Spis treści:
- 1 Wie funktioniert der Kondensator?
- 2 Anwendungen von Kondensatoren in der Elektrizität und darüber hinaus
- 3 Was ist ein Kondensator? Wofür wird ein Kondensator verwendet?
- 4 Polarität von Elektrolytkondensatoren, oder wie man sie anschließt, um eine Explosion zu vermeiden
- 5 Aufladen und Entladen eines Kondensators – wie wird ein Kondensator angeschlossen?
- 6 Verbindung von Kondensatoren
- 7 Kondensator – wozu wird er verwendet? Filterung von Stromversorgungen
- 8 Wie wählt man einen Kondensator für eine Stromversorgungsschaltung aus?
- 9 Kondensator – Wozu wird er verwendet? – Signalfilterelement
- 10 LC-Schaltungen – Spulen und Kondensatoren
- 11 Kondensatoren – Zusammenfassung
- 12 Kondensatoren – FAQ
Wie funktioniert der Kondensator?
Im Laufe der Jahrzehnte der Elektronikentwicklung sind Tausende von Gruppen und Varianten elektronischer Bauteile auf den Markt gekommen Im Laufe der Jahrzehnte der Elektronikentwicklung sind Tausende von Gruppen und Varianten elektronischer Bauteile auf den Markt gekommen. Einige von ihnen sind geradezu exotisch, werden nur in genau definierten, engen Anwendungsbereichen eingesetzt und sind nur für bestimmte Unternehmen erhältlich. Andere wiederum bilden die Grundlage, ohne die keine elektronische Schaltung, auch nicht die einfachste, denkbar ist. Zur letztgenannten Gruppe gehören zweifellos die Kondensatoren, die dritte Untergruppe – die neben den Widerständen und Drosseln auch als passive Bauelemente bezeichnet werden.
Anwendungen von Kondensatoren in der Elektrizität und darüber hinaus
Diese Elemente sind vielseitig einsetzbar. Die Einsatzmöglichkeiten von Kondensatoren sind so breit gefächert, dass es unmöglich ist, alle möglichen Einsatzszenarien aufzuzählen. Eine solche Aufzählung wäre auch nicht sehr sinnvoll – daher werden wir in diesem Artikel statt einer Liste von Anwendungen die in der Praxis am häufigsten vorkommenden Arbeitsweisen von Kondensatoren vorstellen. Denn nichts veranschaulicht die Eigenschaften eines Elements besser als Anwendungsbeispiele aus der Praxis. Möchten Sie wissen, welche Arten von Kondensatoren es gibt? Dann lesen Sie weiter!
Was ist ein Kondensator? Wofür wird ein Kondensator verwendet?
Was ist ein Kondensator? Laut Definition handelt es sich um ein elektrisches oder elektronisches Bauteil, das aus einem Paar von Leitern, den sogenannten Platten, besteht, die durch ein Dielektrikum getrennt sind.
Der Aufbau und das Funktionsprinzip eines Kondensators sind relativ einfach: Zwei Ebenen von Leitern (in der Regel Metall), fachmännisch Deckplatten genannt, werden durch eine dünne Schicht Dielektrikum (Isolator) getrennt. Wenn eine Gleichspannung an sie angelegt wird, sammeln sich Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen auf den jeweiligen Platten – dies ist die Wirkung des homogenen elektrischen Feldes, das zwischen ihnen entsteht. Wenn der Kondensator von der Spannungsquelle getrennt wird, bleiben die auf den Platten angesammelten Ladungen erhalten – man spricht von einem geladenen Kondensator.
Ein Maß für die Ladungsmenge, die ein Kondensator speichern kann, ist seine Kapazität. Sie wird in Farad (F) angegeben, obwohl die meisten Kondensatoren viel kleinere Kapazitäten haben, in der Größenordnung von Billionstel (pF – Picofarad), Milliardstel (nF – Nanofarad) oder Millionstel (uF – Mikrofarad) einer Grundeinheit. Stellt man sich einen Kondensator als zwei flache, parallele Metallplatten mit Oberflächen S vor, die im Abstand d zueinander angeordnet sind, so lässt sich die Kapazität C des Kondensators nach folgender Formel berechnen:
C = ε0 εr S / d
wobei die Konstante ε0 die so genannte dielektrische Durchlässigkeit des Vakuums ist (entspricht etwa 8,85 * 10-12 F/m) und εr die relative dielektrische Durchlässigkeit des verwendeten Dielektrikums ist. Wie man sieht, kann man die Kapazität eines Kondensators beeinflussen, indem man drei Parameter verändert: die Oberfläche der Platten, den Abstand zwischen ihnen und die Permeabilität des Isolators. Wenn wir einen Kondensator mit einer hohen Kapazität wollen, sollten wir große Platten verwenden, den Abstand zwischen ihnen verringern und ein möglichst “gutes” Dielektrikum verwenden. Allerdings gibt es nichts umsonst: Wenn man die Oberfläche der Platten vergrößert, vergrößert sich zwangsläufig auch die Größe des Kondensators, und wenn man den Abstand zwischen den Platten verringert, verringert sich die maximale Spannung, mit der der Kondensator arbeiten kann. Bei einer sehr dünnen dielektrischen Schicht reicht schon eine geringe Spannung aus, um den dünnen Isolator zu durchstoßen und einen Kurzschluss oder – einfacher ausgedrückt – eine irreversible Beschädigung des Kondensators zu verursachen.
Aufbau eines Kondensators
Kondensator – Aufbau: Wie sind die Konstrukteure von Kondensatoren mit diesen Problemen umgegangen? Bei den so genannten Folienkondensatoren bestehen die Abdeckungen aus langen Streifen dünner Metallfolie, die durch einen ebenso langen und dünnen Streifen Folie aus geeignetem Kunststoff getrennt sind. Die zusammengesetzten Komponenten werden dann fest zusammengewickelt, um – nach dem Verbinden der Anschlüsse (Drähte) und dem Fluten des Ganzen mit einem speziellen Harz – das Endprodukt, einen hochwertigen Kondensator, zu bilden.
Elektrolytkondensatoren haben einen etwas anderen Aufbau – ihre Kapazität ist um ein Vielfaches höher, weil die Rolle des Dielektrikums von einer chemisch hergestellten, dünnen Oxidschicht auf der Oberfläche eines der Platten übernommen wird. Die Rolle der zweiten Platte übernimmt der Elektrolyt, der das Oxid bedeckt und die Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und dem zweiten Aluminiumfolienstreifen bildet.
Aufgrund der extrem geringen Dicke des Oxids und der großen Oberfläche der Abdeckungen (die durch chemisches Ätzen der Metallfolie erreicht wird) sind die Kapazitäten von Elektrolytkondensatoren sehr hoch – eine allgemeine Faustregel besagt, dass bei zwei Kondensatoren mit ähnlichem Volumen, die sich in ihrer Kapazität unterscheiden, der Kondensator mit der größeren Kapazität in der Regel eine niedrigere zulässige Betriebsspannung aufweist.
Kondensator – Symbol: Beachten Sie, dass das Symbol für einen Kondensator in elektrischen Schaltplänen in der Regel zwei senkrechte, parallele Striche sind.
Kondensator-Symbol
Denken Sie daran, dass das Kondensatorsymbol in elektrischen Schaltplänen meist aus zwei vertikalen, parallelen Strichen besteht. Je nach Typ können sie wie folgt aussehen:
- fester nicht gepolter Kondensator
- gepolter Kondensator (Elektrolytkondensator)
- Dreh-/Abstimmkondensator/Trimmer
- Abstimmkondensator/Trimmer
Kondensator-Typen
Kondensator – Typen: Die bereits erwähnten Folienkondensatoren zeichnen sich durch eine gute Stabilität der Parameter (vor allem der Kapazität) aus und können auch bei hohen Spannungen (in der Größenordnung von mehreren hundert Volt) arbeiten. Aus diesem Grund werden sie hauptsächlich in Netzstromkreisen eingesetzt. Die Kapazitäten von Folienkondensatoren reichen von etwa 1 nF bis zu einem Maximum von einigen zehn Mikrofarad.
Elektrolytkondensatoren bieten sehr hohe Kapazitäten (von einzelnen Mikrofarad bis zu mehreren Dutzend Farad – im letzteren Fall spricht man von sogenannten Superkondensatoren). Der Preis dafür sind jedoch in der Regel entweder beträchtliche Abmessungen oder eine niedrige Höchstspannung. Diese Arten von Kondensatoren haben eine eher geringe Kapazitätsgenauigkeit (oft in der Größenordnung von +/- 20 %) und weisen eine recht große Schwankung dieses Parameters in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, der Betriebsspannung und… der Zeit auf, d. h. – einfach ausgedrückt – sie neigen zur Alterung. Wir unterscheiden zwischen zwei Hauptgruppen von Elektrolytkondensatoren: Aluminium (billiger, aber mit etwas schlechteren Parametern) und Tantal (teuer, aber hochwertig). Es ist erwähnenswert, dass führende Kondensatorhersteller ständig an neuen Kondensatortypen arbeiten, die ähnlich aufgebaut sind wie die derzeit verwendeten Komponenten, aber noch bessere elektrische Parameter bieten. Elektrolytkondensatoren sind sowohl als durchkontaktierte (THT) als auch als oberflächenmontierte (SMD) Bauteile erhältlich. Die schematische Bezeichnung eines Elektrolytkondensators unterscheidet sich von der anderer Kondensatortypen durch die so genannte Polarität – darauf gehen wir später in diesem Artikel näher ein.
Die dritte (neben den oben erwähnten) Gruppe der am häufigsten verwendeten Kondensatoren sind Keramikkondensatoren. Ihr Aufbau ähnelt dem der Folienkondensatoren, wobei die Beläge wegen der Sprödigkeit der Keramik natürlich nicht spiralförmig gewickelt, sondern sozusagen “parallel” in Form eines mehrlagigen “Sandwiches” angeordnet sind. Diese Kondensatoren zeichnen sich durch die geringsten Kapazitäten unter den oben genannten Arten von Elementen aus (von einem Picofarad bis zu mehreren Mikrofarad), haben aber andere Eigenschaften, die aus praktischer Sicht sehr vorteilhaft sind: Sie bieten eine gute (oder sogar ausgezeichnete) Temperaturstabilität, eine geringe Kapazitätstoleranz (d. h. sie halten” genau die vom Hersteller angegebene Nennkapazität) und geringe Verluste. Auch hier gibt es Kondensatoren sowohl in Durchsteck- als auch in Aufbaugehäusen. Da Keramikkondensatoren – wie auch Folienkondensatoren – keine spezifische Polaritätsbezeichnung haben, unterscheidet sich ihr Symbol nicht von dem der Folienkondensatoren.
Polarität von Elektrolytkondensatoren, oder wie man sie anschließt, um eine Explosion zu vermeiden
Ja, es stimmt – ein Elektrolytkondensator (insbesondere größerer Bauart) kann bei unsachgemäßer Verwendung explodieren. Es gibt zwei wesentliche Schaltungsszenarien, die Elektrolytkondensatoren “hassen”. Das erste ist, wie bei jedem Kondensator (und nicht nur), das Überschreiten der maximalen Betriebsspannung. Elektrolytkondensatoren sind aufgrund der bereits erwähnten sehr geringen dielektrischen Dicke besonders “empfindlich” gegenüber dieser Überschreitung. Während ein Kondensator, der mit einer zu hohen Spannung behandelt wird, in der Regel einen internen Kurzschluss erleidet (was de facto zu schweren Schäden in der gesamten Schaltung führen kann), ist es noch weniger ratsam, Elektrolytkondensatoren an Spannungen mit entgegengesetzter Polarität anzuschließen, als durch die Anschlussmarkierungen auf den Gehäusen dieser Elemente angegeben.
Diese “Empfindlichkeit” von Elektrolytkondensatoren ist auf das Verhalten des flüssigen Elektrolyts zurückzuführen – die entgegengesetzte Spannung bewirkt eine rasche Gasentwicklung, die, wenn sie die Festigkeitsgrenze des Kondensatorgehäuses überschreitet, zur Explosion des Kondensators führen kann. Aus diesem Grund sollten Elektrolytkondensatoren nicht in Bereichen der Schaltung eingesetzt werden, in denen die Polarität der Spannung unterschiedliche Vorzeichen erreichen kann (dies gilt vor allem für Wechselspannungen). Am Rande sei bemerkt, dass es zwar spezielle Elektrolytkondensatoren gibt, die für den Einsatz in Schaltungen mit variabler Polarität geeignet sind (sowie Techniken für die korrekte Verwendung klassischer “Elektrolyte” in ihnen) – in den meisten Fällen ist es jedoch möglich, mit dem Schaltungsentwurf ohne derartige Erfindungen auszukommen.
Aufladen und Entladen eines Kondensators – wie wird ein Kondensator angeschlossen?
Theoretisch sollte ein Kondensator seinen Ladezustand beliebig lange beibehalten, solange er nicht an eine Last angeschlossen ist, die einen Stromfluss und damit eine Entladung des Kondensators zur Folge hätte (die Spannung zwischen den Platten des Kondensators fällt auf Null). Wie in der Praxis üblich, ist keine Situation ideal.
Ein Kondensator, selbst wenn er vollständig vom Rest des Systems getrennt ist, wird nach einiger Zeit eine so genannte Selbstentladung erfahren – dies ist auf die nicht idealen Eigenschaften des Dielektrikums zurückzuführen, durch das immer ein gewisser (vernachlässigbarer, aber dennoch) Strom fließen kann. Das Ausmaß dieses Phänomens hängt von der Art des Dielektrikums und dem Aufbau des Kondensators ab.
Wird der Kondensator dagegen an eine Last (z. B. einen Widerstand) angeschlossen, sinkt die Spannung an ihm ab, und die Dauer des Spannungsabfalls hängt vom Wert des Entladestroms ab. Je größer der (äquivalente) Widerstand der Last oder die Kapazität des Kondensators ist, desto länger ist die Entladezeit bis zu einem bestimmten Wert. Da diese Arbeitsweise (Laden und Entladen über einen Vorwiderstand) in praktischen Schaltungen sehr häufig vorkommt, ist es nützlich, sich eine hilfreiche Formel zu merken:
τ = RC
wobei τ die so genannte Zeitkonstante ist, die die Zeit angibt, in der die Spannung um etwa 63,2 % des Maximalwerts abfällt (beim Entladen) oder ansteigt (beim Laden). Wird beispielsweise ein 100 uF-Kondensator durch einen 20 kΩ-Widerstand mit einer Spannung von 10 V aufgeladen, so ist nach einer Zeit, die der Zeitkonstante τ entspricht:
τ = 100 * 10^-6 * 20 * 10^3 = 2 s
erreicht die Spannung am Kondensator 63,2 % der Versorgungsspannung, d. h. 6,32 V.
Es ist zu beachten, dass die (Ent-)Ladung des Kondensators durch den Widerstand stark unlinear ist. Genauer gesagt haben die Spannungswellenformen (und auch die Ströme) die Form einer Exponentialkurve. In einigen Systemen ist es jedoch möglich, einen linearen (gleichmäßigen) Anstieg oder Abfall der Spannung am Kondensator zu erreichen – dies ist möglich, wenn eine Stromquelle direkt mit dem Kondensator verwendet wird. Auf diese Weise funktionieren einige Generatoren und Impulsformungssysteme.
Verbindung von Kondensatoren
Wie Widerstände können auch Kondensatoren sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden. Bei einer Parallelschaltung ist die resultierende (Ersatz-)Kapazität der Schaltung die Summe der einzelnen Kapazitäten, d. h:
Cw = C1 + C2 + … Cn
Die Kapazität einer Reihenschaltung lässt sich dagegen nach folgender Formel berechnen:
Cw = 1 / (1/C1 + 1/C2 + … 1/Cn)
Es sei darauf hingewiesen, dass die Form der oben genannten Formeln genau umgekehrt ist wie bei der Verbindung von Widerständen (wo die Reihenschaltung die Summe der Einzelwiderstände ergibt).
Kondensator – wozu wird er verwendet? Filterung von Stromversorgungen
Eine der grundlegendsten, einfachsten und zugleich häufigsten Arbeitsweisen von Kondensatoren sind das Filtern und die Entkopplung von Stromversorgungen. Die Filterung der Spannung oder – einfacher ausgedrückt – die “Glättung” der Versorgungsspannung wird durch die Kapazität des Kondensators ermöglicht. Ein geladener Kondensator, der parallel zur Versorgungsspannung eines Stromkreises oder eines Teils eines Stromkreises geschaltet ist, ist in der Lage, schnell die erforderliche Energiemenge abzugeben, wenn der Versorgungsstrom des betreffenden Stromkreises zu einem bestimmten Zeitpunkt ansteigt. Kleine Keramikkondensatoren sind besser in der Lage, kleine, aber sehr schnelle Änderungen zu bewältigen, während große Elektrolytkondensatoren kleine, schnelle Änderungen nicht “sehen” können, aber viel leichter in der Lage sind, eine kurzzeitige Unterbrechung der Stromversorgung während eines Stromausfalls zu bewältigen.
Aus diesem Grund wird in Stromversorgungsschaltungen eine Parallelkombination dieser beiden Kondensatortypen verwendet. Entkopplung ist ein allgemeiner Begriff für Methoden, mit denen einzelne Blöcke eines Geräts so “getrennt” werden, dass Störungen, die von einem Schaltkreis erzeugt werden, nicht über die Stromversorgungsschienen auf den anderen übertragen werden. Die grundlegende Methode der Entkopplung besteht darin, Keramikkondensatoren in der Nähe der Stromversorgungsanschlüsse von ICs anzubringen.
Wie wählt man einen Kondensator für eine Stromversorgungsschaltung aus?
Die in der Praxis am häufigsten verwendeten Kondensatoren sind Keramikkondensatoren in der Größenordnung von 47…100 nF (Entkopplung und Hochfrequenzfilterung) und Elektrolytkondensatoren, deren Kapazität von der Stromaufnahme abhängt. Für die meisten Mikrocontroller reichen beispielsweise lokale Elektrolytkondensatoren in der Größenordnung von 10uF aus, während in Stromversorgungsschaltungen für große Audioverstärker, leistungsstarke Kondensatorbänke mit Kapazitäten von mehreren tausend Mikrofarad verwendet werden.
Kondensator – Wozu wird er verwendet? – Signalfilterelement
Wenn Sie einen Widerstand und einen Kondensator zur Hand haben, können Sie mit diesen beiden Elementen leicht recht anständige, wenn auch einfache Filter bauen, mit denen Sie die Frequenzcharakteristik von Signalen formen können. Interessant und wichtig ist, dass die Funktionsweise des Filters von der Verbindung der beiden Elemente abhängt, während die elektrischen Parameter vom Widerstand des Resistors und der Kapazität des Kondensators abhängen. Ein Hochpassfilter lässt Signale mit Frequenzen (ungefähr) oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz zu, die sich nach folgender Formel berechnen lässt:
f [Hz] = 1 / (2 pi R[Ω] C[F])
Ein Tiefpassfilter hingegen “schneidet” (d. h. dämpft) hochfrequente Signale ab, während die Gleichspannung und die Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz (de facto durch dieselbe Formel wie bei einem Hochpassfilter definiert) unverändert bleiben.
Dank der Möglichkeit, die Eigenschaften von RC-Filtern nahezu beliebig zu gestalten, sind diese Schaltungen in nahezu der gesamten Elektronik weit verbreitet.
LC-Schaltungen – Spulen und Kondensatoren
Kondensatoren sind Teil von LC-Schaltungen – die Kombination aus einer Induktivität und einem Kondensator hat nämlich besonders interessante Eigenschaften. Die Parameter einer solchen Schaltung (sowohl in Reihe als auch parallel) ändern sich ebenfalls – wie die einer RC-Schaltung – mit der Frequenz des Signals, allerdings auf ganz andere Weise. So erhöht sich beispielsweise die Impedanz einer Parallelschaltung bei Signalen mit der so genannten Resonanzfrequenz deutlich, während sie bei anderen Bandbreiten abnimmt. LC-Schaltungen waren früher in vielen Geräten, insbesondere in Funkschaltungen, sehr beliebt. Heute werden solche Schaltungen aufgrund des hohen Integrationsgrades von Sender-Empfänger-Schaltungen in viel geringerer Zahl verwendet, obwohl sie immer noch ein äußerst wichtiger Bestandteil der HF-Schaltungen sind.
Kondensatoren – Zusammenfassung
Es ist unmöglich, in einem kurzen Artikel auch nur einen wesentlichen Teil der klassischsten Anwendungen von Kondensatoren zu behandeln. Mit einem grundlegenden Verständnis der Typen, der Anschlussmöglichkeiten und der Funktionsweise von Kondensatoren können Sie jedoch mit Experimenten beginnen, die Ihnen, wie in allen Fällen, eine Erfahrung aus erster Hand vermitteln, wie diese nützlichen Elemente funktionieren.
