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.

Ladevorgang

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.

τ = R·C

Für die Ladezeit t_L gilt:

t_L= 5·τ

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 seinene eigenene Isolationswiderstand R_is.

&tau_s= R_is·C

Die Selbsentladezeitkonstante &tau_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 / U

1 F = 1 C / 1 V

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

C = ε_r · ε₀ · A / d

Darin ist ε₀ die elektrische Feldkonstante,

ε₀ = 8,854187817 · 10^-12 F/m

ε_r ist eine für das Isolationsmaterial spezifische dimensionslose Materialkonstante, die Dielektrizitätszahl oder Permittivitätszahl.

Zahlenwerte (Beispiele):

Medium	εr
Vakuum	1
Luft	1,0006
Porzellan	2,4 - 6,5
Glas	5 - 16
Wasser (dest.)	81
Keramik	100 - 10000

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 · U² / 2

Wechselstromverhalten

Beim Anschluss an Wechselspannung (Spannung mit periodisch wechselnder Polung) werden die Platten eines Kondensators ständig von positiv nach neagtiv 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 = 1/(2·π·f·C)

Bauformen

Kodensator 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).
3. Durch die isolierenden Eigenschaften des Kondensators kann der Gleichspannungsanteil vom Wechselspannungsanteil getrennt werden.
4. Meßverfahren. Durch die Kapazitätsänderung eines mechanisch realisierten Kondensators können Druck, Abstand und Dicke gemessen werden.

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Verwandte Themen:

• Spule
• Schwingkreis
• Batterie

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