Bipolarer Elko

In der Frequenzweiche einer Lautsprecherbox findest du oft einen Elko mit dem Aufdruck „BP“ oder „NP“, aber ohne Minusstreifen. Im Klemmkasten einer Kreissäge oder eines Kompressors sitzt ein schwarzer Zylinder mit 100 µF für 230 V Wechselspannung. Beides sind bipolare Elkos: Elektrolytkondensatoren, die in beiden Richtungen Spannung vertragen. Sie schließen eine Lücke, denn ein gewöhnlicher Elko ist gepolt, und ein Folienkondensator mit einigen 10 µF wäre groß und teuer.

Aufbau und Funktionsweise

Ein normaler Aluminium-Elko hat nur eine formierte Folie, die Anode. Ihre Oxidschicht ist das Dielektrikum und hält nur, solange die Anode positiv gegenüber dem Elektrolyten ist (siehe Elektrolytkondensator). Beim bipolaren Elko sind beide Folien formiert und tragen eine Oxidschicht derselben Dicke. Dazwischen liegt wie üblich das mit Elektrolyt getränkte Papier.

Elektrisch sind das zwei Elkos in Reihe, deren Minuspole sich den Elektrolyten teilen. Gleich, wie herum du die Spannung anlegst: Eine der beiden Folien arbeitet als Anode in Durchlassrichtung des Oxids und sperrt. An der anderen liegt das Oxid in Sperrrichtung; dort fällt nur eine kleine Spannung ab, und ein kleiner Leckstrom fließt. Mit der Polarität tauschen die beiden Folien ihre Rollen.

Weil zwei Kapazitäten in Reihe liegen, halbiert sich die Kapazität gegenüber einer einzelnen Folie gleicher Fläche:

Der Hersteller braucht also etwa doppelt so viel formierte Folie. Ein bipolarer Elko ist deshalb bei gleicher Kapazität und Spannung ungefähr doppelt so groß wie ein gepolter.

Zwei gepolte Elkos gegeneinander

Dasselbe Prinzip kannst du mit zwei normalen Elkos nachbauen: Minus an Minus, die beiden Pluspole sind die Anschlüsse. Zwei Elkos mit je 47 µF ergeben 23,5 µF. Mit einem hochohmigen Widerstand von der Mitte zur positiven Versorgung liegen beide Elkos ständig in Durchlassrichtung vor; ohne ihn arbeitet abwechselnd einer in Sperrrichtung, was bei kleinen Spannungen meist gut geht, aber den Leckstrom erhöht. Für neue Schaltungen ist ein echter bipolarer Elko die sauberere Lösung.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist ein Kondensator mit zwei gleichen, offenen Rechtecken und einem Pluszeichen an beiden Elektroden (abgebildet im Artikel Elektrolytkondensator). Viele Schaltpläne zeichnen ihn einfach als ungepolten Kondensator und schreiben „BP“ oder „NP“ zum Wert. Auf dem Bauteil stehen dieselben Kürzel: BP für bipolar, NP für non-polar. Ein Minusstreifen fehlt, bei axialen Typen sind beide Drähte gleich lang. Mehr Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Wichtig ist, was die Nennspannung bedeutet: Bei bipolaren Elkos für Elektronik ist sie eine Gleichspannung in beliebiger Richtung. Eine überlagerte Wechselspannung darf mit ihrem Scheitelwert die Nennspannung nicht überschreiten. Ein Dauerbetrieb an großer Wechselspannung ist trotzdem nicht vorgesehen, weil der ESR den Wechselstrom in Wärme umsetzt. Die Ausnahme sind Motoranlaufkondensatoren, die ausdrücklich für Netzwechselspannung gebaut sind – aber nur für Sekunden.

Bauformen

• Radial und axial wie normale Aluminium-Elkos, meist mit einfarbiger Hülle und dem Aufdruck BP oder NP. Axiale Typen sind in Frequenzweichen beliebt, weil sie sich gut auf Lochrasterplatten und Holzbrettchen kleben lassen.
• SMD-Becher für Audio-Koppelkondensatoren in Kopfhörerverstärkern.
• Motoranlaufkondensatoren: große Kunststoffbecher mit Flachsteckern oder Litzen, beschriftet mit Kapazität, Wechselspannung und der zulässigen Einschaltdauer.

Typische Anwendungen

• Lautsprecher-Frequenzweichen: In Reihe zum Hochtöner sperrt der Kondensator tiefe Frequenzen. Das Musiksignal ist eine Wechselspannung ohne feste Polarität.
• Koppelkondensatoren in Audioschaltungen, wenn die Gleichspannung auf beiden Seiten nicht eindeutig ist, etwa zwischen zwei Stufen mit symmetrischer Versorgung oder am Eingang eines Geräts, an das beliebige Quellen angeschlossen werden.
• Motoranlauf: Ein Einphasen-Asynchronmotor braucht beim Start eine phasenverschobene Hilfswicklung. Der Anlaufkondensator wird nach dem Hochlaufen durch einen Fliehkraft- oder Stromschalter abgetrennt.
• Gegentakt- und Brückenendstufen, in denen ein Koppelkondensator je nach Betriebszustand mal positiv, mal negativ vorgespannt ist.

Frequenzweiche für einen Hochtöner

Ein einfacher Hochpass erster Ordnung besteht aus einem Kondensator in Reihe zum Hochtöner. Mit der Nennimpedanz R des Lautsprechers liegt die Trennfrequenz bei f_g = 1 / (2π · R · C) (siehe RC-Glied), umgestellt:

Den Zusammenhang zwischen Kapazität, Frequenz und Blindwiderstand rechnest du hier nach:

Motoranlaufkondensator

Anlaufkondensatoren sind bipolare Elkos für 230 V Wechselspannung mit 50 bis einige 100 µF. Sie halten den Wechselstrom aber nur kurz aus. Die Beschriftung nennt deshalb eine Einschaltdauer, etwa „1,7 %“ bei 3 s Einschaltzeit. Bleibt der Fliehkraftschalter hängen, wird der Kondensator innerhalb von Sekunden bis Minuten heiß und platzt. Für den Dauerbetrieb (Betriebskondensator) nimmt man einen Folienkondensator.

Auswahl und Praxistipps

Ein bipolarer Elko ist die Wahl, wenn du viel Kapazität ohne feste Polarität brauchst und der Wechselstrom klein bleibt. Fließt nennenswerter Strom, wie in der Weiche einer großen Box oder am Motor im Dauerbetrieb, ist ein Folienkondensator besser: kleinerer ESR, kaum Alterung, engere Toleranz. Liegt an einer Stelle eine eindeutige Gleichspannung an, nimmst du einen normalen, gepolten Elko – er ist kleiner und billiger.

Häufige Fehler:

• Bipolarer Elko als Ersatz für einen Betriebskondensator: Am Motor im Dauerbetrieb überhitzt er. Nur Anlaufkondensatoren dürfen Elkos sein.
• Unnötig bipolar: Ein Koppelkondensator zwischen einem Ausgang mit 2,5 V und einem Eingang mit 0 V hat eine klare Polarität; ein gepolter Elko mit Plus an 2,5 V genügt.
• Toleranz vergessen: ±20 % verschieben die Trennfrequenz einer Weiche um bis zu einem Viertel. Für eine fein abgestimmte Box misst du die Kondensatoren aus (siehe Kapazität messen) oder nimmst Folie.
• Alterung in alten Lautsprecherboxen: Nach Jahrzehnten ist der Elektrolyt ausgetrocknet, die Kapazität gesunken und der ESR gestiegen. Die Höhen klingen dumpf. Tausch die Weichenkondensatoren gegen Folie oder neue bipolare Elkos.

Selbsttest