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Lernpaket Elektronische Schaltungen selbst entwickeln und aufbauen

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Kondensatoren

Plattenkondensator
Kondensatoren sind Bauelemente, die elektrische Ladungen bzw. elektrische Energie speichern können.
Die einfachste Form eines Kondensators besteht aus zwei gegenüberliegenden Metallplatten. Dazwischen befindet sich ein Dielektrikum, welches keine elektrische Verbindung zwischen den Metallplatten zulässt. Das Dielektrikum ist als Isolator zu verstehen.
Legt man an einen Kondensator eine Spannung an, so entsteht zwischen den beiden metallischen Platten ein elektrisches Feld. Eine Platte nimmt positive, die andere Platte negative Ladungsträger auf. Die Verteilung der Ladungsträger ist auf beiden Seiten gleich groß.
Kondensatoren unterscheiden sich nach Art der Spannung. Es gibt Gleichspannungs- und Wechselspannungskondensatoren. Gleichspannungskondensatoren sind gepolt. Die Anschlüsse dürfen nicht vertauscht werden. Wechselspannungskondensatoren sind ungepolt und dürfen sowohl an Wechsel- als auch an Gleichspannung betrieben werden. Die Höhe des Effektivwerts der Nennwechselspannung darf dabei nicht überschritten werden.

Schaltzeichen

Normal
Schaltzeichen Kondensators
Elektrolytkondensator
Schaltzeichen Elektrolytkondensator
Drehkondensator
Schaltzeichen Drehkondensator
Trimmerkondensator
Schaltzeichen Trimmerkondensator

Kapazität

Die Kapazität ist die Eigenschaft eines Bauteils eine elektrische Energie zu speichern. Der Kondensator ist das elektronische Bauelement, das diese ausgeprägte Eigenschaft besitzt. Die Kapazität hat als Formelzeichen das große C. Es ist die Abkürzung für das englische Wort Capacity. Die Maßeinheit ist das große F für Farad. Meist werden Kondensatoren in µF, nF oder pF angegeben. In dieser Größenordnung befinden sich die gebräuchlichsten Kapazitäten.
Farad (F) kommt vom Engländer Michael Faraday, der den gleichnamigen Käfig erfunden hat und von dem auch die elektrische Feldtheorie stammt. Er wurde durch die Benennung der Kapazität geehrt.
Die Ladungsmenge hat das Formelzeichen Q und die Einheit Coulomb (C). Die Ladung besteht aus Strom mal Zeit (Ampere mal Sekunde). Die Einheit C der Ladungsmenge darf mit dem Formelzeichen C der Kapazität nicht verwechselt werden.
Formel zur Berechnung der Energie Win F (C/V)
Formel zur Berechnung der elektrischen Ladung Qin F (As/V)

Die Kapazität eines Kondensators wird durch seine baulichen Größen bestimmt.
Die Kapazität C ist umso größer,

Formel zur Berechnung der Dielektrizitätskonstante in As/Vm = F/m
Formel zur Berechnung der Kapazität Cin F

Dielektrikum / Dielektrizitätszahl εr

Die Dielektrizitätszahl εr gibt an, um welchen Faktor sich die Kapazität vergrößert, wenn statt Luft ein anderes Dielektrikum verwendet wird. Je höher die Dielektrizitätszahl ist, desto höher die Kapazität oder kleiner die Kondensatorbauform.
Die Dielektrizitätszahl gibt an, um wie viel das Dielektrikum besser ist als Luft mit εr = 1.

Dielektrikumεr
Luft1
Papier2
Glimmer5
Porzellan6
Kondensatorkeramik60-3000

Durchschlagsfestigkeit

Die Durchschlagsfestigkeit eines Kondensators ist auf das Dielektrikum bezogen. Sie bestimmt die höchste Spannung, die am Kondensator anliegen darf. Wird die Spannung überschritten isoliert das Dielektrikum nicht mehr. Es kommt zu einem Durchschlag durch das Dielektrikum.

Kondensatorverlust

Ein Kondensator entlädt sich immer selbst. Die Entladung entsteht durch die Isolation, die Beschaltung, den Kondensatorbelag und das Dielektrikum. Die Entladung nennt man auch Kondensatorverlust. Besonders bei Wechselspannung entsteht durch die Umpolarisierung ein hoher Verlust. Deshalb gibt es spezielle Wechselspannungskondensatoren.

Temperaturabhängigkeit

In Filtern und Schwingkreisen spielt der Temperatur-Koeffizient TK eine große Rolle. In Abhängigkeit der Temperatur verändert sich die Kapazität. Die Änderung kann positiv oder negativ sein. Im Idealfall ändert sich die Kapazität bei einer Temperaturänderung nicht. Manche Anwendungen benötigen eine exakt berechnete Kapazität.

Ersatzschaltbild eines Kondensators

Ersatzschaltbild eines Kondensators
Jeder Kondensator hat teilweise höchst unerwünschte Eigenschaften, die sich als parasitäre Effekte bemerkbar machen und die Kapazität negativ beeinflussen.
Eine erhebliche Gefahr stellt die Induktivität LESL (engl. Equivalent Series Inductivity L) dar, die je nach Zuleitung und Bauform zwischen 1 und 100 nH betragen kann. Zum Beispiel entsteht bei einem Wickelkondensator eine nicht unerhebliche Induktivität, die man inzwischen im Griff hat. Bei hohen Frequenzen macht sich diese Induktivität unangenehm bemerkbar. Im Resonanzfall wird der Kondensator zum LC-Schwingkreis (siehe Ersatzschaltung).
Im Ersatzschaltbild wird der Isolationswiderstand des Dielektrikums mit Risol (100 GΩ ... 1 TΩ) oder bezogen auf den Reststrom bei Elektrolytkondensatoren als RLeak dargestellt. Dieser Widerstand sorgt für die Selbstentladung des aufgeladenen Kondensators.
Dann gibt es noch kapazitive Blindanteile XC. Zusammen mit dem ohmschen Wirkanteil RESR (engl. Equivalent Series Resistance) ergibt sich ein komplexer frequenzabhängiger Scheinwiderstand Z. Er wird auch als Impedanz bezeichnet.
Die ohmschen Anteile, wie Anschlussdrähte, Kontaktwiderstände und die Plattenbeläge werden im Widerstand RESR zusammengefasst.

Übersicht: Kondensatoren

-Kondensator Kapazität Toleranz Eigeninduktivität Abmessung Spannung selbstheilendgepolt
Papier- 100 pF...1µF20 %großgroß 125...1000 Vneinnein
Metall-Papier- 0,1...50 µF20 %großgroß 160...600 Vjanein
Styroflex- 2 pF...50 nF20 %kleinmittel 50...500 Vneinnein
Metall-Kunststoff- 0,01...0,25 µF20 %mittelklein 300 V...5 kVjanein
Metall-Lack- 0,1...200 µF20 %mittelsehr klein 60...120 Vjanein
Keramik- 0,5 pF...100 nF20 %sehr kleingroß 250...500 Vneinnein
Elektrolyt- 0,5...10000 µF -20%...+50%großsehr klein 3...650 Vjaja

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