Kondensator (Elektrotechnik)

Ein Kondensator (v. lat.: condensus: „dichtgedrängt“, bezogen auf die Ladungen) ist ein elektrisches Bauelement zur Speicherung elektrischer Energie in einem elektrischen Feld. Er besteht aus zwei Leiteroberflächen beliebiger Geometrie, den Elektroden, die durch einen dazwischenliegenden Isolator, das Dielektrikum, getrennt sind.

Werden die Elektroden mit den Polen einer Spannungsquelle verbunden, so fließt kurzzeitig ein elektrischer Strom, er lädt eine Elektrode positiv, die andere negativ auf. Diese Ladung des Kondensators bleibt erhalten, wenn er von der Spannungsquelle getrennt wird: der Kondensator behält deren Spannung bei. Entnimmt man dem Kondensator Ladung bzw. einen Strom, sinkt seine Spannung wieder.

Die gespeicherte Ladung ist proportional zu der Spannung des Kondensators. Die Proportionalitätskonstante wird als „Kapazität“, bezeichnet, sie ist das wesentliche Merkmal eines Kondensators. Je größer die Kapazität ist, umso mehr Ladung kann ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichern. Die Gleichung

$Q=C\cdot U$

fasst dies zusammen, Q bezeichnet die Ladung in Coulomb (C) oder Amperesekunden (As), C die Kapazität in Farad (F) und U die Spannung in Volt (V).

Begrifflich abgegrenzt werden Bauelemente, bei denen die kapazitive Koppelung zweier Elektroden nicht das unmittelbare Ziel ist. Man fasst diese Kopplung dann mit Begriffen wie „Streukapazität“, „kapazitive Kopplung“ oder „Kapazitätsbelag“.

Schaltzeichen, von links: ungepolter, variabler und gepolter Kondensator. Symbolisiert werden die gegeneinander angeordneten, isolierten Elektroden.

Geschichte

Leidener Flasche

Batterie von Leidener Flaschen

Die Leidener Flasche war 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 Leiden 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 Experimente: Benjamin Franklin verband eine Leidener Flasche über eine Metallschnur mit einem Drachen, den er in den Himmel steigen ließ. Es gelang ihm mit diesem gefährlichen Experiment, Ladung von Gewitterwolken auf die Leidener Flasche zu übertragen. Er prägte den Begriff „electrical condenser“, welche im angelsächsischem noch häufig synonym zum „capacitor“ gebraucht wird. Da die Leidener Flaschen eine besonders hohe Spannungsfestigkeit haben, werden sie heute noch für Hochspannungs-Experimente eingesetzt. Sie lassen sich aus PET-Flaschen aufbauen, welche gegenüber Glasflaschen deutlich verbesserte Eigenschaften besitzen.

Ein verbesserter Kondensator wurde 1775 durch Alessandro Volta (1745-1827) erfunden, welchen er mit „electrophorous“ (Elektrizitätsträger) bezeichnete. Er bestand aus zwei Metallplatten, die durch eine Ebonitschicht gegeneinander isoliert waren. Man kann diese Anordnung bereits als Prototyp moderner Kondensatoren betrachten. Der Einsatz besserer Dielektrika führte später zu einer Reduzierung der Baugröße. Etwa 1850 wurde Glimmer, ein natürlich vorkommendes Mineral, in Scheiben geschnitten als Isolator verwendet; kommerziell wurden diese Kondensatoren mit dem ersten Weltkrieg hergestellt. Gewickelte Papier- und Keramikkondensatoren sind seit 1876 bzw. 1900 in Gebrauch. 

Kondensatoren im CGS-Einheitensystem

Papierkondensator mit der Kapazität 5000cm.

Mitte des 20. Jahrhunderts wurden vor allem Papierkondensatoren, welche in den damals aufkommenden ersten Röhrenempfängern für den Rundfunkempfang eingesetzt wurden, häufig mit der Kapazitätseinheit cm beschriftet. Diese Angabe ist nicht mit einer Längenangabe zu verwechseln, sondern rührt daher, dass die Kapazität im heute praktisch kaum noch gebrauchten elektrostatischen CGS-Einheitensystem in der Längendimension ausgedrückt wird.

Die nebenstehende Abbildung zeigt einen Papierkondensator der Firma SATOR aus dem Jahr 1950 mit einer Kapazität laut Aufdruck von „5000 cm“ bei einer Prüfspannung von „2000 V“. Dies wäre eine Kapazität von ca. 5,6 nF im heute üblichen SI-Einheitensystem. Eine Kapazität von 1 cm im CGS-Einheitensystem entspricht 1,1 pF im SI-Einheitensystem, der Umrechnungsfaktor ist 4πε₀.

Physikalische Grundlagen

Michael Faraday machte darauf aufmerksam, dass zwischen einem gewöhnlichen Leiter und einer Leidener Flasche 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.

Aus physikalischer Sicht unterscheiden sich diese Beispiele hinsichtlich der Anordnung der Elektroden und dem dazwischen liegenden Isolator, der auch als Dielektrikum bezeichnet wird. Bei der Leidener Flasche besteht der Isolator aus Glas bzw. bei ihrer modernen Variante aus Polyethylen; bei dem in der Luft befindlichen Körper isoliert die umgebende Luft. Der Einfluss des Isolators erfasst ε, das Produkt aus der materialspezifischen Dielektrizitätszahl ε_r und der Dielektrizitätskonstante ε₀ des Vakuums:

$\varepsilon _{0}=8,8542...\cdot 10^{-12}\;\mathrm {F/m}$.

Für eine Reihe von idealisierten Elektrodenanordnungen lässt sich das elektrische Feld und die Kapazität des Kondensators exakt bestimmen. In der folgenden Tabelle sind einige wichtige Anordnungen aufgeführt; die Kapazität wird durch $C$ symbolisiert, die Feldstärke durch $E$:

Bezeichnung	Kapazität	Elektrisches Feld	Schematische Darstellung
Plattenkondensator	$C=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\cdot {{A} \over {d}}$	$E={\frac {Q}{\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}A}}$
Zylinderkondensator	$C=2\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}{\frac {l}{\ln({\frac {R_{2}}{R_{1}}})}}$	$E(r)={\frac {Q}{2\pi rl\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}}}$
Kugelkondensator	$C=4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\left({\frac {1}{R_{1}}}-{\frac {1}{R_{2}}}\right)^{-1}$	$E(r)={\frac {Q}{4\pi r^{2}\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}}}$
Kugel	$C=4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}R_{1}$
Parallele Zylinder (Lecher-Leitung)	$C=\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}{\frac {l}{\ln({\frac {d}{R}})}}$

Hierin bezeichnet ggf. A die Elektrodenfläche, d deren Abstand, l deren Länge, $R_{1}$ sowie $R_{2}$ deren Radien. In der Schematischen Darstellung sind die Elektroden blau und das Dielektrikum gelb coloriert.

Aufbau eines Vielschichtkondensators: Das Dielektrikum ist blau, die mit einem Potentialanschluss verbundenen Elektroden sind dunkelgrau, mit dem anderen hellgrau dargestell.

Plattenkondensatoren erlauben in einer modifizierten Ausführung sehr hohe Kapazitäten pro Volumen: Indem man die jeweils mit einem Potential verbundenen Elektroden abwechselnd aufeinander stapelt werden sie doppelt wirksam. Die Abbildung des Vielschichtkondensators verdeutlicht dies. Sind die Platten als Metallfolie oder -film ausgeführt, können sie bei einem geeigneten Isolator auch aufgewickelt werden, auch dabei verdoppelt sich die Wirkung. Aufgrund seiner kompakten Bauform ist dies der gebräuchlichste Kondensator.

Zylinderkondensatoren werden meist nur bei speziellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise Vakuum- oder Durchführungskondensator. Die für die Bauform angegebene Gleichung ist aber auch hilfreich, um den Kapazitätsbelag einer Koaxialleitung zu bestimmen.

Bei Kugelkondensatoren ist insbesondere der Spezialfall, $R_{2}\to \infty$ von Bedeutung, die Kapazität einer freistehenden Kugel. Hier wird die Gegenelektrode durch die Umgebung gebildet, sie liegt deshalb für Gewöhnlich auf Erdpotenzial. Die Kapazitäten dieser Bauform sind sehr gering. Beispielsweise hat eine Kugel mit 30 cm Durchmesser, wie sie in Van-de-Graaff-Generator zur Ladungsspeicherung oder in Tesla-Spulen zur Bildung eines LC-Schwingkreises eingesetzt werden, eine Kapazität von 30 pF. Da auf der Kugeloberfläche das elektrische Feld sehr homogen ist, können hier jedoch Spannungsfestigkeiten bis zu mehreren Millionen Volt realisiert werden.

Anwendungen

Die häufigsten Anwendungsgebiete von Kondensatoren lassen sich grob und etwas unscharf in drei Kategorien unterteilen:

Energiespeicherung / Spannungsstabilisierung

Der Kondensator muss hierfür eine Mindestkapazität besitzen, deren Wert aber prinzipiell überschritten werden kann. Hierunter fallen:

Digitale Speicher

Der Ladungszustand eines Kondensators kann Information repräsentieren. Zur Speicherung von großen 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.

Analoger Speicher

Bei einer Abtast-Halte-Schaltung wird während der Abtastphase ein Kondensator mit einer Signalspannung verbunden, von welcher er während der Haltephase getrennt wird. Der Spannungswert steht dann der Weiterverarbeitung, typischerweise einer Analog-Digital Wandlung, konstant zur Verfügung.

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). 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 auch eine Koppelung von Netzen unterschiedlicher Frequenz möglich. In gleicher Weise wirken auch die Ausgangskondensatoren von Tiefsetzstellern und Hochsetzstellern sowie einer Reihe von Schaltnetzteilen.

Leistungskonzentrator

In ähnlicher Weise können Kondensatoren zeitlich begrenzt hohe Leistung bereitstellen. Diese werden über eine geeignete Schaltung auf eine hohe Spannung aufgeladen und können dann Verbraucher mit hohen kurzeitigen Leistungsbedarf antreiben. Beispiele hierfür sind die Blitzröhre, in der Waffentechnik der Exploding-bridgewire detonator und Hochspannungs-Kondensatorzündung (HKZ) bei Verbrennungsmotoren.

Auffangen von Schaltstromspitzen

Kondensatoren dienen nach einem vergleichbaren Prinzip 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 übergeordneten Spannungsversorgung oder deren Zuleitung und bewirken eine gegenseitig unbeeinflusste Energieversorgung der Teilschaltungen.

Glätten von Spannungsspitzen

Umgekehrt können Kondensatoren störende, zeitlich begrenzte Überspannungen in elektronischen Schaltungen aufnehmen und so ihre Ausbreitung und schädliche Wirkung verhindern. Man nennt dies Glätten oder Abblockung und bezeichnet jene Kondensatoren als Glättungs- oder Blockkondensator.

Spannungsanpassung

Des Weiteren können Verschaltungen von mehreren Kondensatoren zum Herauf-, Herabsetzen und zum Invertieren von Versorgungsspannungen genutzt werden. Hierbei werden Kondensatoren zyklisch auf einem Potential aufgeladen, mit einem anderen Potential verbunden und dort entladen. Gebräuchliche Schaltungen sind die Ladungspumpe und deren spezielle Ausführung als Hochspannungskaskade.

Frequenzabhängiger Widerstand

Hierfür muss der Kondensator eine möglichst genau definierten Wert haben. Wichtige Applikationen sind:

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.

Analoge Filter

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 Spulen (Induktivität), Widerständen und eventuell aktiven Bauelementen werden Kondensatoren auch für Schwingkreise, Bandfilter und Frequenzweichen verwendet. Es ergibt sich eine bestimmte Resonanzfrequenz oder ein Hoch- bzw. Tiefpassverhalten; ein Beispiel hierfür sind die Frequenzweichen in Lautsprechern.
• Eine zeitdiskrete Variante hiervon stellen die Switched-Capacitor-Filter dar.

Zeitverzögerung

Bestimmung der Schaltzeiten einer monostabilen oder astabilen Kippstufe. Hierin wird ein Kondensator über eine Stromquelle geladen; seine Spannung nimmt proportional der verstrichenen Zeit zu. Sobald die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, erfolgt ein Zustandswechsel der Schaltung.

Spannung-Zeit-Umsetzung

In ähnlicher Weise werden eine Reihe von Wandlerschaltungen realisiert:

• Pulsweitenmodulation Diese Schaltung wandelt eine Eingangsspannung in ein Tastverhältnis um. Ein Kondensator wird zyklisch durch eine Stromquelle bis zu einer vorgegebenen Spannung geladen, dann schlagartig entladen. Der Vergleich von Eingangsspannung und dem sägezahnförmigen Spannungsverlauf am Kondensator liefert das Ausgangssignal.
• Slope-Wandler Dieser Wandler gleicht dem Pulsweitenmodulator, arbeitet allerdings nicht zwingend zyklisch
• Time-Voltage Converter: Hier wird die Stromquelle durch einen Eingangspuls gesteuert, die Spannung des Kondensators ist proportional der Pulsbreite.

Sensorik

In diesem Fall wird der Kondensator durch entsprechenden Aufbau und Materialien von der zu messenden Größe in seinen elektrischen Parameter verändert und wird als Sensor verwendet. Beispiele sind:

Abstandsänderung

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 verwendet werden.

Kondensatormikrofon

In gleicher Weise kann ein Kondensator zur Wandlung von Schall in ein elektrisches Signal verwendet werden, entsprechende Wandler werden als Kondensatormikrofon bezeichnet. Je nach Aufbau können sie den Schalldruck oder den Schalldruckgradienten erfassen.

Röntgen-Belichtungsmessung

Die meist störende Eigenschaft des Dielektrikums, unter Einfluss von ionisierender Strahlung seine Leitfähigkeit zu erhöhen, wird bei der Steuerung der Belichtungszeit 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.

Kapazitiver Touchscreen

Dies sind berührungsempfindliche Bildschirmoberflächen (engl. Touchscreen) welche bei Berührung ihre Kapazität verändern. Durch den Aufbau und der Bildung von kapazitiven Spannungsteilern, kann die Kapazitätsänderung einer bestimmten Bildschirmposition zugeordnet werden. Jene Touchscreens können für den öffentlichen Einsatz besonders robust und vandalensicher gestaltet werden, können allerdings nur schlecht mit Handschuhen und gar nicht mit Zeigestiften aus Kunststoffen bedient werden.

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

Verschiedene Kondensatoren. Von Links: Keramik-Vielschicht, Keramik-Scheibe, geschichteter Polyesterfolienkondensator, Keramik-Rohr, gewickeltes Polystyrol, metallisierter Polyesterfilmkondensator, Elektrolytkondensator

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.

Mit Ausnahme der Elektrolytkondensatoren werden typischerweise Kapazitäten im Bereich weniger Pikofarad bis einigen Mikrofarad realisiert. Elektrolytkondensatoren schließen sich daran an und erstrecken sich in den Millifaradbereich, Doppelschicht-Elektrolytkondensator bis in den Kilofaradbereich, letztere jedoch bei einer Spannungsfestigkeit von wenigen Volt.

• 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 NPO-Keramiken weist ein Dielektrikum aus Porzellan auf; es ermöglicht Kondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von bis zu mehreren Kilovolt und hat gute HF-Eigenschaften.
• Glas-Dielektrikum erlaubt einen hohen Temperaturbereich von -75 °C .. +200 °C, typische Werte sind 300 pF .. 100 nF. 
• 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 zu verarbeitende 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 gute Eigenschaften besitzen. 

aufgesägter Vakuumkondensator

• Vakuum-Kondensatoren ohne Dielektrikum sind bei großen hochfrequenten Strömen und Spannungen im Kilovolt-Bereich vorteilhaft. Es gibt auch Bauformen mit variabler Kapazität. 
• 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. Weitere verbreitete Bauformen sind:
  • Aluminium-Elektrolytkondensator
  • Tantal-Elektrolytkondensator
  • Niob-Oxide ähneln Tantal-Elektrolytkondensatoren; sie stellen bei Spannung zwischen 1,8 V .. 6 V eine kostengünstige Alternative dar. 
  • Doppelschicht-Kondensator (Markennamen Gold Cap,, Supercap, UltraCap, BoostCap)
  • Bipolarer Elektrolytkondensator Beide Elektroden sind mit einer Isolationsschicht versehen, wodurch sie für Spannungsverläufe mit wechselnder Polarität geeignet sind. Sie werden u.a. in Frequenzweichen von Lautsprechern 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.

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.

Datei:Drehko.jpg

Beim Drehkondensator wird das Prinzip der gegenüberliegenden Platten besonders deutlich

• Ein Drehkondensator (Plattendrehkondensator) oder Trimmkondensator besteht aus Metallflächen, deren gegenüberliegende Flächenanteile durch einen Drehmechanismus verändert werden können. Zur Kapazitäts-Vervielfachung werden ineinandergreifende Plattenpakete aufgebaut. Als Dielektrikum wird und wurde fast ausnahmslos Luft verwendet. Sie werden zum Verändern der Resonanzfrequenz von Schwingkreisen, zum Beispiel in Radios zum Einstellen von Sendern, eingesetzt und sind heute besonders im UKW-Bereich durch Kapazitätsdioden abgelöst worden.
• Der Tauchkondensator nutzt ebenfalls Luft als Dielektrikum und diente gleichen Zwecken. Er bestand aus konzentrischen zylinderförmigen Elektroden, die ineinander geschoben wurden, ähnlich manchen Trimmern. Die Linearbewegung des eintauchenden Teils gestattete eine erste (mechanische) Lösung (Fa. Philips ca. 1930), um mit einem Tastensatz als Steuerung verschiedene fest voreingestellte Kapazitäten zu erzeugen. Damit wurde der Empfang einer Auswahl fest programmierter Sender ermöglicht. Nachteilig war einerseits die mangelhafte mechanische Genauigkeit und andererseits die unvermeidbar lineare, geometrisch bedingte Kapazitätsvariabilität, welche den Schwingkreisgesetzen nicht entgegenkam. So gehörte diese interessante Lösung schon nach kurzer Zeit der Vergangenheit an. Das Prinzip hat sich jedoch bei Vakuumkondensatoren mit variabler Kapazität erhalten. 
• 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 sich nach einheitlichen Normen richten.
• 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 (230 V AC). X-Kondensatoren werden eingesetzt, wenn der Defekt des Kondensators nicht zu einem Stromschlag führen kann; X1 hält einem Spannungspuls von 4000 V stand, X2 von 2500 V. Die Y-Typen werden eingesetzt, wenn deren Defekt zu einem Stromschlag führen kann; sie halten Spannungspulsen der doppelten Höhe stand.

Elektrotechnische und Systemtheoretische Beschreibung

Für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche sind eine Reihe von Beschreibungen entwickelt worden, die bestimmte Aspekte des Verhaltens eines Kondensators hervorheben

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:

$W={\frac {1}{2}}C\cdot U^{2}$

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. Diese wird beim Entladen wieder frei.

Zeitbereich

Eine Beziehung zwischen Strom und Spannung ergibt sich durch zeitliches Ableiten der Gleichung Q=CU:

$I=C{\frac {\mathrm {d} U}{\mathrm {d} t}}$,

der Strom ist proportional der Spannungsänderung des Kondensators. Die Aussage, dass der Strom proportional der zeitlichen Ableitung der Spannung ist, lässt sich umkehren: Die Spannung ist proportional zum zeitlichen Integral des Stroms. Legt man beispielsweise einen konstanten Strom an, so folgt daraus ein konstante Spannungsänderung, die Spannung steigt linear an.

Das Aufladen und Entladen eines Kondensators durch eine Spannungsquelle über einen Widerstand resultiert in einen exponentiell abflachenden Spannungsverlauf. Es wird ausführlich unter RC-Glied behandelt

Phasenverschiebung und Blindwiderstand

Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung an einem Kondensator

Eine kosinusförmige Wechselspannung mit der Amplitude U_S und der Frequenz f bzw. der Kreisfrequenz ω=2π f, also

$U(t)=U_{S}\cos(\omega t)\$

an einem Kondensator bewirkt den Stromfluss

$I(t)=C\ {\frac {\mathrm {d} U(t)}{\mathrm {d} t}}=CU_{S}\omega \ (-\sin(\omega \ t))=I_{S}(-\sin(\omega t))$.

Der Strom fließt zeitlich versetzt zur Spannung („Phasenverschiebung“), er eilt dieser um π/2 bzw. 90° voraus.

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

$I_{\mathit {S}}\ \;\sim \ f$

$I_{\mathit {S}}\ \;\sim \ C$

Das Verhältnis von Spannungsamplitude zu Stromamplitude wird als Blindwiderstand X_C bezeichnet, somit ist

$X_{C}={\frac {U_{S}}{I_{S}}}={\frac {U_{S}}{CU_{S}\omega }}={\frac {1}{\omega C}}$.

Aufgrund der Phasenverschiebung von 90° wandelt der Blindwiderstand keine Leistung in Wärme um. Gelegentlich wird der Blindwiderstand auch mit einem negativen Vorzeichen versehen, um die Stromrichtung von der entgegengerichteten einer Induktivität zu unterscheiden.

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.

Impedanz

Insbesondere Systeme mit mehreren Kondensatoren, Widerständen und Spulen sind mit dem o.g. Formalismus umständlich zu beschreiben. Um nicht Phase und Betrag von Signalen getrennt berechnen zu müssen, werden in der komplexen Wechselstromrechnung die Amplituden sinus- und kosinusförmiger Spannungsverläufe in Imaginär- und Realanteil einer komplexen Amplitude zusammengefasst. Kleine Buchstaben kennzeichnen entsprechende Größen:

$u(\omega )=U_{0}e^{j\omega t}\$

$i(\omega )=CU_{0}j\omega e^{j\omega t}\$.

Der Realanteil davon bestimmt den Momentanwert der Größe.

Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung, die Impedanz Z_C, lässt sich daraus analog dem ohmschen Widerstand durch Quotientenbildung gewinnen:

$Z_{C}={\frac {u(\omega )}{i(\omega )}}={\frac {U_{0}e^{j\omega t}}{CU_{0}j\omega e^{j\omega t}}}={\frac {1}{j\omega C}}$

Durch diese Betrachtungsweise werden Differentialgleichungen vermieden. Anstelle der Ableitung tritt eine Multiplikation mit 1/jω.

Spektralbereich

Eine Beschreibung im Bildbereich der Laplace-Transformation vermeidet die Beschränkung auf harmonische Schwingung. Ähnlich gilt:

$Z_{C}={\frac {1}{sC}}$

Wobei s=σ+jω die komplexe Koordinate des Bildbereich ist; σ charakterisiert die exponentielle Einhüllende, ω wiederum die Kreisfrequenz.

Parallel- und Reihenschaltung

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 Plattenkondensatoren, die sich nur in ihrer Plattenfläche 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 Plattenkondensatoren 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

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

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.

Formal lässt sich ein nichtlinearer Kondensator durch eine von der Momentanspannung u abhängige Dielektrizitätszahl beschreiben: $\varepsilon _{r}(u)$. D.h. die relative Dielektrizitätszahl ist nicht konstant sondern eine Funktion von der am Kondensator anliegenden Spannung u. Beispielsweise ist bei einem nichtlinearen Plattenkondensator die spannungsabhängige Kapazität gegeben als:

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

Die Funktion $\varepsilon _{r}(u)$ ist werkstoffabhängig. Schaltungen welche nichtlineare Kondensatoren umfassen können nicht durch die komplexe Wechselstromrechnung behandelt werden.

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:

1. 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.
2. 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. ± 30 ppm/°C,
• Keramik X7R: ± 15 %
• Keramik Y5V: +22 % / -82 %
• Polypropylen (PP): +0,5 % / -1,5 % bzw. -200 ppm/°C
• Polyester (PET): +3 % / -4 %
• Polykarbonat (PC): ± 1 %
• Polyphenylensulfid (PPS): ± 1 %

Bei Temperaturen von 20 °C - 40 °C weisen die Dielektrika (mit Ausnahme von Polypropylen) einen 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:

Material	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
Polyphenylensulfid (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 Dissipation kann die zulässige Betriebstempratur eins Kondensators überschritten werden. Dies kann zur Explosion des Bauteils und der Verursachung von Bränden führen.

Induktivität (ESL) & Reihenwiderstand (ESR)

Defekt (Aufblähen der Aluminiumgehäuse) durch den Einsatz ungeeigneter Elektrolytkondensatoren mit zu hohem ESR im Schaltregler eines PC-Mainboards

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 (engl. equivalent series inductance; 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 (engl. 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 äquivalente induktive Blindwiderstand (ESL) wirkt dem kapazitiven Blindwiderstand des Kondensators entgegen und verringert den Scheinwiderstand des Kondensators hin zu höherer Frequenz zunächst bis zur Serienresonanz, um danach wieder anzusteigen. Schließlich überwiegt der induktive Anteil und der Kondensator ist als solcher unwirksam. Der ohmsche Anteil (ESR) addiert sich ebenfalls vektoriell zum Blindanteil und muss bei Hochfrequenzanwendungen berücksichtigt werden. Für Standardanwendungen spezifizierte Elkos haben ihre Serienresonanz oft bereits unterhalb von 100 kHz und sind auch aufgrund des hohen ESR nicht für höherfrequente Anwendung geeignet. Für solche Fälle (z. B. Schaltnetzteile) gibt es Low-ESR (< 1 Ω), ultra-Low-ESR (< 100 mΩ) und Low-ESL-Elektrolytkondensatoren.

Der ESR eines Kondensators lässt sich bei einer bestimmten Frequenz mit Hilfe des frequenzabhängigen Verlustfaktors tanδ und der Kapazität C wie folgt berechnen:

$ESR={\frac {\tan {\delta }}{\omega \cdot C}}$

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. Insbesonder können Kondensatoren im Picofaradbereich durch eine entsprechende Ausformung von Leiterzügen auf einer Leiterplatte ersetzt werden: Zwei gegenüberliegende Kupferflächen von 1 cm² haben bei einem Abstand von 0,5 mm beispielsweise bei Verwendung von FR4-Material (ε_r=3,4) eine Kapazität von 6 pF.

Siehe auch

Commons: Bilder von Kondensatoren – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

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
• Grundlagen und Funktionsweise
• Versuch zur Kondensatorformel
• Aufladen und Entladen eines Kondensators (mit Formelherleitungen)
• Kurzes englisches Tutorial zu ESR und ESL
• CapSite Technische Details zu industriell relevanten Kondensatoren
• Eigenbau von Kondensatoren: Make your own High-Voltage Capacitor, Tony van Roon (englisch)
• Technische Daten und weiterführende Informationen finden sich auf den Seiten der Hersteller, insbesondere: AVX, epcos, Europe Chemi-Con, KEMET, muRata, Panasonic, RUBYCON, VISHAY, WIMA