Kondensator (Elektrotechnik)

Schaltzeichen

Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauelement, das im Prinzip aus zwei voneinander isolierten, leitenden Flächen besteht, z.B. zwei Metallplatten oder -folien mit einem Isolator (Luft, Kunststoff) dazwischen. Diesen Isolator nennt man Dielektrikum.

Ladevorgang

Datei:Kondensatoren.JPG

Foto mit verschiedenen Kondensatoren

Infolge der Unterbrechung kann elektrische Ladung durch einen Kondensator nicht hindurch fließen; wenn man ihn aber an eine Spannungsquelle anschließt, fließt dennoch solange Strom, bis die Platten elektrisch aufgeladen sind und keine weitere Ladung annehmen. Dies tritt ein, wenn die Kondensatorspannung U_C genauso groß wie die angelegte Spannung U₀ ist. Die eine Platte ist dann positiv, die andere negativ elektrisch geladen.

Nach dem Anlegen der Quellenspannung gilt für die Spannung U_C zum Zeitpunkt t:

$U_{C}=U_{q}\cdot (1-e^{-{t \over \tau }})$

Im Einschaltmoment stellt der Kondensator einen Kurzschluss dar, deshalb muss ein Kondensator immer über einen Vorwiderstand aufgeladen werden. Es gilt:

$I_{max}={U_{q} \over R}$

Nach dem Anlegen der Quellenspannung gilt für die Stromstärke I_C zum Zeitpunkt t:

$I_{C}=I_{max}\cdot e^{-{t \over \tau }}$

Die Ladezeit des Kondensator ist proportional zur Größe des Vorwiderstandes R und proportional zu seiner Kapazität C. Das Produkt von Vorwiderstand und Kapazität nennt man die Zeitkonstante τ.

$\tau =R\cdot C$

Für die Ladezeit t_L gilt näherungsweise:

$t_{L}=5\cdot \tau$

Entladevorgang

Verbindet man die Platten eines geladenen Kondensators über einen Draht oder einen elektrischen Verbraucher (Lampe, Widerstand), so gleichen sich die Ladungen der Platten aus. Es fließt solange Strom, bis beide Platten wieder elektrisch neutral sind.

Selbstentladung

Ein geladener Kondensator entlädt sich mit der Zeit auch über seinen eigenen Isolationswiderstand R_is.

$\tau _{s}=R_{is}\cdot C$

Die Selbstentladezeitkonstante τ_s ist größer je hochwertiger ein Kondensator ist. Üblich sind Werte zwischen 1000s bis zu 10.000s (s=Sekunden).

Kapazität

Das Fassungsvermögen eines solchen Ladungsspeichers hängt von seinen Abmessungen und dem Material ab und wird als Kapazität (Zeichen: C) bezeichnet. Die Maßeinheit ist das Farad. Ein Farad (1 F) ist die Kapazität eines Kondensators, der beim Anlegen einer Spannung U von 1 Volt eine Ladungsmenge Q von 1 Coulomb speichert:

$C={Q \over U}$

$1\ \mathrm {F} ={1\ \mathrm {C} \over 1\ \mathrm {V} }$

Für einen Plattenkondensator (zwei Metallplatten der Fläche A im Abstand d) berechnet man die Kapazität gemäß:

$C=\varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot {A \over d}$

Darin ist $\varepsilon _{0}$ die elektrische Feldkonstante,

$\varepsilon _{0}=8{,}85487817\cdot 10^{-12}\ {\mathrm {C} \over \mathrm {V} \mathrm {m} }$

$\varepsilon _{r}$ ist eine für das Isolationsmaterial spezifische dimensionslose Materialkonstante, die Dielektrizitätszahl oder Permittivitätszahl.

Feldenergie

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

$W={C\cdot U^{2} \over 2}$

Wechselstromverhalten

Beim Anschluss an Wechselspannung (Spannung mit periodisch wechselnder Polung) werden die Platten eines Kondensators ständig von positiv nach negativ und umgekehrt umgeladen. Dadurch fließt ständig Strom in wechselnder Richtung, jedoch zeitlich versetzt zur Spannung ("Phasenverschiebung"): Es muss zunächst Strom fließen, ehe am Kondensator eine Spannung aufgebaut wird, der Strom ist der Spannung (in der Phase um 90°) voraus.

Durch das gleichzeitige Vorhandensein von Strom und Spannung kann dem Kondensator ein elektrischer Widerstand X zugemessen werden, der jedoch im Gegensatz zu einem Ohmschen Widerstand keine Leistung in Wärme umsetzt ("Verlustleistung"). Man nennt ihn einen "Blindwiderstand". Wenn f die Frequenz der Wechselspannung und C die Kapazität ist, gilt für den Blindwiderstand:

$X={\frac {1}{2\cdot \pi \cdot f\cdot C}}={\frac {1}{\omega \cdot C}}$

Wobei $\omega :=2\cdot \pi \cdot f$ Winkelfrequenz oder Winkelgeschwindigkeit heißt.

Bauformen

Kondensatoren werden häufig nach der Art des Dielektrikums oder der Elektroden unterschieden.

• Keramikkondensator
• Elektrolytkondensator
  • Aluminium-Elektrolytkondensator
  • Tantal-Elektrolytkondensator
• Kunststofffolien-Kondensator
• Metallisierter Kunststoffkondensator

Anwendungen

1. Die Energiespeicherung wird in Stromversorgungsgeräten verwendet, um kurzzeitige Spannungsausfälle zu überbrücken.
2. Die Frequenzabhängigkeit des Blindwiderstandes dient dazu, Signale zu filtern (Hochpass, Tiefpass, Bandpass).

Auch zum Sperren eines bestimmten Frequenzbereiches können Filter verwendet werden.

1. Zusammen mit einer Spule (Induktivität) wird ein Kondensator in einem Schwingkreis verwendet, der eine bestimmte Resonanzfrequenz besitzt.
2. Durch die isolierenden Eigenschaften des Kondensators kann der Gleichspannungsanteil vom Wechselspannungsanteil getrennt werden.
3. Meßverfahren. Durch die Kapazitätsänderung eines mechanisch realisierten Kondensators können Druck, Abstand und Dicke gemessen werden.
4. Da das Laden bzw. Entladen eines Kondensators Zeit in Anspruch nimmt, werden auch einfache Zeitschaltungen mit einem Kondensator realisiert (Bsp.: abfallverzögertes Relais).

Kennzeichnung von Kondensatoren

Bei den Kondensatoren gibt es keine so einheitliche Kennzeichnung wie bei Widerständen. Einige der Möglichkeiten sind unten aufgelistet. Für noch mehr Informationen siehe auch Weblink unten.

• 473: Die ersten beiden Zahlen geben den Wert in PikoFarad an, die dritte, oder auch nicht die Anzahl Nullstellen. Also 473 ist gleich 4 - 7 - 000 pF = 47nF.
• 3n9: Dies ist ziemlich einfach, dass heißt einfach 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 Kapazitätztoleranz von 10% und 250 für die zugelassene Spannung die angelegt werden kann.
• Sehr oft wird auch bei Elektrolytkondensatoren ein in mehrer Ziffern verschlüsselter Datumscode aufgedruckt um das Herstelldatum erkennen zu können.

z.B. 2313 2 = 2002 3 = März 13= 13. Die Codes sind aber immer unterschiedlich von Hersteller zu Hersteller, da leider nur wenige nach der einheitlichen DIN-Norm gehen.

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Verwandte Themen:

• Spule
• Schwingkreis
• Batterie

Siehe auch: Kapazität - Kapazitiv - Spule (Elektrotechnik) - Induktivität - Induktiv

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Web-Links

Kennzeichnung von Kondensatoren