Der Kondensator
Grundlagen zu Funktionsweise, Typen und Praxis-Kenngrößen
Das am häufigsten in der Elektronik verwendete Bauelement ist der Kondensator. In diesem Beitrag erfährst du, was ein Kondensator ist, welche Typen von Kondensatoren es gibt und wie ein Kondensator in einem Stromkreis oder einer elektronischen Schaltung wirkt. Zusätzlich zu den schriftlichen Erklärungen findest du ergänzende Videos im Artikel integriert.
Was ist ein Kondensator und welche Typen gibt es?
Kondensatoren gehören zu den passiven Bauelementen. Das heißt, dass ein Kondensator ausschließlich durch seine charakteristischen Eigenschaften in Stromkreisen und Schaltungen wirkt und nicht aktiv gesteuert werden kann. Die besondere Eigenschaft von Kondensatoren ist, dass sie Ladung und somit Energie speichern, wenn eine Spannung an sie angelegt wird. Die physikalische Größe, welche die Speicherfähigkeit für die Ladung beschreibt, heißt Kapazität. Die Einheit für die Kapazität lautet Farad mit einem F als Einheitenzeichen.
Merke: Ein Kondensator ist ein passives Bauelement, welches Ladung und somit Energie speichert, wenn eine Spannung angelegt wird.
Die elementare Gleichung für den beschrieben Zusammenhang lautet:
Aufgrund der enormen Bedeutung von Kondensatoren und ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten gibt es viele verschiedene Typen von Kondensatoren. Einige der wichtigsten Verteter findest du inklusive einiger Eigenschaften in der folgenden Liste:
Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren muss darauf geachtet werden, dass sie eine Polarität haben, es gibt also einen Plus- und Minus-Anschluss. Sie haben eine charakteristische Becherform, in der zwei Folien gewickelt sind, welche die Elektroden bilden. Charakteristisch für Alu-ElKos ist ihre hohe Nennkapazität im Mikro- bis in den hohen Milli-Farad Bereich. Allerdings haben sie einen vergleichsweise hohen Ersatzserienwiderstand und -induktivität, wodurch sie Ladung im Vergleich zu Keramikkondensatoren deutlich langsamer abgeben und keine schnellen / hochfrequenten Spannungsschwankungen ausgleichen können. Eine typische Anwendung ist die Spannungsglättung und -Pufferung nach einer Gleichrichtung, beispielsweise in Netzteilen.
Keramikkondensatoren sind die in modernen Elektroniken am häufigsten eingesetzten Kondensatortypen. Sie können als Vielschicht-Keramikkondensatoren (Englisch: Multi Layer Ceramic Capacitor, kurz MLCC) oder als Scheibenkondensatoren ausgeführt sein. Erstere sind meist oberflächenmontierte Bauelemente (Surface Mounted Device), letztere meist bedrahtete Bauelemente. Keramikkondensatoren haben keine Polarität, es ist also egal wie sie angeschlossen werden. Anwendungen von Keramikkondensatoren sind beispielsweise als Block- / Stütz-Kondensatoren direkt an Versorgungspins von integrierten Schaltkreisen oder als Teil von passiven R-C-Tiefpassfiltern an Eingängen von integrierten Schaltkreisen wie beispielsweise Analog-Digital-Wandler-Eingängen.
Der Name der Folienkondensatoren rührt von ihrem Dielektrikum, dieses wird durch eine Kunststofffolie gebildet, die beidseitig mit einer Metallisierung versehen ist, welche die Elektroden bildet. Folienkondensatoren zeichnet aus, dass sie eine hohe Stabilität der Kapazität über die Temperatur und eine hohe Impulsfestigkeit haben. Deshalb sind sie gut als Entstörkondensatoren in Netzfiltern geeignet.
Wie bei den Aluminium-Elektrolytkondensatoren muss auch bei den Tantal-Elektrolytkondensatoren auf die Polung geachtet werden. Tantal-Elektrolytkondensatoren haben bessere elektrische Eigenschaften als Alu-ElKos, beispielsweise haben sie einen niedrigeren ESR und eine geringere Kapazitätsänderung bei Temperaturschwankungen sowie über die Lebensdauer (keine Austrocknung). Allerdings sind sie auch empfindlich bei Überspannungen oder Falschpolung, was bis zum Kurzschluss / Zerstörung führen kann. Preislich liegen Tantal-Elektrolytkondensatoren höher als Aluminium-Elektrolytkondensatoren.
In der Praxis gibt es einige wichtige Kenngrößen von Kondensatoren, die für das reale Verhalten des Kondensators sowie die Grenzen seiner Einsetzbarkeit ausschlaggebend sind. Zu diesen Kenngrößen gehören:
Die Kapazität eines Kondensators gibt an wie viel Ladung bei einer bestimmten Spannung gespeichert werden kann ( C = Q / U ). Sie ist eine Konstante, ändert sich jedoch unter Einfluss von äußeren Parametern wie Temperaturänderungen, Alterung oder auch der angelegten Spannung. Der Einfluss dieser Parameter auf die Kapazität ist von Kondensatortyp zu Kondensatortyp unterschiedlich. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren kommt es beispielsweise zu einer Abnahme der Kapazität über die Lebensdauer insbesondere bei hohen Temperaturen, da der flüssige Elektrolyt austrocknet. Die Kapazitätswerte von Kondensatoren in Elektronik-Baugruppen liegen überlicherweise im Bereich von wenigen Nano-Farad bis zu dreistelligen Mikro-Farad Werten.
Kondensatoren haben eine tendenziell hohe Toleranz zur vom Hersteller spezifzierten Kapazität. Übliche Toleranzangaben liegen im Bereich 5 %, 10 % oder gar 20 %. Das heißt ein Folienkondensator mit einer Kapazität von 1 Mikrofarad und einer Toleranz von 10 % kann real einen Kapazitätswert von 0,9 Mikrofarad bis 1,1 Mikrofarad (bei Raumtemperatur) aufweisen. Die Toleranz kommt durch die Fertigungsabweichungen und die Bauform zustande.
Die Nennspannung ist die maximale Gleichspannung, die bei Raumtemperatur dauerhaft an einen Kondensator angelegt werden kann, ohne dass der Kondensator beschädigt wird.
Der Betriebstemperatur-Bereich sagt aus, in welchem Temperatur-Bereich der Kondensator betrieben werden darf. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren muss beachtet werden, dass sich ihre Lebensdauer verkürzt, wenn sie bei hohen Temperaturen betrieben werden (Faustformel: pro dT = 10 Kelvin dauerhaft erhöhte Temperatur halbiert sich die Lebenszeit). Keramikkondenstoren sind aufgrund ihres Aufbaus deutlich weniger empfindlich bei Temperaturschwankungen.
Der Ersatzserienwiderstand (Englisch: Equivalent Series Resistance, kurz ESR) ist der innere Verlustwiderstand von Kondensatoren. Ein Kondensator ist nie nur ein ideales kapazitives Bauelement, sondern hat auch Ohmsche und induktive Anteile. Der ESR entspricht dem ohmschen Anteil des Kondensators, dieser verursacht Verluste beim Umladen des Kondensators.
Es gibt zwei grundsätzliche Technologien, wie Bauelemente als Teil von elektronischen Schaltungen auf Leiterplatten montiert werden können. Für beide Technolgien haben Kondensatoren jeweils eigene Bauformen. Diese betrachten wir im Folgenden.
Die erste Leiterplatten-Technolgie wird Through Hole Technology, kurz THT genannt. Wie der englische Name schon sagt, wird das Bauelement dabei durch Bohrungen in der Leiterplatte gesteckt und dann auf der Unterseite festgelötet. Wie das funktioniert, kannst du im Artikel zum Löten lernen. THT-Bauformen gibt es für alle geläufigen Kondensatoren-Typen. Sie werden auch auf Steckbrettern eingesetzt und werden dir am Anfang deiner „Elektronik-Karriere“ am häufigsten begegnen, da sie auch in diversen Starter-Kits wie von Arduino enthalten sind.
Die zweite Leiterplattentechnologie wird Surface-Mounting Technology, kurz SMT genannt. Die zugehörigen Bauelemente heißen Surface Mounted Devices, zu Deutsch „oberflächenmontierte Bauelemente“. Die Abkürzung für die (geläufigere) englische Bezeichnung ist SMD. Auf modernen Elektronik-Leiterplatten wirst du unzählige winzig kleine SMD-Kondensatoren entdecken können. Der häufigste Typ sind dabei die Multi Layer Keramikkondensatoren (MLCC).
Wie verhält sich ein Kondensator bei Gleichspannung?
Wie bereits beschrieben, speichern Kondensatoren Ladung, wenn Spannung an sie angelegt wird. Wird eine Gleichspannung angelegt, kommt es zum Ladevorgang mit einem charakteristischen Spannungsverlauf. Die Spannung steigt zunächst schnell an und nähert sich dann asymptotisch der angelegten Gleichspannung. Während dem Ladevorgang kann Strom (sogenannter Verschiebungsstrom) durch den Kondensator fließen. Ist der Aufladevorgang beendet, kann auch kein Strom mehr fließen und der Kondensator ist eine Sperre für Gleichstrom. Wenn die Spannungsversorgung vom Kondensator entfernt wird, zum Beispiel durch einen Schalter, und ein geschlossener Stromkreis existiert, gibt der Kondensator die gespeicherte Ladung wieder ab. Es kommt ebenfalls zu einem charakteristischen Spannungsverlauf, bei dem die Spannung exponentiell abnimmt und auf 0 V sinkt.
In folgenden Bildern ist eine einfache Reihenschaltung eines Widerstands und eines Kondensators gezeigt, die durch eine Batterie mit einer Klemmenspannung von U = 9,4 V versorgt wird. In der oberen Schalterstellung des Schalters S1 wird der Kondensator aufgeladen. In der unteren Schalterstellung sind Widerstand und Kondensator von der Batterie getrennt. Da jedoch ein geschlossener Stromkreis gebildet wird, kann sich der Kondensator entladen.
Die Zeitdauer für Lade- und Entladevorgang werden durch den Widerstands- und den Kapazitätswert bestimmt. Die Zeitkonstante Tau (griechischer Buchstabe) ist dabei die charakteristische Zeit, nachdem beim Ladevorgang 63 % der angelegten Spannung erreicht wird. Nach der Zeit von 5 x Tau gilt der Kondensator als geladen. Für den Entladevorgang gilt, dass die Spannung nach der Zeit Tau auf 37 % ihres Anfangswertes gesunken ist. Nach 5 x Tau gilt der Kondensator als entladen.
Merke: Wird eine Spannung an einen Kondensator angelegt, wird dieser mit einem charakteristischen Spannungsverlauf aufgeladen. Nach dem Ladevorgang ist der Kondensator eine Sperre für Gleichstrom.
Ein Kondensator verzögert also einen sprunghaften Spannungsanstieg oder -abfall. Dadurch eignen sich Kondensatoren gut zur Glättung von Spannungsverläufen, zum Beispiel nach der Gleichrichtung einer Wechselspannung und auch zum Ausgleichen von schnellen Spannungsänderungen an den Versorgungspins von integrierten Schaltkreisen.