Gold-Cap / Doppelschicht-Kondensator

Ein Gold-Cap ist ein Doppelschicht-Kondensator und wurde 1972 von der Firma Panasonic entwickelt und 1978 auf den Markt gebracht. Von einigen Herstellern wird er unter der Bezeichnung Super-Cap gehandelt. Die Bezeichnung Gold-Cap ist der Handelsname dieses Kondensators und ein Warenzeichen der Firma Panasonic. Cap ist die Abkürzung für Capacitor (= Kondensator). Das Gold bezieht sich auf die verbale Vergoldung dieses Kondensators. Gold ist in diesem Kondensator nicht enthalten.

Der Doppelschichtkondensator oder Gold-Cap ist eine Mischung aus Batterie und herkömmlichen Kondensator. Er kombiniert Schnelligkeit und seinen großen Energiespeicher zu einem Superkondensator. Von seinen Eigenschaften her ist er zwischen Elektrolytkondensatoren und wiederaufladbaren Akkus angeordnet.

Durch den Doppelschichtkondensator wurden einige Anwendungen erst möglich. Er ist trotz seiner hohen Kapazität besonders klein. Die Spannungsfestigkeit ist nicht besonders hoch. Sie liegt bei wenigen Volt. Der Gold-Cap eignet sich jedoch wegen seiner hohen Kapazität als Überbrückungsspannungsversorgung. In Geräten in denen Daten bei ausgeschaltetem Zustand erhalten bleiben sollen, ist er besonders geeignet.
Die Lebensdauer des Gold-Cap ist auf 8 bis 10 Jahre begrenzt. Die Lebensdauer reduziert sich schneller, wenn die Betriebstemperatur höher liegt als erlaubt. Oder wenn häufig hohe Ströme entnommen werden. Dann tritt mit der Zeit ein Kapazitätsverlust auf. Ein Gold-Cap eignet sich dann am besten, wenn er selten und mit geringem Strom geladen und entladen wird.

Polung

Vom elektronischen Prinzip her hat ein Doppelschicht-Kondensator keine Polarität. Die entsteht bei der Fertigung. Deshalb muss bei der Anwendung auf die Polung geachtet werden. Das Elektrolyt verträgt nur eine geringe Zersetzungsspannung. Bei dauerhafter Falschpolung wird der Gold-Cap zerstört, aber er explodiert nicht.

Aufbau eines Gold-Caps

Der Gold-Cap besteht aus zwei Aktivkohle-Stücken (aktivierter Kohlenstoff). Sie werden durch Oxidation aus Phenolfasern gewonnen und in der passenden Größe ausgeschnitten. Beide Teile werden mit dem Elektrolyten imprägniert und an einer Seite mit einer Aluminiumschicht versehen. Dadurch wird der elektrische Kontakt hergestellt. Das Elektrolyt kann wässrig oder trocken sein. Ein trockenes Elektrolyt ermöglicht eine kleinere Bauform, geringes Gewicht und eine höhere Spannungsfestigkeit. Der Elektrolyt enthält keinerlei toxische Substanzen. Es wird ein organisches Lösungsmittel verwendet (Propylenkarbonat), das für den Menschen und die Umwelt ungefährlich ist.
Die beiden Elektroden werden durch einen Isolator getrennt, damit es zu keinem Kurzschluss kommt. Diese Schicht ist sehr dünn und für Ionen durchlässig. Ein Dielektrikum gibt es nicht. Stattdessen bildet sich an der Grenze von Kohle und Elektrolyt eine elektrische Doppelschicht, die wie ein Dielektrikum wirkt und so als Namensgeber für den Doppelschicht-Kondensator fungiert. Die riesige innere Oberflächen ermöglicht die hohe Kapazität. Das Ganze ist in ein Gehäuse eingesetzt und mit einem Deckel und einer Dichtung fest verschlossen.

Gold-Caps gibt es in unterschiedlichen Bauformen. Neben den Knopfzellen gibt es auch spezielle Gehäuse mit Lötfahnen oder die klassische Becherform mit radialen Anschlüssen.
Der physikalische Aufbau eines Gold-Caps ist mit der Parallelschaltung vieler kleiner Kondensatoren vergleichbar. Beim Ladevorgang wird erst ein Teil der Kondensatoren aufgeladen, die wiederum die weiter hinten liegenden Kondensatoren aufladen. Gerade deshalb ist es wichtig, dass dem Gold-Cap bis zu seiner vollständigen Aufladung ausreichend Zeit gegeben wird. Unter ausreichend sind 10 Minuten bis zu einer Stunde zu verstehen. Ein nur teilgeladener Gold-Cap verliert nach dem Abschalten der Spannungsquelle sofort seine Ladespannung!
Weil ein Gold-Cap nicht überladen werden kann, wird auf eine Ladeschaltung mit Überladeschutz verzichtet. Er wird einfach nur durch das Anlegen einer Konstantspannung geladen, bis er voll ist. Er verhält sich dabei wie ein Kondensator. Auch beim Entladen braucht man sich keine Sorgen machen. So etwas wie Tiefentladung gibt es nicht. Ist der Gold-Cap leer wird seine Lebensdauer dadurch nicht beeinträchtigt.
Zwischen den vielen Einzelkapazitäten befinden sich Reihenwiderstände, die zu einem hohen Innenwiderstand führen. Deshalb schränkt sich die Anwendung dieses Kondensators schnell ein. Der Gold-Cap ist also weder zur Glättung von pulsierenden Gleichspannungen, noch als Koppelkondensator geeignet.

Eigenschaften

Kapazitätsbereich von etwa 50 bis 5.000 F
Spannung liegt zwischen 2,5 und 2,7 Volt
Ströme dürfen kurzzeitig 1 A erreichen
Temperaturbereich zwischen -40°C und +60°C (Außeneinsätze im Winter und im Sommer)
Gewichtsvorteil gegenüber gewöhnlichen Starterbatterien

Weil die Nennspannung zwischen 2,5 und 2,7 Volt liegt, müssen meist mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, um auf die gewünschte Nennspannung zu kommen.

Anwendungen

Pufferung einer elektrischen Zahnbürste (10 F)
Akku für eine Solar-Uhr
Pufferung eines CMOS-RAM
Bereitstellung des Anlassstroms eines Auto-Benzinmotors
solarbetriebene Geräte (50 F)
Rückspeisung im ms-Bereich von Bremsenergie in PKW, LKW und Bahn (kurzzeitig hohe Ströme)

Formel zur Berechnung des Überbrückungszeitraumes

U_Lade = Ladespannung (V)
U_min = minimale Betriebsspannung (V)
C = Kapazität (F)
T = Überbrückungszeitraum (Sek.)
I = Stromaufnahme (A)

Kondensator im Gleichstromkreis

Legt man an einen Kondensator eine Spannung an, dann lädt er sich auf. Die Ladung bis zur höchsten Spannung und auch die Entladung auf 0 Volt läuft nach einer Exponentialfunktion ab. Das heißt, beide Vorgänge sind zeitabhängig, wodurch sich zeitabhängige Funktionen in einer elektronischen Schaltung realisieren lassen.

Kondensator im Gleichstromkreis

Kondensatoren in Schaltungen und Anwendungen

Kennzeichnung von Kondensatoren

Im besten Fall ist ein Kondensator einfach mit der Kapazität, der maximalen Spannung und auch der Toleranz beschriftet. Aufgrund der kleinen Bauformen ist oft wenig Platz. Zu allem Überfluss gibt es verschiedene Verfahren und Systeme, um Kondensatoren zu kennzeichnen und zu beschriften.

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