Reihenschaltung von Kondensatoren

Reihenschaltung von Kondensatoren

Eine Reihenschaltung von Kondensatoren ist dann gegeben, wenn durch alle Kondensatoren der gleiche Wechselstrom oder Lade-/Entladestrom (Gleichstrom) fließt.
Die Reihenschaltung von Kondensatoren bewirkt eine Kapazitätsverringerung, vergleichbar mit einer Vergrößerung des Plattenabstands bei gleicher Plattenfläche.
Manchmal nennt man die Reihenschaltung auch Serienschaltung. Egal wie, die Kondensatoren werden immer hintereinander geschaltet.

  • Häufig ist eine berechnete Kapazität als Kondensator nicht vorhanden. Stattdessen werden zwei oder mehr Kondensatoren in Reihe geschaltet, um auf den berechneten Wert zu kommen.
  • Bei hohen Spannungen werden mehrere Kondensatoren in Reihe geschaltet, um die Gefahr eines Durchschlags zu verhindern. Dabei ist es hilfreich, dass sich die Gesamtspannung an den Kondensatoren aufteilt.

Verhalten der Spannungen

Die Gesamtspannung Uges teilt sich an den Kondensatoren in der Reihenschaltung auf. Die Summe der Teilspannungen ist gleich der Gesamtspannung. An der kleinsten Kapazität fällt die größte Spannung ab. An der größten Kapazität fällt die kleinste Spannung ab.
Formel

Verhalten der Kapazität

Die Gesamtkapazität der Reihenschaltung ist kleiner als die kleinste Einzelkapazität. Durch jeden weiteren Reihenkondensator sinkt die Gesamtkapazität.
Formel

Verhalten der Ladungen

Die Ladungen der Kondensatoren sind gleich groß.
Formel

Reihenschaltung von zwei Kondensatoren

Sind nur zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet, dann lässt sich die Gleichung zur Berechnung der Kapazität vereinfachen.
FormeloderFormel

Was bei der Reihenschaltung von Kondensatoren in der Praxis zu beachten gibt

Bei einer Reihenschaltung von Kondensatoren will man sich den Vorteil der geringeren Teilspannungen zu Nutze machen. Rein rechnerisch teilt sich die Gesamtspannung an den in Reihe geschalteten Kondensatoren auf.
Aber, im Einschaltmoment herrschen undefinierte Zustände, wobei genau dann ein Kondensator kaputt gehen kann. Es ist aber ebenso möglich, dass die Zerstörung erst nach längerer Zeit und während des Betriebs erfolgt. Wobei sich jeder Kondensatortyp anders verhält.

Elektrolytkondensatoren, vor allem wenn sie älter sind, formieren sich beim Anlegen einer Spannung. Befinden sich in der Reihenschaltung Elektrolytkondensatoren, welche diesen Effekt nicht haben, dann liegt hier unter Umständen die volle Spannung an einem Kondensator an, während sich die anderen formieren. Elektrolytkondensatoren ohne Formierung können dabei Schaden nehmen.
Eine Reihenschaltung von Elektrolytkondensatoren sollte man nur dann machen, wenn es keinen Kondensator gibt, der eine genügend hohe Nennspannung hat. Zum Beispiel bei Hochvoltnetzteilen.

Beim Einsatz von ungepolten Wickel- und Keramik-Kondensatoren in einer Reihenschaltung muss man zwischen Wechselspannung und und Gleichspannung unterscheiden.
Solche Kondensatoren haben eine Toleranz bis zu plus-minus 20 %. Diese Toleranz muss unbedingt in die Berechnung der einzelnen Nennspannungen einbezogen werden. Die Nennspannung eines einzelnen Kondensators muss je nach Kapazitäts-Toleranz deutlich höher sein als die errechnete Teilspannung.

Es gilt die Regel: Beim Ermitteln der richtigen Nennspannung, darf man die Gesamtspannung nicht einfach durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Kondensatoren teilen, sondern muss die Kapazitätstoleranz berücksichtigen, was die einzelnen Nennspannungen erhöht.

Besonders zu beachten gilt es, dass die Zerstörung der Kondensatoren erfolgen kann, wenn sie an die Wechselspannung geschaltet werden, wenn diese gerade ihren Spitze-Wert hat.
Die dabei auftretende steile Einschaltflanke ist vergleichbar mit einem sehr kurzzeitigen HF-Strom. Da hat der Kondensator typischerweise einen sehr niedrigen kapazitiven Widerstand, der einen hohen Spitzenstrom zur Folge hat. Deshalb wird ein Widerstand in Reihe zu den Kondensatoren geschaltet, der für eine gewisse Strombegrenzung sorgt.

Wie sieht es bei Gleichspannung aus? In der Praxis verteilt sich die Spannung ungleichmässig. Das liegt dann zum einen an unterschiedlichen Toleranzen der Kapazitäten, aber auch an den extrem hochohmigen Leck-Widerständen im Dielektrikum der einzelnen Kondensatoren. Auch diese haben Toleranzwerte.
Die Kondensatoren mit hochohmigeren Leck-Widerständen laden sich auf eine höhere Spannung auf als die anderen. Diesen Prozess vermeidet man mit weniger hochohmigen und definierten Widerständen, die parallel zu den einzelnen Kondensatoren geschaltet werden.

Ohne Vorsichtsmaßnahmen zur Spannungs- und Strombegrenzung muss man immer mit dem schlimmsten rechnen. Hierbei muss man berücksichtigen, dass ein Kondensator mit der Zeit leidet und irgendwann später kaputt geht. Wobei es unterschiedliche Tode gibt. Eine zu hohe Spannung führt zu einem internen Durchschlag mit anschließendem Kurzschluss. Bei selbstheilenden Kondensatoren wird beim Durchschlag ein wenig der Metallfolie verdampft und so entsteht eine minimale Reduktion der Kapazität. Wiederholungen sorgen mit der Zeit zu einem zunehmenden Ungleichgewicht der Kapazitäten.
Und wenn einer durch Kurzschluss kaputt geht, dann knallt es auch bei den anderen, weil die dann erst recht zu viel Spannung abbekommen.

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