Kondensator (Elektrotechnik)

Beim Drehkondensator wird das Prinzip der gegenüberliegenden Platten besonders deutlich

Ein Kondensator (v. lat.: condensus: „dichtgedrängt“, bezogen auf die Ladungen) ist ein elektrisches Bauelement zur Speicherung von Energie in einem elektrischen Feld. Im einfachsten Fall besteht er aus zwei einander gegenüberstehenden Metallplatten mit einem dazwischen liegenden Luftspalt. Werden die Platten mit den Polen einer Spannungsquelle verbunden, so fließt ein mit der Zeit exponentiell abnehmender elektrischer Strom. Dabei wird eine Platte positiv, die andere negativ geladen. Die Ladung eines Kondensators bleibt erhalten, wenn er von der Stromquelle getrennt wird.

In der praktischen Ausführung wird das Prinzip der gegenüberliegenden Platten in vielfacher Abwandlung, beispielsweise als aufgewickelte Folien mit zwischenliegenden Isolatormaterialien ("Dielektrikum") ausgeführt, um eine möglichst kleine Bauweise zu erreichen. Die "Kapazität" eines Kondensators ist sein wesentlichstes Merkmal und stellt ein Maß für die Ladung dar, die er bei einer bestimmten angelegten Spannung speichern kann. Kondensatoren werden in elektrischen Schaltungen für vielfältige Zwecke verwendet.

Michael Faraday machte darauf aufmerksam, dass zwischen einem gewöhnlichen Leiter und einer Leidener Flasche (dem erstmals ausgeführten Kondensator) kein prinzipieller Unterschied besteht. Wird ein Leiter frei in der Luft gehalten und beispielsweise positiv geladen, so werden an den umgebenden Leitern, etwa den Wänden eines Zimmers, durch Influenz die negativen Ladungen angezogen, die positiven in die Erde abgeleitet. Die Zimmerwände bilden dann gewissermaßen die äußere Belegung der Flasche, die zwischenliegende Luft die isolierende Schicht. Diese Kondensator-Eigenschaft wird jedes Mal sichtbar, wenn jemand beispielsweise beim Berühren einer Türklinke einen elektrischen Schlag erhält.

Neben dem Kondensator als "diskretem Bauelement" haben zahlreiche andere Gegenstände oder Einrichtungen unserer Umwelt Kondensator-Eigenschaften. So wirken beispielsweise Seekabel mit ihren zwei (oder mehr) metallischen Leitern ihrer gewaltigen Ausdehnung wegen wie Kondensatoren. Beim früher üblichen Gleichstrombetrieb in der Telegrafie musste sich bei jedem Impuls zunächst die gesamte Oberfläche der Kabelleiter aufladen, bevor am anderen Ende das Signal empfangen wurde. Telegrafieren wurde dadurch wesentlich verlangsamt.

Geschichtliche Anfänge

Die Leidener Flasche ist die älteste Bauform eines Kondensators. Sie besteht aus einem Glasgefäß, das innen wie außen mit Metall belegt ist. Das Glas wirkt als Isolator. Das Prinzip der Leidener Flasche wurde unabhängig voneinander 1745 von dem Domdechanten Ewald Jürgen Georg von Kleist in Cammin (Pommern) und ein Jahr später von dem Physiker Pieter van Musschenbroek in Leyden gefunden, als sie bei Laborversuchen mit Anordnungen von Gläsern und Metallteilen elektrische Stromschläge erlitten.

Die Leidener Flasche und ähnliche Laborgeräte wurden in der Folge vornehmlich zur publikumswirksamen Demonstration von Stromschlägen (auch als "Kleist'scher Stoß" bekannt geworden) eingesetzt, bei später zunehmenden Kenntnissen über das Wesen der Elektrizität auch als Stromquelle für fortgeschrittenere Laborexperimente. Da sie eine besonders hohe Spannungsfestigkeit haben, werden Leidener Flaschen heute noch für Hochspannungs-Experimente eingesetzt.

Heutzutage lassen sich Leidener Flaschen aus PET-Flaschen aufbauen, womit gegenüber Glasflaschen wesentlich verbesserte Eigenschaften erzielbar sind.

Anwendungen

Zeitverzögerung Eine häufige Anwendung von Kondensatoren ist die Zeitverzögerung oder Zeitschaltung. Im einfachsten und anschaulichsten Fall liefert hier ein geladener Kondensator nach dem Abschalten der Energiezufuhr noch eine Zeit lang elektrischen Strom, so dass die Beendigung der Schaltungsfunktion hinausgeschoben wird oder kurzzeitige Spannungsausfälle überbrückt werden.

Energiespeicher Ein weiterer Anwendungsbereich ist als Zwischenkreiskondensator in Schaltnetzteilen und Umrichtern der Leistungselektronik. Hierbei übernimmt eine Schaltung (z.B. Gleichrichter, Vierquadrantensteller) die Gleichrichtung von Wechselstrom. Dieser Schaltungsteil agiert als Stromquelle. Ein zweiter Schaltungsteil agiert als Senke (z.B. Wechselrichter, Tiefsetzsteller). Der Zwischenkreiskondensator hat die Aufgabe, den "welligen" Spannungsverlauf des Stroms zu "glätten", der sich durch Ladung und Entladung ergibt. Der Kondensator fängt, bildhaft ausgedrückt, Ladungsüberschüsse während des Ladens auf und gibt sie während der Entladung wieder ab. Damit ist eine Koppelung von Netzen unterschiedlicher Frequenz möglich.

Auffangen von Schaltstromspitzen In ähnlicher Weise arbeiten Kondensatoren zur Stützung der Versorgungsspannung in hochfrequenten und komplexen digitalen Schaltungen. Hier wird zu jedem IC oder Schaltungsabschnitt ein oder mehrere Kondensatoren parallel zur Versorgungsspannung geschaltet, die als Spannungs- oder Energiequelle in Momenten hohen Strom- bzw. Leistungsbedarfs wirken. Durch ihre niedrige Impedanz bei hohen Frequenzen verringern sie die Impedanz der ursprünglichen Spannungsversorgung oder deren Zuleitung und bewirken eine gegenseitig unbeeinflusste Energieversorgung der Teilschaltungen.

Abblocken von Spannungsspitzen Umgekehrt können Kondensatoren schädliche, zeitlich begrenzte Überspannungen in elektronischen Schaltungen aufnehmen und so ihre Ausbreitung und schädliche Wirkung vermindern. Man nennt dies Abblockung.

Phasenverschiebung Durch ihr "träges" Lade- und Entladeverhalten erzeugen Kondensatoren bei Anschluss an Wechselstrom eine Phasenverschiebung zwischen den periodischen Verläufen von Spannung und Strom. Damit lässt sich zusammen mit anderen Bauteilen ein magnetisches Drehfeld erzeugen. So kann man einfache Kondensatormotoren bzw. zweiphasige Asynchronmotoren betreiben.

Blindstromkompensation Die Erscheinung der „Phasenverschiebung“ kommt auch bei dem „funktionalen Gegenpol“ der Kondensator-Kapazität vor, der Induktivität, jedoch hier genau entgegengesetzt. Bei zahlreichen Motoren mit großer Induktivität in Industrieanlagen führt dies zu erheblich größeren Strömen im Versorgungsnetz. Dies kann durch die Zuschaltung von Kondensatoren mit gleich großem Wechselstromwiderstand (Impedanz) ausgeglichen werden. Man nennt das Blindstromkompensation.

Hoch- oder Tiefpassfilter Die Frequenzabhängigkeit des Wechselstromwiderstands wird benutzt, um Wechselspannungs-Signale frequenzabhängig zu „filtern“. Am bekanntesten ist das RC-Glied, das je nach Schaltung als Hoch- oder Tiefpass wirkt.
- Ein Koppelkondensator dient dazu, Gleich- und Wechselstromanteile zu trennen. Das ist u.a. nötig, um den Arbeitspunkt bei Analog-Verstärkern einstellbar zu halten.
- Zusammen mit einer Spule (Induktivität) werden Kondensatoren auch für Schwingkreise, Bandfilter und Frequenzweichen verwendet. Es ergibt sich eine bestimmte Resonanzfrequenz oder ein Hoch- bzw. Tiefpassverhalten. Beispiel: Frequenzweiche in Lautsprechern.

Digitale Speicher Der Ladungszustand eines Kondensators kann Information repräsentieren. Zur Speicherung größere Informationsmengen können einige Milliarden Kondensatoren in einer integrierten Schaltung zusammengefasst werden. Beispiele hierfür sind Dynamisches RAM, Eraseable Programmable Read Only Memory, Flash-Speicher und in ähnlicher Funktionsweise Ferroelectric Random Access Memory.

Kondensatormikrofon Bei einer Änderung des Abstandes der „Platten“ des Kondensators ändert sich auch die Kapazität und damit auch der elektrische Wechselstromwiderstand bzw. in Verbindung mit einer Spule die Resonanzfrequenz. Auf diese Weise können Kondensatoren für die Messung von Druck, Abstand und Dicke sowie auch in Mikrofonen (Kondensatormikrofon) eingesetzt werden.

Röntgen-Belichtungsmessung Die meist störende Eigenschaft des Dielektrikums, unter Einfluss von ionisierender Strahlung seine Leitfähigkeit zu erhöhen, wird bei der Belichtungssteuerung von Röntgenfilmen genutzt. Dazu liegt im Strahlengang ein Kondensator, der vor der Aufnahme eine der Filmempfindlichkeit proportionale Ladung erhält. Sobald die Ladung während der Aufnahme einen bestimmten Wert unterschreitet, wird die Belichtung abgebrochen. Für die Kondensatorplatten wird dabei Kupfer verwendet, da zur Eingrenzung des Strahlenspektrums ohnehin ein Kupferfilter erforderlich ist.

Kapazität und Ladung

Schaltzeichen; links ein ungepolter, rechts ein gepolter Kondensator (z. B. Elko)

Die elektrische Ladung Q, die ein Kondensator aufnehmen kann, ist umso größer, je größer die elektrische Kapazität C und die angelegte Spannung U ist:

Q=C\cdot U

Die Ladung wird in Amperesekunden (As) bzw. Coulomb (C) gemessen, 1 As = 1 C. Die Kapazität wird in Farad (F) angegeben. Ein Kondensator hat die Kapazität von 1 Farad, wenn er von der Ladung 1 Amperesekunde um 1 V aufgeladen wird. Die Maßeinheit Farad ist jedoch für die Praxis meist zu groß, so dass meist Bruchteile davon z. B. Mikrofarad (µF = 10^-6 F), Nanofarad (nF = 10^-9 F), Picofarad (pF = 10^-12 F) verwendet werden. Es gibt allerdings auch Kondensatoren mit Kapazitäten im einstelligen Farad-Bereich (sog. Ultracaps).

Die Kapazität C wird durch den Aufbau des Kondensators bestimmt. Sie ist umso größer, je größer die zwei gegenüberliegenden, ladungsaufnehmenden Flächen A und je kleiner der Abstand d zwischen ihnen ist. Zusätzlich beeinflusst das Isolationsmaterial zwischen den Platten die Kapazität, dies wird mit der Dielektrizitätskonstante $\varepsilon _{0}$ für das Vakuum und mit der materialspezifischen Dielektrizitätszahl $\varepsilon _{r}$ erfasst. Für einen einfachen Plattenkondensator lautet die Formel für seine Kapazität:

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

Die Dielektrizitätskonstante für das Vakuum ist praktisch identisch mit der Dielektrizitätszahl für Luft und bemisst sich zu

\varepsilon _{0}:=8{,}854187...\ 10^{-12}{\rm {Fm}}^{-1}

Eine praxisgerechte Zahlenwertgleichung hierfür ist

\varepsilon _{0}:=0{,}0885\ {\frac {\rm {pF}}{\rm {cm}}}

bei Verwendung von cm² für die Fläche A und cm für den Abstand d.

Die Dielektrizitätszahl gibt an, um welchen Faktor die Kapazität größer ist als bei einem im Vakuum betriebenen Kondensator.

Parallelschaltung

Kondensatoren sind in einer elektrischen Schaltung als Parallelschaltung miteinander verbunden, wenn dieselbe Spannung an allen Bauteilen anliegt. In diesem Fall addieren sich die Kapazitäten der einzelnen Bauteile zur Gesamtkapazität:

C_{\rm {ges}}=C_{1}+C_{2}+\cdots +C_{n}\,\!

und die Ladungen zur Gesamtladung.

C_{\rm {ges}}={\frac {Q_{\rm {ges}}}{U}}={\frac {1}{U}}\cdot (Q_{1}+Q_{2}+\cdots +Q_{n})\,\!

Zur Veranschaulichung betrachte man eine Parallelschaltung aus zwei Kondensatoren, die sich nur in ihrer Plattengröße unterscheiden.

Durch die Verbindung entsteht ein Kondensator mit der Plattengröße A₁+A₂. Seine Kapazität ist also:

C=\varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot {{A_{1}+A_{2}} \over d}=\varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot {A_{1} \over d}+\varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot {A_{2} \over d}=C_{1}+C_{2}

Reihenschaltung (Serienschaltung)

Eine Reihenschaltung liegt vor, wenn durch zwei oder mehr Kondensatoren derselbe elektrische Strom fließt. Dann addiert sich der Kehrwert der Kapazität der einzelnen Bauteile zum Kehrwert der Gesamtkapazität:

{\frac {1}{C_{\rm {ges}}}}={\frac {1}{C_{1}}}+{\frac {1}{C_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{C_{n}}}

und die Spannung zur Gesamtspannung:

{\frac {1}{C_{\rm {ges}}}}={\frac {U_{\rm {ges}}}{Q}}={\frac {1}{Q}}\cdot (U_{1}+U_{2}+\cdots +U_{n})

Diese Schaltung wird beispielsweise angewendet, um eine hohe Spannung auf mehrere Kondensatoren mit geringerer Spannungsfestigkeit zu verteilen, wenn kein Einzel-Bauteil für diese Spannung verfügbar ist.

Zur Veranschaulichung kann man eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren betrachten, die sich nur im Plattenabstand unterscheiden. Die Verbindung ergibt einen Kondensator mit dem Plattenabstand d₁ + d₂.

Die Kapazität ist dann

C=\varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot {{A} \over {d_{1}+d_{2}}}

also

{1 \over C}={{d_{1}+d_{2}} \over {\varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot A}}={{d_{1}} \over {\varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot A}}+{{d_{2}} \over {\varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot A}}={1 \over C_{1}}+{1 \over C_{2}}

Allgemeiner Zusammenhang von Strom und Spannung

Für einen idealen Kondensator mit konstanter Kapazität gilt die Differentialgleichung $I(t)=C{dU \over dt}$ . Die Formel sagt aus, dass der Strom durch eine Spannungsveränderung am Kondensator zustande kommt und eine Spannungsänderung immer mit einem Ladungstransport (Strom) zusammenhängt.

Ist  $U$  eine Sinusfunktion, so ist  $I$  wegen  ${d \over dt}sin(\omega t)=\omega cos(\omega t)$  eine Cosinusfunktion.

Mit Hilfe der komplexen Wechelstromrechnung(Phasorrechnung) erhält man: ${\underline {I}}={j\omega C}{\underline {U}}$

Man erkennt die komplexe Impedanz eines idealen Kondensators:

${\underline {Z}}={{\underline {U}} \over {\underline {I}}}={1 \over {j\omega C}}$

Insbesondere beinhaltet die Formel eine 90° Phasenverschiebung von Strom und Spannung

mit dem Betrag

$|{\underline {Z}}|=X={1 \over {\omega C}}$

und dem Winkel

$\varphi ({\underline {Z}})=\varphi ({1 \over {j\omega C}})=0^{\circ }-90^{\circ }=-90^{\circ }$

Kondensator bei Gleichstrom

Ladevorgang

Schaltung zum Auf- und Entladen eines Kondensators

In einen Kondensator fließt bei angelegter Spannung solange Strom, bis die Platten elektrisch aufgeladen sind und keine weitere Ladung annehmen. Dies tritt auf, wenn die Kondensatorspannung U(t) genauso groß wie die angelegte Spannung U_q ist. Die eine Platte ist dann elektrisch positiv, die andere negativ geladen. Auf der negativ geladenen Seite herrscht ein Elektronenüberschuss.

Die Ladezeit des Kondensators ist proportional zur Größe des Vorwiderstandes R₁ und proportional zu seiner Kapazität C. Das Produkt von Vorwiderstand und Kapazität nennt man die Zeitkonstante $\tau$ .

\tau =R_{1}\cdot C

Theoretisch dauert es unendlich lange, bis U(t)=U_q ist. Für praktische Zwecke kann man als Ladezeit t_L verwenden, nach der der Kondensator näherungsweise als vollständig geladen angesehen werden kann.

t_{L}=5\cdot \tau

Datei:Ladevorgang.PNG

Verlauf von Spannung U und Strom I beim Ladevorgang,
U_max ist die Spannung der Spannungsquelle als maximal mögliche Spannung

Die Zeitkonstante τ markiert zugleich den Zeitpunkt, an dem die am Beginn der Kurve angelegte Tangente den Endwert erreicht. Nach dieser Zeit wäre der Kondensator auf den Endwert geladen, wenn man ihn mit dem konstanten Strom I_max laden könnte. Tatsächlich nimmt die Stromstärke bei konstanter angelegter Spannung jedoch mit der Zeit exponentiell ab.

Im Einschaltmoment stellt der Kondensator einen Kurzschluss dar und somit würde bei einem idealen Kondensator ein unendlich großer Strom fließen. In der Praxis hat jedoch jeder Kondensator einen Innenwiderstand und um den Ladestrom auf einen gewünschten Wert zu begrenzen, wird ein Kondensator immer über einen Vorwiderstand aufgeladen. Für die Größe dieses Widerstandes R₁ gilt nach dem ohmschen Gesetz, wobei U_q die angelegte Spannung der Stromquelle und I_max die Anfangsstromstärke ist:

R_{1}={U_{q} \over I_{max}}

Der Verlauf der Ladespannung U(t) bzw. deren jeweilige zeitliche Größe wird mit der folgenden Gleichung beschrieben, wobei e die Eulersche Zahl und t die Zeit nach Beginn der Ladung ist:

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

,

wobei vorausgesetzt wird, dass der Kondensator zu Beginn ungeladen war: $U(t=0)=0V$ . Die Spannung ist also im ersten Moment Null und steigt dann in Form einer Exponentialfunktion an. Nach der Zeit $t=\tau$ hat die Spannung etwa 63 % der angelegten Spannung U_q erreicht. Nach der Zeit $t=5\tau$ ist der Kondensator auf 99,3 % aufgeladen.

Der Verlauf der Stromstärke I(t) bzw. deren jeweilige zeitliche Größe wird mit der folgenden Gleichung beschrieben:

I(t)=I_{max}\cdot e^{-{t \over \tau }}

Hier beträgt der Strom im ersten Moment $I(t=0)=I_{max}$ und nimmt dann in Form einer Exponentialfunktion ab. Nach der Zeit $t=\tau$ beträgt der Strom nur noch etwa 37 % seines Anfangswertes und nach der Zeit $t=5\tau$ ist er auf 0,7 % abgefallen.

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.

Schaltet man im anfänglichen Bild den Schalter nach Stellung (2) um, nachdem der Kondensator auf den Wert U_max geladen ist, so entlädt er sich über den Widerstand R₂. Hier ist sowohl die Spannung als auch die Stromstärke zu Beginn am größten:

Für t = 0 gilt:

I_{max}={U_{max} \over R_{2}}

und beträgt zu einem beliebigen Zeitpunkt danach

I(t)={U(t) \over R_{2}}

Datei:Entladevorgang.PNG

Verlauf von Spannung U und Strom I beim Entladevorgang,
U_max ist die Anfangsspannung

Die Spannung nimmt im Verlaufe der Entladung mit der Zeit ab gemäß

U(t)=U_{max}\cdot e^{-{t \over \tau }}

Der Strom, der mit der Spannung U(t) über den Entladewiderstand R₂ verknüpft ist, zeigt den entsprechenden Verlauf

I(t)=I_{max}\cdot e^{-{t \over \tau }}

Der Entladestrom muss bei der vorgegebenen Zählpfeilrichtung negativ sein.

Feldenergie

Ein geladener Kondensator speichert elektrische 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}

Um den Kondensator zu laden, muss man elektrische Ladung von der einen Platte zur anderen transportieren. Je weiter der Kondensator während dieses Vorgangs bereits aufgeladen ist, desto stärker ist das bereits zwischen seinen Platten herrschende elektrische Feld E, desto mehr Kraft muss also ausgeübt werden, um die Ladung von einer Platte zur anderen zu bringen. Während des Ladens wird daher (immer mehr) Arbeit an den bewegten elektrischen Ladungen verrichtet. Am Schluss ist die während des Aufladens verrichtete Gesamtarbeit als Feldenergie gespeichert.

Laden und Entladen mit konstantem Strom

Lädt man einen Kondensator über eine Konstantstromquelle, dann steigt die Spannung linear an. Dies gilt auch beim Entladen; die Spannung am Kondensator folgt dem Strom. Dieses Verhalten wird z.B. beim Integrator und bei Dual Slope AD-Wandlern ausgenutzt.

Kondensator bei Wechselstrom

Phasenverschiebung

Datei:Sinus-kap.jpg

Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung durch kapazitive Belastung

Beim Anschluss an Wechselspannung (Spannung mit periodisch wechselnder Polung) werden die Platten eines Kondensators ständig von positiv nach negativ und umgekehrt umgeladen.

Dem Kondensator wird der Takt einer hinreichend starken Wechselspannungsquelle nach wenigen Perioden aufgezwungen, es fließt ständig Strom in wechselnder Richtung. Dabei fließt der Strom jedoch zeitlich versetzt zur Spannung („Phasenverschiebung“): Es muss zunächst Strom fließen, ehe am Kondensator eine Spannung aufgebaut wird, der Strom ist daher der Spannung in der Phasenlage um 90° voraus. Als Eselsbrücke für rechnerische Zwecke lässt sich merken "Kondensator: Strom eilt vor".

Die effektive Stromstärke I_eff ist proportional zur Frequenz f der angelegten Spannung und zur Kapazität C des Kondensators:

I_{\mathit {eff}}\ \;\sim \ f

I_{\mathit {eff}}\ \;\sim \ C

Kapazitiver Widerstand

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 $\omega =2\cdot \pi \cdot f$ Kreisfrequenz oder Winkelgeschwindigkeit heißt.

Datei:Kapazitiver Widerstand .jpg

Geometrische Darstellung der gegeneinander phasenverschobenen kapazitiven (X_C), induktiven (X_L) und ohmschen (R) Widerstände und deren geometrische Addition zum Scheinwiderstand (Z)

Die Formel zeigt, dass der elektrische Widerstand des Kondensators mit zunehmender Frequenz abnimmt bis zum praktischen Kurzschluss bei Hochfrequenz und andererseits bei der Frequenz f= 0 also bei Gleichstrom unendlich groß wird und praktisch wie eine Leitungsunterbrechung wirkt. Allerdings wird der zeitlich verzögerte Ablauf bei einer Spannungsänderung unter Gleichstrom für Steuerungszwecke genutzt.

Die oben ausgeführte Betrachtung geht der Anschaulichkeit halber von einem „idealen“ Kondensator aus, der nur aus den plan gegenüberliegenden Platten besteht. In der Hochfrequenztechnik kommt mit den Zuleitungen und eventuell den langen, aufgewickelten Folienbändern eines Kondensators sowohl ein ohmscher Widerstand als auch ein begleitender induktiver Widerstand hinzu, die in der Zusammenfassung zum Scheinwiderstand "Z" berücksichtigt werden müssen; ähnliches gilt für Verluste im Dielektrikum. Bei welcher Frequenz diese Anteile signifikant werden, hängt von der Bauform des Kondensators und den Eigenschaften des Dielektrikums ab. Bei niedrigeren Frequenzen sind diese Begleiterscheinungen von so geringem Ausmaß, dass sie nicht beachtet werden.

Ferner werden Kondensatoren in Wechselstromkreisen als Filter verwendet. Als Tiefpass lässt man geringe Frequenzen fast ungeschwächt passieren, als Hochpass dagegen werden nur Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz durchgelassen.

! Bei Abbildung XC und XL vertauscht, entspräche bei jeweiligen Reziproken einer Parallelschaltung

Bauformen

Die vielen unterschiedlichen Bauformen entstehen vor allem aus dem Bestreben, möglichst viel Kapazität auf möglichst kleinem Raum unterzubringen und dabei besonderen Anwendungsumständen Rechnung zu tragen. Üblich sind heute drahtgebundene und SMD-Bauformen, bei größeren Abmessungen auch Gehäuse mit Steck- und Schraubanschluss, welche mit Schelle oder Gewindebolzen montiert werden können.

Kondensatoren mit fester Kapazität

Kondensatoren mit fester Kapazität haben einen definierten Kapazitätswert. Sie werden eingesetzt, wenn keine Regelung und keine Feinanpassung der Schaltung erforderlich ist. Es gibt sie je nach den technischen Anforderungen (Größe, Spannungsfestigkeit etc.) sowie nach wirtschaftlichen Anforderungen (Preis) in zahlreichen verschiedenen Ausführungen, die nach der Art des Dielektrikums, der Elektroden oder der geometrischen Form unterschieden werden.

Der Metallpapierkondensator ist die billigste Ausführung der Kondensatoren. Er besteht aus je zwei Lagen ölgetränktem Papier (Isolierpapier) und Metallfolie, die aufgewickelt sind.
Kunststofffolien-Kondensatoren bestehen aus je zwei Lagen Metallfolie und Kunststofffolie. Diese sind abwechselnd geschichtet und üblicherweise aufgerollt. Entweder werden sie so gewickelt, dass auf jeder Seite des Wickels eine der Metallfolien übersteht, die dann großflächig mit dem Anschluss kontaktiert wird, oder die beiden Anschlüsse werden beim Wickeln eingelegt.
Ein metallisierter Kunststoffkondensator besteht aus zwei Kunststofffolien, die auf beiden Seiten mit Aluminium bedampft sind und aufgewickelt werden. Diese Bauform gibt es auch als Schichtkondensatoren - die Lagen werden zu einem großen Block geschichtet, aus dem die einzelnen Kondensatoren herausgesägt werden. Schichtkondensatoren sind induktionsarm. Alternativ können diese Kondensatoren auch aus zwei Lagen Folie aufgebaut sein, die nur auf einer Seite metallisiert sind. Diese Kondensatorart ist bei einem Durchschlag selbstheilend, da die dünne Metallschicht vom Lichtbogen um den Durchschlagkanal herum verdampft wird.
Keramikkondensatoren bestehen aus einem Keramikröhrchen oder einer dünnen Keramikscheibe als Dielektrikum und aufmetallisierten Elektroden. Die Keramikscheibe kann entweder eine einzelne Scheibe mit den Belägen auf beiden Seiten oder ein Stapel von Scheiben sein, ein Vielschichtkondensator.
Ähnliche Eingenschaften wie NP0-Keramiken weist ein Dielektrikum aus Porzellan auf; es ermöglicht Kondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von bis zu mehreren Kilovolt und hat gute HF-Eigenschaften, s. Voltronics
Glas-Dielektrikum erlaubt einen hohen Temperaturbereich von -75..+200°C, typische Werte sind 300pF..100nF, s. AVX
In integrierten Schaltkreisen werden Kondensatoren konventionell durch eine Schichtfolge von Silizium, Siliziumoxid, Aluminium hergestellt. Silizium und Aluminium bilden dabei die Elektroden des Kondensators; das Siliziumoxid (mitunter auch Siliziumnitrid) das Dielektrium. Sind besonders viele Kondensatoren erforderlich, wie in Halbleiterspeichern, so kommen auch schwieriger zur verabeitende Dielektrika mit hoherer Dielektrizitätszahl zum Einsatz. In besonderen Fällen, wenn der Speicherinhalt ohne Energieversorgung erhalten bleiben soll, auch Ferroelektrika.
Nach einem ähnlichen Verfahren werden auch diskrete Kondensatoren hergestellt, welche bei Frequenzen bis in den GHz-Bereich hervorragende Eigenschaften besitzen, s. VISHAY
Bei großen hochfrequenten Strömen und Spannungen im Kilovolt-Bereich sind Vakuum-Kondensatoren ohne Dielektrikum vorteilhaft, s. Jennings, Comet, Omnicor
Bei einem Elektrolytkondensator (auch „Elko“) ist die eine Elektrode eine Aluminiumfolie und die andere Elektrode ein Elektrolyt. Auf der Aluminiumfolie ist eine Aluminiumoxidschicht als isolierendes Dielektrikum aufgebracht. Ein Elektrolyt ist eine leitende Flüssigkeit. Mit diesem Aufbau können bei kleiner Bauweise relativ hohe elektrische Kapazitäten von bis zu 1 F erreicht werden. Elektrolytkondensatoren haben im Gegensatz zu anderen Kondensatoren eine definierte Polarität, die Aluminiumfolie ist immer die positiv geladene und der Elektrolyt die negativ geladene Elektrode. Als Anschluss der negativen Elektrode dient der Metallbecher, in dem Elektrolyt und die positive Anode untergebracht sind. Hier gibt es weitere verbreitete Bauformen:
- Aluminium-Elektrolytkondensator
- Tantal-Elektrolytkondensator
- Niob-Oxide ähneln Tantal-Elektrolytkondensatoren; sie stellen bei Spannung zwischen 1,8..6V eine kostengünstige Alternative dar, s. AVX.
- Doppelschicht-Kondensator (Markennamen Gold Cap, Supercap, UltraCap, BoostCap)
- Bipolarer Elektrolytkondensator (Elektrolytkondensator ohne Polung. Dieser wird in Frequenzweichen eingesetzt)
Durchführungskondensatoren sollen elektromagnetische Störungen, zum Beispiel Funkwellen aus der Umgebung, aus einer Geräte-Zuleitung ableiten. Sie dienen damit der Elektromagnetischen Verträglichkeit. Sie bestehen meist aus Keramikkondensatoren mit drei Anschlüssen, von denen zwei an der einen „Platte“ angebracht sind und zum Ankoppeln der aufgetrennten elektrischen Zuleitung vorgesehen sind. Der dritte Anschluss an der anderen „Platte“ dient zur Verbindung mit "Erde" bzw. "Masse". Baulich sind diese Kondensatoren oft in ein metallenes zylindrisches Gehäuse gesetzt, das als dritter Anschluss dient. Dieses kann mit leitendem Kontakt in ein metallenes Gerätegehäuse eingesetzt werden und stellt damit die elektrische Verbindung zu "Masse" her. Die beiden anderen Anschlüsse ragen jeweils aus den zylindrischen Enden hervor und stellen die "Durchführung" für die aufgetrennte Zuleitung dar.
Zylinderkondensatoren bestehen aus zwei ineinanderstehenden Zylindern, zwischen welchen sich ein Dielektrikum (Isolator) befindet, Kugelkondensatoren bestehen aus konzentrisch ineinanderliegenden gegeneinander isolierten, metallischen Kugeloberflächen. Da sich bei diesen Bauformen im Vergleich zur Größe praktisch nur eine geringe Kapazität realisieren lässt, haben sie keine kommerzielle Bedeutung.

Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität

Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität sind in ihrem Kapazitätswert verstellbar, sie werden eingesetzt, wenn eine Regelung oder eine Feinanpassung der Schaltung erforderlich ist.

Ein Drehkondensator oder Trimmkondensator besteht aus Metallflächen, deren gegenüberliegende Flächenanteile durch einen Drehmechanismus verändert werden können. Zur Kapazitäts-Vervielfachung wurden ineinandergreifende Plattenpakete aufgebaut. Sie wurden zum Verändern der Resonanzfrequenz von Schwingkreisen, zum Beispiel in Radios zum Einstellen von Sendern verwendet und sind heute besonders im UKW-Bereich durch Kapazitätsdioden abgelöst worden.
Ein Kondensatormikrofon hat eine wenige tausendstel Millimeter dicke Membran, die elektrisch isoliert, dicht vor einer gelochten Metallplatte angebracht ist. Eintreffender Schall bringt die Membran zum Schwingen, wodurch sich der Abstand der beiden Plattenflächen verändert und damit auch die Kapazität dieses Kondensators. Diese Kapazitätsschwankungen erzeugen bei einer anliegenden Gleichspannung das elektrische Signal. Da es sehr schwach und hochohmig ist, kann es nicht mit einem Kabel übertragen werden. Im Mikrofongehäuse sitzt daher eine Schaltung, die das Signal vorverstärkt und ggf. symmetriert.
Die Kapazitätsdiode, auch Varicap, Varaktor, Abstimmdiode oder Ladungsspeicherdiode genannt, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauteil. Wird eine Diode in Sperrrichtung betrieben, so entsteht am p-n-Übergang eine Ladungsträgerverarmungszone, an der sich auch ein elektrisches Feld aufbaut. Mit steigender Spannung vergrößert sich die Breite der ladungsfreien Zone, damit nimmt die Kapazität ab. Durch Änderung der angelegten Spannung lässt sich eine elektrisch steuerbare Kapazität erreichen.

Kennzeichnungen

Bei Kondensatoren gibt es keine so einheitliche Kennzeichnung wie bei Widerständen. Einige der Möglichkeiten sind unten aufgelistet. Weitere Informationen sind auch über die Weblinks unten zu finden.

473: Die ersten beiden Ziffern geben den Wert in Pikofarad an, die dritte die Anzahl der nachfolgenden Nullen. 473 bedeutet also 47000 pF = 47 nF.
3n9: Dies bedeutet 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 Kapazitätstoleranz von 10 % und 250 für die Spitzenspannung in Volt, die angelegt werden darf.
Oft wird auch bei Elektrolytkondensatoren ein in mehreren Ziffern verschlüsselter Datumscode aufgedruckt, um das Herstelldatum erkennen zu können, da Elektrolytkondensatoren in Abhängigkeit von der Zeit ihre Kapazität verringern können; z. B. 2313: 2 = 2002, 3 = März, 13 = 13. Tag, also 13. März 2002. Der Aufbau der Codes kann sich bei verschiedenen Herstellern unterscheiden, da nur wenige nach der einheitlichen Norm gehen.
Sofern es die Bauform des Kondensators zulässt, wird auch der Hersteller, der Betriebstemperaturbereich, die Spannungsfestigkeit und eine Baureihenbezeichnung angebracht, die Aufschluss über den verwendeten Isolator gibt. Da hier teilweise noch Patentschutz besteht, ist eine herstellerübergreifende Baureihenbezeichnung nicht möglich.
Keramikkondensatoren werden mit ihrer Toleranz und dem gültigen Temperaturbereich gekennzeichnet.
Die Bezeichnungen X1, X2 sowie Y1 und Y2 dienen der Kennzeichnung von Sicherheitskondensatoren für Netzanwendung (230V AC). X-Kondensatoren werden eingesetzt, wenn der Defekt des Kondensators nicht zu einem Stromschlag führen kann; X1 hält einem Spannungspuls von 4000V stand, X2 von 2500V. Die Y-Typen werden eingesetzt, wenn deren Defekt zu einem Stromschlag führen kann; sie halten Spannungspulsen der doppelten Höhe stand.

Material- und bauartbedingte Merkmale

Dielektrikum

Spannungsfestigkeit

Reale Kondensatoren können nicht bis zu einer beliebigen Spannung aufgeladen werden. Überschreitet man die zulässige Spannung bis zur „Durchschlagsspannung“, so schlägt der Kondensator durch, das heißt, es fließt plötzlich ein erheblich größerer Strom über eine Funkenstrecke oder auf eine ähnliche Art ab. Meist führt das zur Zerstörung des Kondensators (z. B. durch Explosion oder Hitzewirkung) und zu weitergehenden Zerstörungen an den Geräten. Manche Kondensatoren besitzen in gewissen Grenzen die Fähigkeit zur Selbstheilung, wenn der Schaden nicht allzu groß ist. Die zulässige Höchstspannung kann im allgemeinen berechnet werden.

Nichtlineares Verhalten

Besonders Elektrolyt-, Tantal- und bestimmte Keramikkondensatoren zeigen im Wechselstromwiderstand ein spannungsabhängiges, nichtlineares Verhalten. Hochwertige Audioverstärker verwenden deshalb nur Folienkondensatoren im Signalweg. Der Leistungsteil wird dabei so dimensioniert, dass man auf Kondensatoren hoher Kapazität verzichten kann. Das Maß für den Anteil durch nichtlineares Verhalten erzeugter Signale wird als Klirrfaktor bezeichnet.

Frequenzabhängigkeit

Neben der Frequenzabhängigkeit von Kondensatoren durch bauartbedingte Induktivität sind auch die Isolationsmaterialien frequenzabhängig. Kommt es - zum Beispiel zur Entstörung - auf eine Wirksamkeit in einem weiten Frequenzbereich an, schaltet man deshalb Kondensatoren verschiedener Bauarten parallel.

Polarität

Kondensatoren sind normalerweise symmetrisch (bipolar) aufgebaut. In Spezialfällen muss man jedoch die Polarität beachten:

Der Elektrolytkondensator benötigt zum Aufbau und Erhalt seiner Isolierschicht (des Dielektrikums) eine polarisierte Spannung. Er darf nicht mit negativer Polarität betrieben werden, da er sonst zerstört werden kann. Beim Betrieb mit Wechselspannung benötigt er eine geeignete Vorspannung oder es muss ein bipolarer Typ sein: diese speziellen Aluminium-Elektrolytkondensatoren gestatten auf Kosten der Baugröße auch wechselnde Polarität.
Gewickelte Kondensatoren sind unsymmetrisch in Bezug auf die Außenfläche. Gegebenenfalls ist zu beachten, welche Seite des Kondensators außen liegt. An diese Schicht wird gewöhnlich, wenn zutreffend, die Masse angeschlossen, um die Größe von Verstimmungen des Kondensators zu verringern.

Temperaturabhängigkeit

Die Kapazität eines Kondensators ist temperaturabhängig. Für Keramikkondensatoren gibt es Dielektrika mit positivem, negativem und nahe null betragendem Temperaturkoeffizienten. Bei hohen Stabilitätsanforderungen bei Schwingkreisen können auf diese Weise Temperatureinflüsse auf andere Bauteile ausgeglichen werden. Kondensatoren aus sogenannten ferroelektrischer Keramik haben günstigerweise eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante, jedoch auch einen hohen Temperaturkoeffizienten und können bei hohen Stabilitätsanforderungen nicht verwendet werden.

Temperaturstabilität einiger Dielektrika:

Keramik NP0: +/- 0,3% bzw. +/- 30ppm/°C,
Keramik X7R: +/- 15%
Keramik Y5V: +22% / -82%
Polypropylen (PP): +0,5% / -1,5% bzw. -200ppm/°C
Polyester (PET): +3% / -4%
Polykarbonat (PC): +/- 1%
Polyphenylsulfid (PPS): +/- 1%

Bei Temperaturen von 20-40°C weisen die Dielektrika ein (mit Ausnahme von Polypropylen) eine Bereich geringerer Temperaturabhängigkeit auf.

Dissipation und Erwärmung

Kondensatoren setzen einen Teil der in sie hineingesteckten elektrischen Energie in Wärme um; dieser Prozess wird durch den Dissipationsfaktor beschrieben. Der Dissipationsfaktor wird anhand des Tangens des Phasenwinkels zwischen idealem und realem Stromverlauf einer sinusförmigen Spannung angegeben. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Dissipationsfaktoren verschiedener Dielektrika, angegeben in 10^-3:

	100 Hz	1 kHz	10 kHz	100 kHz
Keramik NP0				< 1
Keramik X7R		> 10
Polypropylen (PP)	0,2	0,2	0,2	0,3
Polyester (PET)	1,5	4	10	20
Polykarbonat (PC)	0,6	1,2	3	6
Polyphenylsulfid (PPS)	1	1	1,5	3,5

Die Dissipationsfaktoren von X7R sind Spannungs- und Temperaturabhängig. Beträgt die Spannung beispielsweise 10% der Nennspannung des Kondensators, so hat sie einen Wert von 80·10^-3.

Die absorbierte Leistung kann aus dem Dissipationsfaktor $DF$ durch folgende Beziehung berechnet werden:

$P_{Verlust}=2\pi fCU^{2}\cdot DF$ ,

wobei $f$ die Frequenz und $U$ die Spannungsamplitude bezeichnet.

Durch die Erwärmung kann die zulässige Betriebstempratur eins Kondensators überschritten werden, dies kann zur Explosion des Bauteils und der Verursachung von Bränden führen. Durch fehlerhafte Dimensionirung bei Standby-Schaltungen musste in der Vergangenheit eine Rückrufaktion von Fernsehempfängern eingeleitet werden.

Induktivität (ESL) & Reihenwiderstand (ESR)

Jeder Kondensator hat wegen seiner Zuleitungen und der teilweise gewickelten Anordnung der Kondensatorplatten zwangsläufig auch eine meist sehr kleine parasitäre Induktivität, die im Ersatzschaltbild in Reihe zur Kapazität liegt. Diese Induktivität wird als ESL - Equivalent Series L(L als allgemeines Formelzeichen für Induktivität) - bezeichnet. Diese Induktivität macht sich erst bei höheren Frequenzen störend bemerkbar. Elektrolytkondensatoren haben eine relativ hohe Induktivität und werden deshalb bei Bedarf mit einem Folienkondensator überbrückt. Kondensatoren in SMD-Bauweise haben dagegen eine äußerst kleine Induktivität, was sie bis in den GHz-Bereich anwendbar macht.

Ebenfalls im Ersatzschaltbild in Reihe zur Kapazität liegt im Kondensator ein parasitärer ohmscher Widerstand. Dieser wird als ESR - Equivalent Series Resistance - bezeichnet. Er entsteht durch die inneren Verbindungsstrukturen des Kondensators und vor allem durch die begrenzte Leitfähigkeit der Elektrolyte in Elkos. Jeder Strom, der in den Kondensator hinein- oder herausfließt, erzeugt an diesem Widerstand eine Verlustleistung und einen Spannungsabfall. Besonders die Verlustleistung ist ein sehr störender Effekt, der den Kondensator erwärmt. Hitze schadet vor allem dem Elektrolyt und kann bis zur Zerstörung des Kondensators führen.

Der induktive Blindwiderstand der ESL und der ohmsche ESR wirken dem kapazitiven Blindwiderstand des Kondensators entgegen und verringern somit seinen Scheinwiderstand zu hohen Frequenzen hin. Die Erfahrung zeigt, dass Elkos für Standardanwendungen bereits weit unterhalb von 100 kHz keine kapazitive Wirkung mehr haben. Für viele Fälle, z. B. Schaltnetzteile, gibt es Low-ESR (< 1 Ω), ultra-Low-ESR (< 100 mΩ) und Low-ESL Elektrolytkondensatoren.

Isolationswiderstand und Selbstentladung

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

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

Die Selbstentladezeitkonstante $\tau _{s}$ ist im Allgemeinen größer, je hochwertiger ein Kondensator ist. Üblich sind Werte zwischen 1000 s bis zu 10.000 s (mit s = Einheitenzeichen für Sekunden).
Diese Zeitkonstanten sind immer dann relevant, wenn Kondensatoren als zeitbestimmendes Glied (z.B. in Zeitrelais) oder zur Speicherung eines Spannungswertes eingesetzt werden.
Der Isolationswiderstand von Elektrolytkondensatoren sinkt ab, wenn der Kondensator gealtert ist oder überlastet wurde. Das verändert die Eigenschaften, erhöht dessen Verlustleistung und führt oft zu dessen vollständiger Zerstörung.

Allgemeine Streu- bzw. Parasitärkapazität an Bauteilen

Aus physikalischen Gründen hat jedes reale elektrische Bauelement mehr oder weniger stark auch Kondensator-Eigenschaften. Dieses kapazitive Verhalten kann vor allem bei hohen Frequenzen eine spürbare Auswirkung haben.
Schaltungen, die an sich einen Kondensator benötigten, können aufgrund dieser schon vorhandenen Streu-Kapazität zuweilen ohne einen Kondensator als separates Bauteil ausgeführt werden.

Siehe auch

Literatur

O. Zinke, H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer Verlag, Heidelberg (1982), ISBN 3-540-11334-7
P. Volkmann, P. (Hrsg.): Aufgaben Elektrotechnik und Elektronik 2 – Elektrisches Feld und Kondensator. 1999, ISBN 3-8007-2018-3
W. Just, W. Hofmann: Blindstromkompensation in der Betriebspraxis 2003, ISBN 3-8007-2651-3
Bohler, Kähler, Weigt: Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen. Stam-Verlag, ISBN 3-8237-0214-9

Weblinks

Elektrisches Feld im Plattenkondensatoren (Animation)
Kennzeichnung von Kondensatoren
Umrechnung: Zeitkonstante und Übergangsfrequenz (Grenzfrequenz)
Grundlagen und Funktionsweise
Versuch zur Kondensatorformel
Aufladen und Entladen eines Kondensators (mit Formel-Herleitungen)
kurzes englisches Tutorial zu ESR und ESL
CapSite Technische Details zu industriell relevanten Kondensatoren