Kondensatoren

Passive Bauteile der Elektrotechnik

Kondensatoren gehören zu den wichtigsten Bauteilen der Elektrotechnik und sind in vielerlei Anwendungen zu finden. Einfach erklärt speichern sie elektrische Ladungen beziehungsweise elektrische Energie. Sie sind wegen ihrer spezifischen Wirkungsweise nicht durch andere Bauteile zu ersetzen, und daher gibt es praktisch keine elektronische Schaltung ohne Kondensatoren.

Kondensatoren sind überall dort im Einsatz ...

• wo Gleichspannung gestützt oder geglättet wird,
• wo Gleichspannung von Wechselspannung getrennt werden muss oder
• wo Schaltungen entstört werden sollen.

Besonders in der Digitaltechnik sind diese Bauteile weit verbreitet – zum Beispiel in Computern.

In diesem Ratgeber finden Sie die wichtigsten Informationen zum Thema Kondensatoren: Funktionen, Aufbau, Kapazitäten und Einsatzbereiche.

Im vielfältigen Sortiment an Kondensatoren bei Bürklin ist für jede Anforderung die passende Ausführung erhältlich und online zu kaufen.

Was sind Kondensatoren?

Kondensatoren können mit Akkus verglichen werden, denn sie speichern Energie in Form von elektrischer Ladung. Im Gegensatz zu Akkus sind sie aber in der Lage, die Ladung viel schneller wieder abzugeben.

Die speicherbare Ladungsmenge wird Kapazität genannt und in Farad (kurz F) gemessen. Die Maßeinheit Farad wird wie folgt definiert: Ein F gibt an, wie viel elektrische Ladung ein Kondensator bei einer Spannung von einem Volt speichern kann. Daher werden Kondensatorenkapazitäten meist in Bruchteilen der Einheit Farad angegeben.

Aufbau von Kondensatoren

Kondensatoren bestehen aus zwei einander gegenüber positionierten Metallplatten (Leiter oder auch Elektroden bzw. Anode und Kathode genannt). Elektrisch voneinander getrennt sind diese in der Regel durch eine isolierende Zwischenschicht, welche Dielektrikum genannt wird. Der Kapazitätswert F und die Spannungsfestigkeit sind von der Wirksamkeit der Leiterflächen, von deren Abstand zueinander und von den Eigenschaften des Dielektrikums abhängig.

Kompensatoren können elektrische Energie speichern, indem sie elektrische Ladungen getrennt halten. Ihre jeweilige Kapazität gibt Auskunft darüber, wie groß das Fassungsvermögen ihres Energiespeichers ist. Technisch gesehen sind Kondensatoren während des Ladevorganges durch Gleichspannung Verbraucher. Voll aufgeladen oder beim Entladen ist dasselbe passive Bauelement eine Spannungsquelle.

Kapazitäten berechnen

In der Berechnung hat die Kapazität als Formelzeichen das große C (vom englischen Wort “capacity“). Die Kapazitätswerte werden in der Regel in µF (Mikrofarad), nF (Nanofarad) oder pF (Pikofarad) angegeben.

Maßeinheiten Farad auf einen Blick:

Farad - 1 F - 1 F - 100 F

Millifarad - 1 mF - 0,001 F - 10-3 F

Mikrofarad - 1 µF - 0,000001 F - 10-6 F

Nanofarad - 1 nF - 0,000000001 F - 10-9 F

Picofarad - 1 pF - 0,000000000001 F - 10-12 F

Die Formel zur Berechnung der Größe F lautet: 1F = A・s / V = C / V

Manchmal kann es nötig sein, auch Ladung (Q), Strom (I), Zeit (t) und Spannung (U) zu berechnen. Hierzu lauten die Formeln:

Q = I・t

Q = C・U

(A = Ampere, s = Sekunde, V = Volt, C = Coulomb)

So funktionieren Kondensatoren

Wird an einen Kondensator Spannung angelegt, entsteht zwischen den beiden Platten ein elektrisches Feld. Eine Platte nimmt positive Ladung auf, die andere negative, und die Ladung ist auf beiden Seiten gleich verteilt. Die Funktion von Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Kondensatoren unterscheidet sich geringfügig.

Funktion bei Gleichspannung

Durch einen Kondensator im Gleichspannungs-Stromkreis fließt so lange Strom, bis das Bauteil voll aufgeladen ist. Dann entspricht der Spannungswert im Kondensator dem der Spannungsquelle. Ab da fließt kein Strom mehr, Ladung und Energie bleiben im Kondensator gespeichert.

Funktion bei Wechselspannung

Im Gegensatz dazu leiten Kondensatoren Wechselströme durch, weil eine fortlaufende Umladung erfolgt. Der Widerstand von Kondensatoren sinkt mit zunehmender Frequenz.

Arten von Kondensatoren

Meist werden Kondensatoren nach ihrer Bauart kategorisiert. Gemäß den nationalen und internationalen Normen unterscheidet man Kondensatoren mit fester Kapazität (Festkondensatoren) und Kondensatoren mit veränderbarer Kapazität (Variable Kondensatoren).

Variable Kondensatoren, die heute noch im Einsatz und relevant sind, werden auch Varaktoren genannt und sind elektrisch-variabel. Variable Kondensatoren können innerhalb definierter Grenzen eingestellt werden. Anders als Festkondensatoren sind sie jedoch keine passiven, sondern aktive Bauelemente.

Festkondensatoren im Überblick

• Keramikkondensatoren: Diese Bauteile aus dünnen Oxidkeramikschichten sind für einen breiten Kapazitätsbereich verfügbar – von wenigen pF bis etwa 47 µF, mit Betriebsspannungen bis zu mehreren tausend Volt. In SMD-Bauform sind sie kompakt, bei hohen Kapazitäten. Sie sind ungepolt und für Wechselspannung geeignet.
• Folienkondensatoren: Diese Variante besteht entweder aus metallbedampften Kunststofffolien oder aus zu Wickeln aufgerollten Metall- und Kunststofffolien, die zusammen die Elektroden und das Dielektrikum bilden. Man kann die preisgünstigen Kondensatoren für Gleich- und Wechselspannungen verwenden. Interessant ist das gute Verhältnis von Baugröße zu Kapazität. Einige Folienkondensatoren haben selbst-wiederherstellende Eigenschaften, sollte es zu einem elektrischen Durchschlag im Dielektrikum kommen.
• Elektrolytkondensatoren: Kondensatoren dieser Bauform haben bei einer geringen Größe eine sehr hohe Kapazität. Sie sind gepolt, also nur für Gleichspannung geeignet. Die Anode besteht aus dünner Aluminiumfolie, das Dielektrikum aus Aluminiumoxid. Elektrolytkondensatoren müssen immer polrichtig angeschlossen werden, sonst fallen sie sofort aus.
• Tantalkondensatoren: Auch diese Bauform verzeiht keine falsche Polung. Diese Bauteile sind im Aufbau den Elektrolytkondensatoren sehr ähnlich und haben eine ebenso gute Kapazität. Das Dielektrikum besteht aus Tantalpentoxid. Tantalkondensatoren der Type SMD sind unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen.
• Superkondensatoren: Bei Superkompensatoren werden höhere Kapazitäten mit niedrigen Betriebsspannungen verbunden. Durch ihren geringen inneren Widerstand vertragen Superkompensatoren relativ hohe Ströme bei der Auf- und Entladung. Diese Bauform ist gepolt und daher nur für Gleichspannung einzusetzen. Weil sie die Ladung lange Zeit halten können, werden Superkondensatoren häufig anstelle von Pufferbatterien verwendet.
• Polymer- & Hybridkondensatoren: Polymerkondensatoren sind für ihre Leitfähigkeit bekannt. Werden Kondensatoren auf Polymerbasis mit Flüssigelektrolyten verbunden, entstehen Hybridkondensatoren. Diese noch junge Technologie wird aufgrund der soliden Lebensdauer ihrer Elemente bei höheren Temperaturanforderungen eingesetzt.

Einsatzbereiche von Kondensatoren

Die Aufgaben von Kondensatoren sind zahlreich, denn diese Bauteile sind in nahezu allen elektronischen Geräten zu finden, einschließlich solcher, die in der Industrie zur Anwendung kommen, wie auch in Hybrid-PKW und in kommerziellen Haushaltsgeräten. Kondensatoren werden eingesetzt ...

• zur Glättung der Restwelligkeit (Hochfrequenzrauschen) in Gleichrichterschaltungen, als Entkopplungskondensatoren,
• um durch ihre gespeicherte Ladung kurzzeitige Einbrüche der Versorgungsspannung zu überbrücken (Stützkondensatoren),
• in Filterschaltungen als Hoch- oder Tiefpass,
• in Schaltnetzteilen als Zwischenkreiskondensatoren,
• in der Energietechnik als Blindleistungskompensation und als Energiespeicher,
• zur schnellen Speicherung und Abgabe von Energie, beispielsweise in einem Blitzgerät (Fotografie),
• in der Telekommunikation zur Signalfilterung, zum Beispiel zur Blockade niederfrequenter Signale.

Schon gewusst? In einem herkömmlichen Smartphone sind mehr als 500 Kondensatoren verbaut.

Nützliche Informationen für Anwender

In der Praxis stellt sich vor dem Einsatz eines Kondensators die Frage nach seiner Kapazität oder seinem Zustand. Es ist daher ratsam, Kondensatoren vor dem Einbau zu prüfen. Ihre Funktionalität kann beispielsweise mit Hilfe eines Multimeters gemessen werden. Das Multimeter oder Vielfachmessgerät erkennt die Kapazität durch Aufladung mit einer bekannten Stromquelle. Wichtig! Da gute Kondensatoren auch nach dem Entfernen der Stromquelle noch aufgeladen sind, muss Folgendes vor der Messung durchgeführt werden:

• Stromversorgung ausschalten!
• Bei Verwendung des Multimeters bestätigen, dass die Stromversorgung ausgeschaltet ist!
• Den Kondensator entladen!

Bei diesem Vorgang sollte entsprechende Schutzkleidung getragen werden.