsatzgebieten:

Kleinsignaltransistoren - einfache, ungekühlte Transistoren für analoge NF-Technik für Leistungen bis ca. 1 W

Leistungstransistoren - robuste, kühlbare Transistoren für Leistungen oberhalb 1 W

Hochfrequenztransistoren - Transistoren für Frequenzen oberhalb 100 kHz, bei Frequenzen jenseits der 100 MHz wird auch die äußere Gestaltung beispielsweise in Streifenleitertechnik ausgeführt

Schalttransistoren - Transistoren mit günstigem Verhältnis von Durchlass- zu Sperrstrom, bei denen die Kennlinie nicht besonders linear zu sein braucht, in Varianten für kleine und für große Leistungen. Bipolare Transistoren im Kleinleistungsbereich mit integrierten Vorschaltwiderständen werden auch als Digitaltransistor bezeichnet.

Differenziert wird inzwischen noch mehr nach dem Anwendungsgebiet. Die Maßstäbe haben sich ebenfalls verschoben, die Grenze von 100 kHz für HF-Transistoren würde heute ca. um den Faktor 1000 höher angesetzt werden.

Ausgehend von der Zahl der gefertigten Bauelemente ist das Hauptanwendungsgebiet der Transistoren in der Digitaltechnik der Einsatz in integrierten Schaltungen, wie beispielsweise RAM-Speichern, Flash-Speichern, Mikrocontroller, Mikroprozessoren und Logikgattern. Dabei befinden sich hochintegrierte Schaltungen über 1 Milliarde Transistoren auf einem Substrat, welches meistens aus Silizium besteht und eine Fläche von einigen Quadratmillimetern aufweist. Die im Jahr 2009 noch exponentiell wachsende Steigerungsrate bei der Bauelementeanzahl pro integriertem Schaltkreis wird auch als Mooresches Gesetz bezeichnet. Jeder dieser Transistoren wird dabei als eine Art elektronischer Schalter eingesetzt, um einen Teilstrom in der Schaltung ein- oder auszuschalten. Mit dieser immer höheren Transistoranzahl je Chip wird dessen Speicherkapazität größer oder seine Funktionsvielfalt, indem bei modernen Mikroprozessoren beispielsweise immer mehr Aktivitäten in mehreren Prozessorkernen abgearbeitet werden können. Alles dies steigert in erster Linie die Arbeitsgeschwindigkeit; weil die einzelnen Transistoren innerhalb der Chips dabei aber auch immer kleiner werden, sinkt auch deren jeweiliger Energieverbrauch, so dass die Chips insgesamt auch immer energiesparender (bezogen auf die Arbeitsleistung) werden.

Die Größe der Transistoren (Gate-Länge) bei hochintegrierten Chips beträgt im Jahr 2009 oft nur noch wenige Nanometer. So beträgt beispielsweise die Gate-Länge der Prozessoren, die in der sogenannten 45-nm-Technik gefertigt wurden, nur rund 21 nm; Die 45 nm bei der 45-nm-Technik beziehen sich auf die Größe der kleinsten lithographisch fertigbaren Struktur, sogenannte feature size, was in der Regel der unterste Metallkontakt mit den Drain-Source-Gebieten ist. Die Halbleiterunternehmen treiben diese Verkleinerung voran, so stellte Intel im Dezember 2009 die neuen 32-nm-Testchips vor. Neben dem Bereich der Mikroprozessoren und Speicher sind an der Spitze der immer kleineren Strukturgrößen auch Grafikprozessoren und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs).

In nachfolgender Tabelle ist beispielhaft die Anzahl der auf einigen verschiedenen Mikrochips eingesetzten Transistoren und Technologieknoten angegeben:

In der analogen Schaltungstechnik finden sowohl Bipolartransistoren als auch Feldeffekttransistoren in Schaltungen wie dem Operationsverstärker, Signalgeneratoren oder als hochgenaue Referenzspannungsquelle Anwendung. Als Schnittstelle zu digitalen Anwendungen fungieren Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Analog-Umsetzer. Die Schaltungen sind dabei im Umfang wesentlich kleiner. Die Anzahl der Transistoren pro Chip bewegen sich im Bereich von einigen 100 bis zu einigen 10.000 Transistoren.

In Transistorschaltungen zur Signalverarbeitung wie Vorverstärker ist das Rauschen eine wesentliche Störgröße. Es spielt dabei vor allem das thermische Rauschen, das Schrotrauschen sowie das 1/f-Rauschen eine Rolle. Bei dem MOS-Feldeffekttransistor ist das 1/f-Rauschen bereits unter ca. 1 MHz besonders groß. Das unterschiedliche Rauschverhalten bestimmt ebenfalls die möglichen Einsatzbereiche der Transistortypen, beispielsweise in Niederfrequenzverstärkern oder in speziellen rauscharmen Hochfrequenzumsetzern.

In der analogen Schaltungstechnik werden auch heute noch diskrete Transistoren unterschiedlichen Typs eingesetzt und mit anderen elektronischen Bauelementen auf Leiterplatten verbunden, so es für diese Anforderungen noch keine fertigen integrierten Schaltungen bzw. Schaltungsteile gibt. Ein weiterer Einsatzbereich für den Einsatz diskreter Transistorschaltungen liegt im qualitativ höheren Segment der Audiotechnik.

Transistoren werden in unterschiedlichen Bereichen der Leistungselektronik eingesetzt. Im Bereich von Leistungsverstärkern finden sie sich in Endstufen. Im Bereich der geregelten Stromversorgungen wie bei Schaltnetzteilen finden Leistungs-MOSFETs oder IGBTs Anwendung - sie werden dort als Wechselrichter und synchroner Gleichrichter verwendet. IGBT und Leistungs-MOSFETs dringen zunehmend in Bereiche vor, die bisher größeren Thyristoren vorbehalten waren, bspw. in Wechselrichtern oder Motorsteuerungen. Der Vorteil der Leistungstransistoren gegenüber Thyristoren ist die Möglichkeit, Transistoren jederzeit ein- oder ausschalten zu können. Herkömmliche Thyristoren können zwar jederzeit eingeschaltet (gezündet) werden, aber nicht bzw. nur mit zusätzlichem Schaltungsaufwand wieder ausgeschaltet werden. Ein Umstand, der vor allem bei Gleichspannungsanwendungen von Nachteil ist.

Aufgrund der in der Leistungselektronik auftretenden Verlustleistungen kommen meist größere Transistorgehäuse wie TO-220 oder TO-3 zur Anwendung, die zusätzlich eine gute thermische Verbindung zu Kühlkörpern ermöglichen.

Gehäuse und Aussehen

Transistoren haben normalerweise 3 Anschlüsse, die als Drähte, Stifte, Bleche typisch nur an einer Seite des Gehäuses parallel herausgeführt werden. Die Lötflächen an SMD-Gehäusen liegen jedoch zumindest an 2 Seiten der Kontur. Insbesondere bei Leistungstransistoren, die fest mit einer Kühlfläche verschraubt werden, kommt es vor, dass der zu verschraubende Metallteil auch einen der 3 Transitorenpole elektrisch herausführt, sodass nur zwei (weitere) Pole als Stifte o. Ä. zu finden sind. Kommen hingegen 4 Drähte aus dem Gehäuse kann einer die Funktion „S" Schirm/Abschirmung haben. Enthält ein Gehäuse mehrere Transistoren können - vgl. Darlingtontransistor - entsprechend viele Kontakte herausführen.

Es gibt individuell ausgesuchte Paare von Exemplaren mit möglichst ähnlichen Eigenschaften zum Einbau in entsprechend anspruchsvolle Schaltungen. Weiters gibt es sogenannte Komplementär-Paare (Typen) mit ähnlichen Eigenschaften, jedoch vertauschter Polarität, also ein npn- und ein pnp-Typ.

Der im Inneren u. U. filigrane Aufbau des Bauteils wird von einem vergleichsweise robusten Gehäuse gehaltert und zugleich umschlossen.

Aufgaben des Gehäuses und der Zuleitungen im Allgemeinen:

Möglichst dichtes Abschließen:

gasdicht gegen Zutritt von Sauerstoff und anderen chemisch-physikalischen Reagentien um eine möglichst inerte und saubere Umgebung für die hochreinen Halbleitersubstanzen zu schaffen. Halbleiter können auch mit Isolierschichten beschichtet sein.

lichtdicht

abschirmen gegen ionisierende Strahlung (besonders bedeutsam bei Höhenflug, Raumfahrt, radioaktiv heiße Umgebung)

elektrische und magnetische (Wechsel-)felder

Geringer Wärmeflußwiderstand für die im Halbleiter (und seinen Zuleitungen) im Betrieb produzierte Wärme hin zum Kühlkörper als Wärmesenke. Gehäuse sind typisch mit Silikon-Wärmeleitpaste gefüllt.

seitliche Ableitung von über die elektrischen Kontakte während eines Lötvorgangs ankommende Wärme. Kleine Germaniumtransistoren sind mitunter mit dünnen Anschlussdrähten aus Eisen ausgestattet, die Wärme - aber auch elektrischen Strom - schlechter leiten als Kupfer.

Durchleitung elektrischer Ströme unter geringem Spannungsabfall und geringer Wärmeerzeugung (Joulsche Wärme).

Im Sonderfall des Fototransistors als Sensor soll Licht in den Halbleiter selbst eindringen können.

Materialien der Gehäuseschale:

Glas, geblasen, schwarz lackiert

Alublech, tiefgezogen

Bleche aus Kupferwerkstoffen (dünne Kuppel über dicker, gelochter Platte), galvanisiert, verlötet oder verschweißt

Einbettung der Kontakte:

Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 978-3-540-42849-7.

Kurt Hoffmann: Systemintegration: Vom Transistor zur großintegrierten Schaltung. 2. Auflage. Oldenbourg, 2006, ISBN 978-3-486-57894-2.

Ulrich Hilleringmann: Silizium-Halbleitertechnologie: Grundlagen mikroelektronischer Integrationstechnik. 6. Auflage. Springer Vieweg, 2014, ISBN 978-3-8348-1335-0.

Alfred Kirpal: Die Entwicklung der Transistorelektronik. Aspekte einer militärischen und zivilen Technik. In: Technikgeschichte. Band 59, Heft, 1992, S. 353-369.

1. The First Transistor Information zur Herkunft des Wortes „Transistor" auf der Webseite der The Nobel Foundation.

2. Patent CA272437: Electric Current Control Mechanism. Veröffentlicht am 19. Juli 1927, Erfinder: Julius Edgar Lilienfeld (Eintrag beim kanadischen Patentamt). ‌

3. Reinhold Paul: Feldeffekttransistoren - physikalische Grundlagen und Eigenschaften. Verlag Berliner Union, Stuttgart 1972, ISBN 3-408-53050-5.

4. Patent GB439457: Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices. Erfinder: Oskar Heil (Erstanmeldung am 2. März 1934 in Deutschland). ‌

5. Bo Lojek: The MOS Transistor. In: History of Semiconductor Engineering. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-34257-1, S.317ff.

6. Walter H. Brattain: Laboraufzeichnungen vom 24. Dezember 1947 ( vom 25. Juli 2012 im Internet Archive) (PDF; 2,2 MB)

7. Patent US2524035: Three-Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials. Angemeldet am 27. Juni 1948, veröffentlicht am 3. Oktober 1950, Erfinder: J. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley. ‌

8. Patent FR1010427: Nouveau système cristallin à plusieurs électrodes réalisant des effects de relais électroniques. Angemeldet am 13. August 1948, Erfinder: H. F. Mataré, H. Welker. ‌

9. Patent US2673948: Crystal device for controlling electric currents by means of a solid semiconductor. Erfinder: H. F. Mataré, H. Welker (französische Priorität 13. August 1948). ‌

10. Armand van Dormael: The "French" Transistor ( vom 24. Juni 2016 im Internet Archive) (PDF; 3,2 MB). In: Proceedings of the 2004 IEEE Conference on the History of Electronics. Bletchley Park, June 2004.

11. Foto des Transistrons in: „Computer History Museum"

12. 1951 - First Grown-Junction Transistors Fabricated, Computer History Museum

13. Heinz Richter: Immer noch wichtig - der Transistor. In: Telekosmos-Praktikum Teil 1. 1966

14. engl. indium blobs, vgl. Nigel Calder: The Transistor 1948-58. In: New Scientist. Band86, Nr.4, S.342-345 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

15. Merkregel: „Tut der Pfeil der Basis weh - handelt's sich um PNP."

16. Stefanos Manias: Power Electronics and Motor Drive Systems. Academic Press, 2016, ISBN 978-0-12-811814-6, S.742.

17. H. R. Huff, U. Gosele, H. Tsuya: Semiconductor Silicon. Electrochemical Society, 1998, ISBN 1-56677-193-5, S.179-189.

18. A. K. Agarwal, et al.: SiC Electronics. In: International Electron Devices Meeting. Dezember 1996, S. 225-230.

19. P. G. Neudeck, G. M. Beheim, C. S. Salupo: 600 °C Logic Gates Using Silicon Carbide JFET's (PDF; 954 kB) In: Government Microcircuit Applications Conference Technical Digest, Anaheim, März 2000, S. 421-424.

20. Nico Ernst: Intel zeigt Details zu CPUs mit 32 und 22 Nanometern. In: Golem.de. 16. Dezember 2009, abgerufen am 17. Dezember 2009.

21. Radeon HD 7970: Mit 2048 Kernen an die Leistungsspitze. In: heise online. 22. Dezember 2011, abgerufen am 22. Dezember 2011.

22. mb.uni-siegen.de: Materialwissenschaft dünner Schichten und Schichtsysteme

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Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiter- Bauelement zum Steuern meistens niedriger elektrischer Spannungen und Ströme. Er ist der weitaus wichtigste „aktive" Bestandteil elektronischer Schaltungen, der beispielsweise in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik und in Computersystemen eingesetzt wird. Besondere Bedeutung haben Transistoren - zumeist als Ein/Aus-Schalter - in integrierten Schaltkreisen, was die weit verbreitete Mikroelektronik ermöglicht.

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Was ist eine LED? Aufbau und Funktionsweise Leuchtdiode | Elektronik #3

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Eine Leuchtdiode (kurz LED von light-emitting diode, dt. ‚lichtemittierende Diode', auch Lumineszenz-Diode) ist ein Halbleiter-Bauelement, das Licht ausstrahlt, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt. In Gegenrichtung sperrt die LED den Strom. Somit entsprechen die elektrischen Eigenschaften der LED denjenigen einer Diode. Die Wellenlänge des emittierten Lichts hängt vom Halbleitermaterial und der Dotierung der Diode ab: Das Licht kann für das menschliche Auge sichtbar oder im Bereich von Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung sein.

In den ersten drei Jahrzehnten seit ihrer Markteinführung 1962 diente die LED zunächst als Leuchtanzeige und zur Signalübertragung. Durch technologische Verbesserungen wurde die Lichtausbeute immer größer, es wurden blaue und auf deren Basis auch weiße LEDs entwickelt, und Mitte der 2000er Jahre kamen LED-Leuchtmittel auf den Markt. Diese sind heute weit verbreitet und haben andere Leuchtmittel im Alltagsgebrauch zu einem großen Teil verdrängt.

Der Halbleiterkristall vieler Leuchtdioden ist auf den Boden einer kegelförmigen Vertiefung in einem Metallhalter gelötet. Die Innenseiten der Vertiefung wirken als Reflektor für das aus den Seiten des Kristalls austretende Licht. Die Lötstelle bildet einen der beiden elektrischen Anschlüsse des Kristalls. Gleichzeitig nimmt sie die Abwärme auf, die entsteht, weil der Halbleiterkristall nur einen Teil der elektrischen Leistung in Licht umsetzt. Der Halter mit dem Reflektor ist bei bedrahteten Leuchtdioden als Draht mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt, der als elektrischer Anschluss dient. Anders als sonst bei Elektronikbauteilen üblich, bestehen die Anschlüsse nicht aus Kupfer, sondern aus verzinntem Eisendraht. Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist vergleichsweise gering. Dadurch wird der Halbleiterkristall beim Einlöten des Bauteils in eine Leiterplatte nicht durch Überhitzung zerstört.

Die Oberseite des Kristalls ist nur durch einen sehr dünnen Bonddraht elektrisch mit dem zweiten Anschluss verbunden, damit die Zuführung nur sehr wenig der lichtemittierenden Oberfläche verdeckt.

Die Kathode (−) ist durch eine Abflachung am Bund des Gehäusesockels markiert. Bei fabrikneuen Leuchtdioden ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer. Merkregel: Kathode = kurz = Kante. Bei den meisten Leuchtdioden ist der Reflektor die Kathode. In seltenen Fällen ist der Aufbau umgekehrt. Bezüglich des Schaltzeichens (s. u.) gilt die Merkregel, dass die technische Stromrichtung von dem Pfeil, den die Anode (+) durch ihre Form bildet, „angezeigt" wird.

Hochleistungs-Leuchtdioden (H-LED) werden mit höheren Strömen als 20 Milliampere (mA) betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder durch Wärmeleiter, die in den Leuchtdiodenkörper eingearbeitet sind, abgeführt werden. Die meisten H-LEDs von 1 Watt aufwärts sind für die Montage auf Kühlkörper vorbereitet. Eine hohe Temperatur führt bei LEDs (anders als bei Glühlampen) zur Absenkung des Wirkungsgrads, außerdem wird die zu erwartende Lebensdauer verkürzt.

Eine weitere Möglichkeit ist das direkte Drahtbonden des Leuchtdioden-Chips auf der Platine ( chip on board - COB) und der spätere Verguss mit Silikon. Im Fachhandel werden diese Leuchtmittel „COB-LED" genannt.

Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (2-4) Dioden in einem Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode oder Kathode und einen Anschluss für jede Farbe. Bei einer Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei Leuchtdioden-Chips antiparallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder die andere Diode. Eine quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren.

Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode; Leuchtdioden besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt werden, ist das Ausgangsmaterial für Leuchtdioden ein direkter Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter.

Wird an eine Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang. Nach Übergang zur p-dotierten Seite geht das Elektron dann in das energetisch günstigere Valenzband über. Dieser Übergang wird Rekombination genannt, denn er kann auch als Zusammentreffen von einem Elektron im Leitungsband mit einem Defektelektron (Loch) interpretiert werden. Die bei der Rekombination frei werdende Energie wird in einem direkten Halbleiter meist direkt als Licht (Photon) abgegeben.

Materialwahl - indirekte und direkte Halbleiter

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt unter anderem das Verhalten der Energieübertragung beim Übergang eines Elektrons vom Leitungsband in das Valenzband und andersherum. In der Grafik rechts sind zwei vereinfachte Bandstrukturdiagramme dargestellt. Dabei ist der Verlauf des Leitungs- und des Valenzbandes über den Wellenvektor aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate, der den nötigen Impulsübertrag charakterisiert. Dargestellt sind die beiden Grundformen von Halbleitern bzw. Bandübergängen: Links ein strahlender Übergang eines direkten Halbleiters und rechts ein Übergang eines indirekten Halbleiters.

Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfordert der Wechsel der Elektronen vom Leitungsbandminimum in das Valenzbandmaximum einen zusätzlichen Impulsübertrag , um die Impulserhaltung zu gewährleisten. Der Impulsübertrag erfolgt z. B. durch die Emission oder Absorption eines Phonons ( Gitterschwingung). Die Bedingung, dass ein zusätzliches Quasiteilchen an dem Übergang beteiligt sein muss, reduziert seine Wahrscheinlichkeit. Indirekte Halbleiter sind daher als Leuchtdiode nicht geeignet. Es dominieren nicht-strahlende Übergänge wie die Rekombination über Störstellen (Shockley-Read-Hall-Rekombination). Entsprechend leuchtet zum Beispiel eine normale Gleichrichterdiode nicht.

Im Gegensatz dazu stehen die direkten Halbleiter, sie zeichnen sich durch einen „direkten Bandübergang" aus, was bedeutet, dass die Elektronen am unteren Rand des Leitungsbandes (Leitungsbandminimum) und am oberen Ende des Valenzbandes (Valenzbandmaximum) denselben Impuls haben. Damit ist ein direkter Übergang des Elektrons unter Aussendung eines Photons (Licht) möglich, ohne dass ein Phonon zur Impulserhaltung beteiligt sein muss. Die Quantenausbeute des direkten Halbleiters Galliumarsenid liegt bei ca. 0,5, beim indirekten Halbleiter Silizium nur bei etwa 1·10 −5.

Die Energie des emittierten Photons ist gleich der Energie der Bandlücke, also dem energetischen Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband.

als Zahlenwertgleichung:

λ(W D): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn in eV eingesetzt wird.)

h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10−34 Js = 4,13567 · 10−15 eVs

c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 10⁸ ms−1

W D: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in Elektronenvolt), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.

Die Größe der Bandlücke, also der Energielücke , bestimmt die Energie, das heißt die Frequenz, Wellenlänge bzw. Farbe des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. So verändert der Austausch von Atomen im Kristallgitter den kristallinen/molekularen Aufbau des Materials, u. a. seine Gitterparameter oder sogar seine Gitterstruktur. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, das heißt im Bereich des nahen Infrarot. Die Zugabe von Phosphor vergrößert den Bandabstand, was das ausgesandte Licht energiereicher macht, wobei die Wellenlänge abnimmt und die Farbe von Infrarot zu Rot und Gelb übergeht. Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 Prozent der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast zwei Elektronenvolt, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden. Die Energie der Bandlücke spiegelt sich auch in der Höhe der Durchlassspannung der Diode wider, wie im Diagramm rechts gezeigt. Bei langwelligem Licht liegt sie bei ca. 1,5 V, bei blauem Licht bei 3 V, während Siliziumdioden kleinere Werte von ca. 0,6 V aufweisen.

Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs basierend auf Indiumgalliumnitrid, mit einer vor dem LED-Chip befindlichen gelblichen Lumineszenzschicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt und primär im Bereich der LED-Leuchtmittel Einsatz findet. Ähnlich, aber mit veränderter Lumineszenzschicht, sind LEDs in Pastelltönen aufgebaut.

Selten verwendete Werkstoffe für Leuchtdioden sind unter anderem:

Siliziumkarbid (SiC) - erste kommerzielle blaue LED; kaum noch in praktischen Einsatz, da nur geringe Effizienz

Zinkselenid (ZnSe) - blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte

Zur Herstellung blauer und grüner LEDs können mit dem Atomlagenepitaxie-Verfahren aus Magnesocen dünne Schichten Magnesium-dotierter Nitrid-Filme von Metallen der 3. Hauptgruppe (überwiegend Gallium) aufgebracht werden.

Da Leuchtdioden grundsätzlich nur monochromatisches Licht erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz, um weißes Licht zu erzeugen.

Kombination verschiedenfarbiger LEDs und Leuchtstoffe

Rote, grüne, blaue Leuchtdioden, sogenannte RGB-LEDs, abgeleitet von dem Begriff des RGB-Farbraumes, werden in einem LED-Gehäuse miteinander so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit bei entsprechender Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden von außen als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten wie ein Diffusor erforderlich. Bei dieser Kombination von Leuchtdioden ist durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden auch andersfarbiges Licht herstellbar, auch fließende Farbübergänge sind möglich.

Selten wird eine Ultraviolette-LED (UV-LED) mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen in Rot, Grün und Blau kombiniert, was eine gute Farbwiedergabe bis über = 90 erlaubt. Dabei werden drei relative schmale Peaks im Spektrum erzeugt, was für Licht in drei engen Frequenzbändern steht. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen allerdings insbesondere am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe; auch kann die Farbtemperatur oder Farbe nicht wie bei RGB-LEDs im Betrieb geändert werden.

Lumineszenz

Eine blaue oder ultraviolette LED wird mit photolumineszierendem Farbstoff, auch als Leuchtstoff bezeichnet, kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren wird dadurch das kurzwellige Licht der blauen oder ultravioletten LED in langwelligeres Licht umgewandelt. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren und legt die Farbtemperatur fest.

Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid epitaktisch, meist mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), auf einen Träger (Substrat) aus Saphir aufgebracht. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. Die lichtemittierende Schicht besteht in der Regel aus InGaN, deren blaues Licht vom Leuchtstoff teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird. In einem neuen Verfahren, dessen wesentliche Grundlagen im Jahr 2000 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt wurden, wird das teure Saphirsubstrat durch Silizium ersetzt. Auf das Silizium lässt man dann nach einer ersten AlN-Schicht das Galliumnitrid aufwachsen. Effizient sind solche LEDs jedoch nur, wenn das lichtabsorbierende Siliziumsubstrat entfernt und durch eine hochreflektierende Schicht, meist auf Silberbasis, ersetzt wird, wie es für Hochleistungs-LEDs auf Saphirsubstraten inzwischen der Fall ist. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden, und der Ablöseprozess vom Substrat wird stark vereinfacht.

Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand der Grafik erkennen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Lumineszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb- LCDs, die mit solchen weißen LEDs hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Wärmestrahler. Bunte (nicht-weiße) Leuchtdioden emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich; das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von Leuchtdioden für allgemeine Beleuchtungszwecke werden meist blaue Leuchtdioden mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.

Bis Anfang der 1990er-Jahre konnten Leuchtdioden nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums in hinreichender Qualität hergestellt werden, insbesondere blaue Leuchtdioden waren nicht verfügbar. Auch der Einsatz grüner Leuchtdioden war für Verkehrsampeln wegen der geforderten blaugrünen Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück, wofür dieser 2014 den Nobelpreis für Physik bekam. Die Massenproduktion blaugrüner und danach blauer Leuchtdioden begann im Jahr 1993.

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie, die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom.

Die Flussspannung bzw. die Spannung über der Diode stellt sich durch den Betriebsstrom ein, besitzt Exemplarstreuung und ist temperaturabhängig - sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig angenähert in Form eines Vorwiderstandes) ist daher wichtig für eine definierte Leuchtstärke. Ein direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist sehr riskant, da der Arbeitspunkt über die Spannung für den gewünschten Strom wegen der Exemplarstreuung und der Temperaturabhängigkeit nicht ausreichend genau eingestellt werden kann.

Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute durch Optimierungen des Halbleitermaterials und der Geometrie von Halbleiterkristall und Gehäuse erhöht. Das ermöglichte es ab etwa den 1990er-Jahren, LEDs mit sehr kleinem Strom zu betreiben (Low-current-LEDs) und dennoch eine sinnvolle Helligkeit zu erzielen. Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung U f (für englisch forward voltage) hängt vom Halbleitermaterial ab, das wiederum die Lichtfarbe bestimmt. Anhaltspunkte für den Spannungsabfall sind:

Die Flussspannung hängt u. a. von der Stromdichte in der LED und von Serienwiderständen (Bahnwiderstand im Kristall) in der Diode und den Kontaktierungen, Bonddrähten und Anschlüssen ab und nimmt aufgrund dessen bei leistungsfähigeren LEDs zu.

Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel 5 Volt, darüber wird die LED meist zerstört.

Die Lichtemission des LED-Chips bzw. der Leuchtstoffschicht erfolgt in einem Halbraum, wobei der Chip sich etwa wie ein Lambert-Strahler verhält, wenn nicht weitere Teile zur Lenkung/Bündelung des Lichts eingesetzt werden. Die Verlustwärme wird typisch in den anderen Halbraum abgeführt, etwa durch Wärmeleitung in einen Kühlkörper, auf den die LED montiert ist.

Dieser Öffnungswinkel ist ein wichtiger Parameter einer LED. Der Raumwinkel , in den das Licht abgestrahlt wird, kann aus dem Öffnungswinkel berechnet werden, und der Lichtstrom und die Lichtstärke der LED hängen über zusammen:

,

.

In der Praxis gilt letztere Gleichung jedoch nur angenähert, da das Licht meist nicht ausschließlich innerhalb des Öffnungswinkels und in diesem auch nicht völlig gleichmäßig (d. h. mit konstanter Lichtstärke) abgegeben wird.

Leuchtdioden mit einer Linse, die zur Erzielung großer Öffnungswinkel ausgelegt ist, werden auch als Straw-Hat-LEDs bezeichnet. Mitunter nutzt man auch eine konkave kegelförmige Frontfläche, an der das Licht total reflektiert wird und dann durch die zylinderförmige Seitenwand des Gehäuses austritt.

Lichtstärke

Die Lichtstärke von LEDs wird in der Einheit Candela (cd) oder Teilen davon angegeben. Die Lichtstärke berücksichtigt, im Unterschied zum Lichtstrom, auch die Abstrahl-Charakteristik in Form des Raumwinkels. Typische Werte sind:

0,02 cd bis 0,05 cd für klassische LEDs für Signalanwendungen wie in Schaltpulten etc.

bis 0,8 cd haben neuere sogenannte „superhelle"-LEDs, die damit auch für helle oder Tageslicht-Umgebungen geeignet sind

bis 10 cd haben LED-Module zu Beleuchtungs-Zwecken, diese sind aus mehreren LED-Chips zusammengesetzt

Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der ihr Lichtstrom im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist ( L70B50-Wert); einige Internet-Quellen sprechen auch vom Ende der Lebensdauer bei 80 % oder 50 % des anfänglichen Lichtstroms.

Der Lichtstrom von Leuchtdioden nimmt nach und nach ab, sie fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Alterung ist annähernd linear. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial, den Betriebsbedingungen (Temperatur, Strom) und der individuell tolerierbaren Farbtemperaturveränderung der Fluoreszenzfarbstoffe ab (weiße LEDs werden blaustichiger). Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Mit optimal aufeinander abgestimmten Komponenten können Lebensdauern von 50.000 Stunden und mehr erreicht werden.

Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im Blau- und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar.

Der Anwendungsbereich der LEDs umfasste zunächst in den 1970er- und 1980er-Jahren aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Farben hauptsächlich Anzeigeelemente wie beispielsweise Statusanzeigen mit den Farben rot, orange, gelb und gelb-grün. Sie ersetzten dabei kleinere Glühlampen oder Glimmlampen. Dieser Anwendungsbereich umfasst auch Anzeigen wie beispielsweise Siebensegmentanzeigen oder Matrixanzeigen, in welchem sie spezielle Elektronenröhren, wie die Fluoreszenzanzeige und deren Vorgänger, die Nixie-Röhre, ablöste.

Seit Beginn der LED ergaben sich auch Anwendungen zur Signalübertragung, wo die Leuchtdiode in ihrer Funktion nicht unbedingt für den Benutzer optisch sichtbar ist und wo Leuchtdioden bis heute dominierend sind. Beispiele sind infrarote LEDs in Infrarotfernsteuerungen, in Lichtschranken oder in Optokopplern zur galvanischen Trennung elektrischer Stromkreise.

Mit der Marktverfügbarkeit von leistungsfähigen und kostengünstigen blauen (und damit auch weißen) Leuchtdioden seit den 2000er-Jahren etablieren sich LEDs in nahezu allen Anwendungen der Beleuchtung. Neben der Raumbeleuchtung oder Straßenbeleuchtung werden LEDs auch in Taschenlampen, LED-Scheinwerfern sowie bei Flutlichtanlagen und bei der Effektbeleuchtung eingesetzt, z. B. in beleuchteten Möbeln, Vitrinen, Rahmen oder auch bei Bekleidungsstücken, bei denen schmale und teilweise versteckte LED-Streifen für eine angenehme indirekte Beleuchtung und Raumatmosphäre sorgen sollen. Es gibt heute eine Vielfalt von LED- Leuchtmitteln, darunter auch LED-Leuchtfaden-Lampen, die einerseits das Aussehen von traditionellen Kohlefaden-Glühlampen imitieren, während lichtstärkere Typen dem Erscheinungsbild der Glühlampe mit Wolframglühfaden ähneln.

Gleichzeitig mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger Leuchtdioden für Beleuchtungszwecke kamen auch Signalisierungen mit höherer Lichtausbeute hinzu, wie bei Verkehrsampeln, als Rücklicht und als Kennleuchten auf Fahrzeugen. Im Jahr 2011 wurde erstmals in Europa ein Flughafenvorfeld mit LEDs beleuchtet: In Innsbruck leuchtet ein System mit 14 hohen Masten eine Fläche von 49.000 m² aus.

Ein weiterer Anwendungsbereich von LEDs ist die Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen, da LEDs eine langzeitstabilere Beleuchtung und zum Teil einen niedrigeren Strombedarf als Kaltkathodenlampen aufweisen. Außerdem lassen sich so sehr geringe Bautiefen realisieren. Entsprechende LCD-Fernseher werden umgangssprachlich häufig als LED-Fernseher bezeichnet.

Daneben existieren noch spezielle Einsatzbereiche, welche die spektralen Eigenschaften der eingesetzten Leuchtdioden ausnutzen. Beispiele sind die Medizintechnik, wo unter anderem ultraviolette LEDs zum Polymerisieren von Kunststoffen in der Zahntechnik, rote und infrarote LEDs zur Messung der Sauerstoffsättigung in Pulsoximetern verwendet werden, oder in der Licht-Hauttherapie - auch als LED-Photorejuvenation bekannt.

Henry Joseph Round (1881-1966) beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer Lichtemission fähig sind. 1921 entdeckte der russische Physiker Oleg Lossew den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis 1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des Einsteinschen photoelektrischen Effektes zu deuten sei. Georges Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.

1951 konnte durch die Entwicklung des Bipolartransistors ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht werden. Seitdem war es möglich, den Prozess der Lichtemission aufzuklären. Zunächst wurde weiter mit Zinksulfid experimentiert; erfolgreicher waren aber die Forschungen an den als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleitern. Ab 1957 konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz auf Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) war von Bedeutung.

Einige Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode Nick Holonyak zu und datieren sie auf 1962.

1968 nahm das amerikanische Chemieunternehmen Monsanto als erstes die Massenproduktion von (roten) LEDs auf Basis von Galliumarsenidphosphid auf und trieb in den folgenden Jahren die Entwicklung weiter voran. Die Serienproduktion der diskreten LED und der Siebensegmentanzeige ermöglichte damals erste Taschenrechner und digitale Armbanduhren.

Seit den ersten LEDs 1962 wurde die Lichtausbeute von unter 0,1 lm/W auf über 100 lm/W gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen gemachten Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen) auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, niederdimensionalen Strukturen ( Quantenfilmen, Quantenpunkten), transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er-Jahre, Rot-Gelb) wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er-Jahre, grüne LEDs) und GaN (1980er-/1990er-Jahre, Grün bis UV) entwickelt, sodass es heute, bis auf eine Lücke im Grün-Gelb-Bereich, LEDs in allen Farben des Spektrums gibt.

Nach Halbleitermaterialien, die Licht im kurzwelligen Bereich (Blau, UV) effizient erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war das Dotieren eines p-leitenden Bereichs geeigneter breitlückiger Halbleiter, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe um Isamu Akasaki in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Dieser führte zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laserdioden, seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumkarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura erhielten 2014 den Nobelpreis für Physik für „die Erfindung effizienter blauer Leuchtdioden, mit denen helle und energiesparende weiße Lichtquellen möglich wurden".

2006 erreichte eine blaue LED von Nichia in Labortests eine Lichtausbeute von 150 lm/W. Das entspricht der Effizienz von Natriumdampflampen, die in verschiedenen Ausführungen seit den 1970er-Jahren verfügbar sind. 2007 gelang es dem Unternehmen Cree im Labor, eine kaltweiße LED mit über 1000 lm bei einer Effizienz von 72 lm/W zu betreiben, die warmweiße Variante kam bei 760 lm immerhin noch auf 52 lm/W Lichtausbeute. 2009 kam eine LED von Nichia auf den Markt mit einer angegebenen Lichtausbeute von 160 lm/W, allerdings nur geringer Leistung. Cree lieferte 2010 erste LEDs aus, die bei 1 W 160 lm/W erreichten und bei 10 W immer noch ca. 100 lm/W.

Im September 2009 begann Cree mit der Auslieferung einer weißen LED mit einer Lichtausbeute (Herstellerangaben) von 132 lm/W, die bei der maximalen Leistungsaufnahme von fast 10 W auf 105 lm/W abfällt, wobei für diesen Produktionstyp Lichtstromwerte bei 350 mA in den Leistungsklassen 114 lm; 122 lm; 130 lm und 139 lm (entspricht 132 lm/W) angeboten werden. Das Unternehmen berichtete im Februar 2010 über eine Labor-Prototyp-LED, die 208 lm/W bei Raumtemperatur erreichte, bei einer Farbtemperatur von 4579 K. Im Oktober 2011 konnte Osram Prototypen einer roten LED vorstellen, die bei 609 nm und Nennstrom von 350 mA eine Lichtausbeute von 168 lm/W erreicht.

Beim Vergleich der Lichtstärke unterschiedlicher LEDs ist der Abstrahlwinkel in die Berechnung einzubeziehen. Übliche Abstrahlwinkel liegen zwischen 24° und 40°.

Die Steigerung der Effizienz und die weitere Senkung der Herstellungskosten stehen primär im Fokus der Weiterentwicklung. Daneben wurde um das Jahr 2015 insbesondere daran gearbeitet, sowohl transparente Träger- und Halbleiter-Materialien, als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen, da die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) einen Teil der leuchtenden Fläche abdecken.

Die höchsten Effizienzangaben weißer LEDs geben 2014 eine Lichtausbeute von 303 lm/W, im Jahre 2010 waren es 250 lm/W. Das theoretische Maximum liegt jedoch bei ca. 350 lm/W, wenn weißes Licht mit 6600 K Farbtemperatur mit einem physikalischen Wirkungsgrad von 100 % erzeugt wird. Daher sind hohe Effizienz-Angaben in Pressemitteilungen der Herstellerfirmen nicht vertrauenswürdig. Im Jahre 2020 kommerziell angebotene weiße LED-Emitter mit einem Farbwiedergabeindex von 70 erreichen eine Lichtausbeute von etwa 122 bis 166 Lumen pro Watt, gemessen im Impulsbetrieb mit 7 % max. Fehler bei einer Chiptemperatur von 85 °C.

Da durch die Messung in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt werden (vgl. Hellempfindlichkeitskurve), erreichen LEDs in den Farben Grün bis Gelb besonders hohe Effizienzwerte, während beispielsweise blaue LEDs deutlich schlechter abschneiden. Im rein physikalischen Wirkungsgrad, der die Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie angibt, sind blaue LEDs in der Regel besser. Daher ist ein schlechter Farbwiedergabeindex und eine hohe Farbtemperatur verbunden mit hoher Lichtausbeute. Derzeit sind physikalische Wirkungsgrade bis etwa 85 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche LED, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und gegebenenfalls Optik. Neben solchen Laborwerten sind heute LEDs mit 200 lm/W im Betrieb.

Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im Labor hergestellt und bald darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten „Fluxbinning" werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten.

Bei konstanter Halbleitertemperatur ist der Lichtstrom einer Leuchtdiode annähernd proportional zum durch sie fließenden Strom. Der Wirkungsgrad sinkt mit steigender Temperatur, u. a. deshalb sinkt die Lichtausbeute an der Leistungsgrenze je nach Art der Kühlung ab. Weiterhin führt der Bahnwiderstand (Halbleiterkristall, Bonddraht) dazu, dass LED bei ihrer spezifizierten Nennleistung weniger effizient als bei geringeren Strömen sind. Die LED altert beschleunigt bis hin zum Spontanausfall, wenn die Temperatur des Halbleiters circa 150 °C für längere Zeit übersteigt.

Eine Leuchtdiode besitzt wie andere Halbleiterdioden eine exponentielle Strom-Spannungs-Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen ab der Schwellspannung große Stromänderungen.

Das Bild rechts zeigt eine typische Strom-Spannungs-Kennlinie einer weißen Leuchtdiode, hier mit einem Nennstrom von 350 mA. Diesen Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine Überhitzung zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest man beim Nennstrom eine Flussspannung von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von etwa 1 W.

Die Spannung muss mindestens die Höhe der Schwellspannung haben, damit ein nennenswerter Strom fließen kann. Beispielsweise wird eine blaue LED bei Anlegen einer Spannung von 2,4 V (zwei NiMh-Akkus à 1,2 V in Reihe) dunkel bleiben. Drei solcher Akku-Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %, die LED fällt nach kurzer Zeit aus.

Im Impulsbetrieb für einige Mikro- bis wenige Millisekunden können LED mit Strömen des Mehrfachen des Dauer-Nennstromes betrieben werden. Vor allem Infrarot-LED sind dafür spezifiziert. Deren typische Anwendung sind Infrarot-Fernbedienungen, bei denen LEDs mit etwa 40 kHz gepulst betrieben werden. Die Modulation der Licht- bzw. Strahlungsleistung ist je nach LED-Typ bis zu mehreren 100 kHz bis einigen 10 MHz möglich.

Die einfachste Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer Spannungsquelle ist, in Reihe zu ihr einen Vorwiderstand zu schalten. Der Gesamt-Wirkungsgrad ist prinzipiell nicht schlechter als bei einer linear geregelten Konstantstromquelle. Wird diese Anordnung mit einer Spannungsquelle betrieben, deren Spannung U ₀ unter Last (Nennstrom I) bekannt ist, so lässt sich der gewünschte Strom I über die Wahl des Widerstandes einstellen:

Beispiel:

Die Verlustleistung und damit die Baugröße des Widerstandes ergibt sich zu

Der nächsthöhere Normwert ist 0,5 W.

Bei einer ungeregelten Spannungsquelle wie einem Netzteil aus Transformator mit Gleichrichter und Glättungskondensator führt der Innenwiderstand der Quelle zu einer starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Laststrom. Bei der obigen Formel ist dann zu beachten, dass U ₀ nicht die Leerlaufspannung ist, sondern die Ausgangsspannung beim Nennstrom I, welche sich bei kleinen Transformatoren (ca. 3 VA) gegenüber der Leerlaufspannung nahezu halbieren kann.

Der Nachteil eines Vorwiderstands ist die Abhängigkeit des Stroms von der Versorgungsspannung. Das gilt vor allem dann, wenn eine relativ geringe Spannung am Vorwiderstand abfällt. Es ist daher kaum möglich, die Verluste dadurch zu verringern, dass nur eine kleine Spannungsdifferenz zwischen LED und Versorgungsnetz (z. B. Bordnetz eines KFZ) besteht.

Beispiel: An ein 12-V-Bordnetz werden drei LEDs à 3,4 V angeschlossen, sodass bei einer Spannung U = 12 V nur 1,8 V für den Vorwiderstand verbleiben. Mit einem Vorwiderstand von 5,2 Ω ergibt sich so ein Strom von 348 mA. Beim Laden des Akkus im Auto können aber durchaus Spannungen bis 14,4 V auftreten. Das hätte dann einen praktisch verdoppelten Strom von rund 700 mA zur Folge (der Spannungsabfall an der LED steigt ebenfalls leicht an), obwohl sich die Bordspannung nur um 16 % erhöht hat. Die gewählte Ausführung ist somit nicht betriebssicher und damit ungeeignet. Abhilfe könnte eine verringerte Anzahl der in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder eine Konstantstromquelle statt Vorwiderstand sein.

Beim Betrieb von Leuchtdioden an einer Konstantstromquelle entfällt das Problem der Abhängigkeit des Stromes von der Versorgungsspannung. Die LED kann dann über einen sehr weiten Spannungsbereich sicher betrieben werden. Konstantstromquellen lassen sich mit Transistoren oder integrierten Schaltungen realisieren.

Eine Möglichkeit zur Realisierung einer Konstantstromquelle bietet ein JFET in Form eines einfachen Linearreglers, der in Serie mit einer LED an eine Spannungsquelle geschaltet wird. Nebenstehende Schaltung wird dabei statt des Vorwiderstandes R in Serie zur LED geschaltet. Durch Wahl von R ₁ kann die Stromstärke durch die LED eingestellt werden. Der Widerstandwert ist von den Parametern des JFET abhängig und - im Gegensatz zum Betrieb mit Vorwiderstand - nicht von der Versorgungsspannung. Überschlagsmäßig kann der Konstantstrom nach folgender Gleichung bestimmt werden:

( U GS ist die Spannung zwischen Gate und Source; dieser Wert ist aus dem Datenblatt des jeweiligen JFET zu entnehmen und gleich der Spannung, die im Betrieb am Widerstand R ₁ anliegt.)

Die mit dieser Schaltung erzielbaren typischen Versorgungsspannungsbereiche können den Bereich einiger weniger Volt bis zu 40 Volt überstreichen und sind durch die Spannungsfestigkeit und maximale Verlustleistung des JFETs begrenzt.

Es besteht auch die Möglichkeit, den linearen Spannungsregler LM317 als Konstantstromquelle zu nutzen.

Lineare Schaltungen haben den Nachteil, dass sie das Produkt aus Spannungsdifferenz und Betriebsstrom in Form der Verlustleistung in Wärme umwandeln. Bei Hochleistungs-LEDs mit Betriebsströmen ab einigen 100 mA aufwärts werden zur Minimierung der Verluste häufig Schaltregler ( Tiefsetzsteller) eingesetzt, welche auf einen konstanten Ausgangsstrom regeln. Schaltregler bieten auch die Möglichkeit, die Flussspannung der LED (bei weißen LEDs 2,5 V bis über 4 V) auch bei Betrieb an einer einzelnen Zelle (Akku, Primärzelle) zu erreichen ( Hochsetzsteller).

Schaltregler haben Wirkungsgrade von oft über 90 % und vermeiden daher die Verluste der vorgenannten Lösungen auch bei hohen Spannungsdifferenzen fast vollständig. Die hohe Schaltfrequenz und die Konstanthaltung des Stroms sorgen dafür, dass so betriebene LEDs für das menschliche Auge dennoch weitestgehend flimmerfrei leuchten. Außerdem kann man mit dafür ausgelegter Elektronik den Betriebsstrom und damit die Helligkeit mittels Pulsweitenmodulation (PWM) steuern. Dafür gibt es auch spezielle integrierte Schaltungen.

Die im Bild rechts dargestellte einfache Schaltung besitzt dagegen keine Stromregelung - der Spitzenstrom, der bei gesperrtem Transistor durch die LED fließt, wird durch die Sättigungsstromstärke der Ferrit-Ringkernspule und/oder die Stromverstärkung des Transistors bestimmt.

Schaltregler haben den Nachteil, dass der grundlegende Aufbau aufwendiger ist und sie Störungen verursachen können, deren Unterdrückung weiteren Aufwand erfordert.

Der Betrieb einer LED an Netzspannung ist mit einem Gleichrichter und einem Vorschaltkondensator möglich. Die Summe der Flussspannungen der in Reihe geschalteten LEDs muss dabei deutlich geringer als die Netzspannung sein, um den Strom innerhalb der Netzspannungstoleranz ausreichend konstant zu halten. Diese oft in Leuchtmitteln angewendete Lösung erfordert zusätzlich einen Widerstand zur Strombegrenzung, der den Gleichrichter beziehungsweise die LED vor dem vom Vorschaltkondensator verursachten Einschaltstromstoß schützt und oft auch als Sicherung fungiert, sowie einen Siebkondensator, um das 100-Hz-Flimmern zu unterdrücken. Nahezu flimmerfreies Licht ist mit dieser Methode nur unter Verlusten und mit großem Siebkondensator zu erreichen. Dimmbarkeit mit Phasenanschnittdimmern ist nicht möglich. Die Stromaufnahme ist wegen der nichtlinearen LED-Kennlinie nicht sinusförmig.

Um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, haben einschlägige Firmen eine Vielzahl von LED-Treibern und Treiber- IC entwickelt, mit denen u. a. folgende Eigenschaften erreicht werden:

Je höher die Spannung der LED-Kette, desto geringer der Strom (bei gleicher Leistung), und desto kleiner und billiger kann der Spannungswandler gebaut werden. Um höhere Spannungen zu erreichen, werden statt eines einzigen blauen LED-Chips mehrere kleinere in ein Gehäuse eingesetzt und in Reihe geschaltet. Inzwischen (Stand 2020) gibt es weiße LEDs mit 36 V Brennspannung und entsprechend vielen Chips im gleichen Gehäuse.

Verbreitet sind LED-Leuchtfaden-Lampen mit Glaskolben, die optisch klassischen Glühlampen nachempfunden sind. Bei einer hinreichenden Anzahl von LED-Leuchtfäden in einem Glaskolben erreicht die in Summe benötigte Diodenspannung fast die Netzspannung, so dass zur Spannungsreduktion ein kleiner Vorschaltkondensator ausreicht.

LED müssen nicht nur vor zu hohem Durchlassstrom, sondern auch vor zu hoher Sperrspannung geschützt werden. Viele Hersteller geben nur 3-5 V maximale Sperrspannung an. Daher müssen LED insbesondere bei Betrieb an Wechselspannung oder bei Verpolung vor zu hoher Sperrspannung geschützt werden. Das kann durch eine antiparallele Diode (das kann auch eine weitere LED sein) erfolgen. LED müssen daher wie auch andere Halbleiterbauelemente vor elektrostatischen Entladungen (ESD) geschützt werden. Sie werden in elektrostatisch ableitenden Verpackungen geliefert und gelagert und dürfen nur mit ESD-Schutzmaßnahmen gehandhabt und verarbeitet werden. Einige LED haben einen eingebauten ESD-Schutz.

Ansteuerung großer Mengen

Soll eine große Anzahl RGB-LEDs individuell gesteuert werden, so erfordert die Ansteuerung mit herkömmlichen Methoden einen hohen Materialaufwand, da jeder einzelne Leuchtpunkt eine eigene Treiberschaltung benötigt. Zur Reduzierung des Aufwands kommen daher bei LED-Wänden Multiplexverfahren zum Einsatz, bei denen die einzelnen Bildpunkte nicht gleichzeitig, sondern in (für das träge menschliche Auge nicht erkennbarer) schneller Abfolge zyklisch angesteuert werden. Somit genügt es, für jede Reihe und jede Spalte nur noch eine Treiberschaltung zu verwenden.

Bei LED-Streifen oder Kunstinstallationen haben sich Module etabliert, bei welchen sich im Gehäuse jeder RGB-LED neben den drei leuchtenden Chips zusätzlich ein digitaler Controller zur Ansteuerung befindet. Über einen seriellen Datenbus können die gewünschten Helligkeitswerte vorgegeben werden. Die Adressierung erfolgt durch die Verbindungsreihenfolge der einzelnen Module ( Daisy Chain).

M. George Craford: Visible Light-Emitting Diodes: Past, Present, and Very Bright Future. In: MRS Bulletin. Band25, Nr.10, 2000, S.27-31, doi:10.1557/mrs2000.200.

Roland Heinz: Grundlagen der Lichterzeugung: von der Glühlampe bis zum Laser, Lampen, Leistungsreduktion, LED, OLED, Laser. 5., erweiterte Auflage. Highlight, Rüthen 2015, ISBN 978-3-937873-05-3.

E. Fred Schubert: Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press, Cambridge 2003, ISBN 0-521-53351-1.

Wiktionary: LED - Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

1. ↑ Forschungserfolg: Erste Gallium-Nitrid-LED-Chips auf Silizium im Pilotstatus. OSRAM-Pressemeldung, 12. Januar 2012, abgerufen am 12. Januar 2012.

2. Nichia Corporation (Hrsg.): ↑ Specifications for white LED NF2W757GT-V1F1 (PDF; 516 kB). Abgerufen am 20. August 2020.

3. Nicha Corporation (Hrsg.): ↑ Specifications for Nichia Chip Type UV LED - Model: NCSU034B (PDF; 391 kB). Abgerufen am 16. Juni 2016.

4. OSRAM, ↑ LED-Lebensdauer: langlebige Lichtqualität, OSRAM, abgerufen am 13. Januar 2013.

5. Phillips LED & OLED 2012 ↑ Prinzip 7 - Die Lebensdauer. (Memento vom 31. Januar 2012 im Internet Archive) (PDF; 1,3 MB). Abgerufen am 13. Januar 2013.

6. ↑ Cree XP-G LED (Memento vom 13. März 2012 im Internet Archive)

7. ↑ Cree Breaks 200 Lumen Per Watt Efficacy Barrier

8. ↑ OSRAM-Fachpresse informiert über Laborrekord: Rote LED knackt 200-lm/W-Marke

9. ↑ GU10/GU5,3 Strahler - keine Lumenangabe und nur Candela, ELVjournal

10. ↑ 300lm/Watt Power-LED (Memento des Originals vom 17. Januar 2015 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.

1. LED: Grundlagen - Applikation - Wirkung. In: licht.de (Hrsg.): licht.wissen. Nr.17. Frankfurt 2018, ISBN 978-3-945220-18-4, S.29.

2. Anja Jaenschke: Basenaddukte des Magnesocens. (PDF 7 MB) Dissertation. Universität Hamburg, 2006, S. 3, abgerufen am 27. November 2022.

3. Chul Soo Kim, William W. Bewley, Charles D. Merritt, Chad L. Canedy, Michael V. Warren, Igor Vurgaftman, Jerry R. Meyer, Mijin Kim: Improved mid-infrared interband cascade light-emitting devices, in Optical Engineering 57(1), 011002 (Januar 2018)

4. Y. Kubota, K. Watanabe, O. Tsuda, T. Taniguchi: Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure. In: Science. Band317, Nr.5840, 2007, S.932-934, doi:PMID 17702939.10.1126/science.1144216,

5. Thomas Jüstel: Optimale Leuchtstoffe für LED-Applikationen. (PDF) In: 9. Tagung: LED in der Lichttechnik, Essen 12.-13. März 2013. Münster University of Applied Sciences / Institut für Optische Technologien, abgerufen am 14. Februar 2018.

6. Tingkai Li, Michael Mastro, Armin Dadgar: III-V Compound Semiconductors: Integration With Silicon-based Microelectronics. CRC Press, Boca Raton, FL 2010, ISBN 978-1-4398-1522-9.

7. Hiroshi Amano, Masahiro Kito, Kazumasa Hiramatsu, Isamu Akasaki: P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation (LEEBI). In: Japanese Journal of Applied Physics. Band28, 1989, S.L2112-L2114, doi:10.1143/JJAP.28.L2112.

8. Bart Van Zeghbroeck: Principles of Semiconductor Devices. 2004 (elektronisches Exemplar hier)

9. LED: Grundlagen - Applikation - Wirkung. In: licht.de (Hrsg.): licht.wissen. Nr.17. Frankfurt 2018, ISBN 978-3-945220-18-4, S.21.

10. Die Beleuchtung mit künstlichem Licht. In: licht.de (Hrsg.): licht.wissen. 01. Auflage. Frankfurt 2016, ISBN 978-3-945220-03-0, S.14.

11. LED: Grundlagen - Applikation - Wirkung. In: licht.de (Hrsg.): licht.wissen. Nr.17. Frankfurt 2018, ISBN 978-3-945220-18-4, S.45.

12. LED-Licht für Flughafenvorfeld. news.ORF.at, Publiziert am 19. Oktober 2011.

13. Ari Ben-Menahem: Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences. Vol. 1. Springer Science & Business Media, 2009, ISBN 978-3-540-68831-0, S.3588.

14. Der erste Licht emittierende Transistor. (Nicht mehr online verfügbar.) In: Spektrumdirekt. 7. Januar 2004, archiviert vom ; abgerufen am 31. Mai 2010.

15. E. Fred Schubert: Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press 2003, ISBN 0-8194-3956-8, S. 8-10 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

16. Pressemitteilung von Nichia im LEDsMagazine.com

17. Statistik aus etwa 400 weißen LED und deren Datenblatt-Angaben; der höchste Wert wird von Cree Typ CMT1925-0000-000N0B0A57E erreicht.

18. Christian Grieger: LM317 als Konstantstromquelle. 18. März 2019, abgerufen am 18. August 2021.

19. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm3447.pdf Datenblatt des LM3447

20. Danny Schreiter: Arduino Kompendium. 2. Auflage. BMU Verlag, Landshut 2019, ISBN 978-3-96645-018-8, S.201.

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Eine Leuchtdiode (kurz LED von light-emitting diode, dt. ‚lichtemittierende Diode', auch Lumineszenz-Diode) ist ein Halbleiter-Bauelement, das Licht ausstrahlt, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt. In Gegenrichtung sperrt die LED den Strom. Somit entsprechen die elektrischen Eigenschaften der LED denjenigen einer Diode.

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