Kondensator: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 3. August 2008, 13:21 Uhr

Der Autor möchte hier weder die an anderen Stellen zu findenden Formelsammlungen wiedergeben, noch mit diesem Artikel ein Fachbuch ersetzten. Einzig die Grundlagen, die (aus eigener Erfahrung) für einen Hobby-Bastler von Interesse sind, sollen hier dargestellt werden.

Ein Kondensator ist ein passives Bauelement mit der Eigenschaft, elektrische Ladung und somit Energie zu speichern. Er besteht aus zwei elektrisch leitenden Flächen (Elektroden). Zwischen diesen befindet sich immer das Dielektrikum, ein Bereich mit isolierenden Eigenschaften (im einfachsten Fall Luft). Die einfachste Bauform eines Kondensators besteht also aus zwei parallelen Platten mit elektrischen Anschlüssen.

Grundlagen

Wird eine Spannung an die Anschlüsse eines ungeladenen Kondensators angelegt, so fließt zeitabhängig ein elektrischer Strom, welcher eine Elektrode positiv und die andere negativ auflädt. Diese elektrische Ladung des Kondensators bleibt erhalten, wenn er von der Spannungsquelle getrennt wird: Der Kondensator hält seine Spannung. Entnimmt man dem Kondensator Ladung (also Strom), so sinkt seine Spannung wieder.

Die gespeicherte Ladung ist proportional zur Spannung zwischen den Elektroden des Kondensators. Diese Proportionalität wird als Kapazität bezeichnet, sie ist das wesentliche Merkmal eines Kondensators.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Maximalspannung, die ein Kondensator zwischen seinen Elektroden ertragen kann. Wird diese Spannung überschritten, ist das Dielektrikum nicht mehr in der Lage, seine isolierenden Eigenschaften zu behalten. Es kommt es zu einem Durchschlagen der Ladungsträger, der Kondensator wird zerstört.

Kondensator an Gleichspannung

Kondensator an sinusförmiger Spannung

Kondensator an rechteckförmiger Spannung

Technisch bedeutsame Größen

Hier sollen nur die für einen Hobby-Bastler technisch interessanten Kenngrößen aufgeführt werden.

- Kapazität

- Spannungsfestigkeit

Die Isolierschicht im Kondensator kann nur eine bestimmte Spannungs aushalten. Wenn diese Spannung überschritten wird, wird in der Regel der Kondensator zerstört. Einige Folienkondesatoren sind selbstheilend und könne einige male kurze Überspannungen vertragen, verlieren dabei aber an Kapazität. Die angebenen Spannungen sind garantierte mindestwerte und enthalten zum Teil auch noch etwas Reserve.

- Strombelastbarkeit

Der reale Kondensator hat einen internen Serienwiderstand und zusätzlich Verluste im Dielektrikum. Wegen der damit verbunden Erwärmung darf nur ein begrenzter (Wechsel-)Strom durch den Kondensator fließen. Die Strombelastbarkeit ist relativ niedrig bei Elkos und einigen Folienkondensatoren. Wichtig ist diese Beschränkung in Schaltnetzteilen.

- Selbstentladung

Praktische Bedeutung

Bauarten

Keramik-Kondensator (Kerko)

Wie der Name schon sagt, besteht bei diesen Kondensatoren das Dielektrikum aus einem keramischen Material. Verwendet werden z. B. Titandioxid oder Bariumtitanat, beigemischt werden u.a. Aluminium-Silikate, Magnesium-Silikate oder Aluminiumoxide.
Keramik-Kondensatoren bilden eine große Gruppe von Kondensatoren im Kapazitätsbereich von 0,5 pF bis zu einigen 100 µF. Von der verwendeten Keramikart sind im wesentlichen 2 Arten zu unterscheiden:

1) Ferroelektrische Keramiken geben hohe Kapatzitäten, aber auch eine starke Nichtlinearität und Temperaturabhängigkeit. Diese Kondensatoren sind im wesenlichen als Energiespeicher und Abblockkondensator geeignet.

2) Normale Keramiken (z.B. NP0) erlauben geringe Verluste und Temperaturkoeffizienten, allerdings nur relativ geringe Kapatzitäten (normal bis ca. 1 nF). Diese Kondensatoren eignen sich gut für Hochfrequenz- und Filteranwendungen.

Folien-Kondensator

Hierbei werden Folien aus Kunststoff oder Kunststoffmischungen als Dielektrikum verwendet. Sie werden in zwei Ausführungen hergestellt:

Kunststoff-Folienkondensatoren mit Metallbelag bestehen aus je zwei Lagen Metallfolie und Kunststofffolie. Diese sind abwechselnd geschichtet und üblicherweise aufgegewickelt.
Ein metallisierter Kunststoff-Folienkondensator besteht aus zwei Kunststofffolien, die auf beiden Seiten mit Aluminium bedampft sind und aufgewickelt oder geschichtet werden. Diese Kondensatorart ist bei einem Durchschlag selbstheilend, da die dünne Metallschicht vom Lichtbogen um den Durchschlagkanal herum verdampft wird.

Folienkondensatoren werden hauptsächlich in Hochspannungsanwendungen verwendet, können aber auch wie Keramik-Kondensatoren in Hochfrequenz- und Filteranwendungen eingesetzt werden.

Elektrolyt-Kondensator (Elko)

Die große Gruppe der Elektrolyt-Kondensatoren gibt es in verschiedenen Technologien: Als Aluminium-Elko mit Aluminiumoxid, als Tantal-Elko mit Tantal-Pentoxid oder als Niob-Elko mit Niob-Pentoxid als Dielektrikum.
Bei diesen Kondensatoren wird auf dem Metall der Anode durch Elektrolyse eine nichtleitende Isolierschicht als Dielektrikum erzeugt. Der Elektrolyt (fest, flüssig oder eine Paste) bildet dabei die Kathode (Gegenelektrode). Die Stromzuführung zum Elektrolyten erfolgt über Folien gleichen Metalls wie das der Anode oder über eine geeignete Kontaktierung des Elektrolyten.

Die Anode eines Elektrolyt-Kondensators wird zur Vergrößerung der Oberfläche auf verschiedene Arten strukturiert. Auf Grund der großen Oberfläche und des äußerst dünnem Dielektrikums können mit Elektrolyt-Kondensatoren bei kleiner Bauweise relativ hohe elektrische Kapazitäten von bis zu einem Farad erreicht werden.
Elektrolyt-Kondensatoren sind fast immer gepolte Bauelemente. Elkos dürfen nicht mit falscher gepolter Spannung betrieben werden und können schon bei geringer Überspannung zerstört werden (in beiden Fällen besteht Explosionsgefahr bei Aluminium Elkos). Der Ausfall von Tantal-Elkos (passiert relativ leicht) führt in der Regel zu einem Kurzschluß.
Niob-Elektrolytkondensatoren ähneln Tantal-Elektrolytkondensatoren; sie stellen bei Spannungen zwischen 1,8 V und 6 V eine kostengünstige Alternative dar.

Elektrolyt-Kondensatoren können nur eingesetzt werden, wenn ein Verpolungsschutz sichergestellt ist. Auf Grund ihrer hohen Kapazität geschieht dies meist im Bereich der Spannungsversorgung und -stabilisierung.

Durch die relativ hohen Verluste (ESR) können größeren Strömen Elkos erwärmen und auf Dauer auch zerstören (nicht selten Ursache für defekte Motherboards). Besonders in Schaltnetzteilen muß darum auf die Strombelastbarkeit der Elkos geachtet werden.

Doppelschicht-Kondensator

Auch Superkondensatoren genannt; Markennamen Gold Cap, Supercap, UltraCap, BoostCap u.a.
Sie zeichnen sich durch die höchste Energiedichte bei Kondensatoren aus. Ihre hohe Kapazität basiert auf einem flüssigen Elektrolyten, der an der Grenzschicht zu den Elektroden ein dünnes Dielektrikum von wenigen Atomlagen bilden. Dies wird kombiniert mit einer meist aus Aktivkohle hergestellen großen Elektrodenoberfläche.
Doppelschicht-Kondensatoren haben nur eine Spannungsfestigkeit von ca. 5,5 Volt, eine begrenzte Anzahl von Lade-Entladezyklen (typischerweise eine Million) und eine geringe Lebensauer bei erhöhter Umgebungstemperatur (nur ca. tausend Stunden bei 70 °C). Doppelschicht-Kondensatoren sind wie Elektrolytkondensatoren ebenfalls gepolte Bauelemente.

Da Doppelschicht-Kondensatoren im Gegensatz zu Akkus nicht überladen werden können, werden sie ohne zusätzlich notwendige Schaltungen meist als geräteinterne unterbrechungsfreie Spannungsversorgung eingesetzt.

Sonderarten

Metallpapier-Kondensator (MP)

Sie bestehen aus je zwei Lagen ölgetränktem Papier (als Dielektrikum) und Metallfolie, die aufgewickelt sind. Das Papier dient als mechanische Trennung der Elektroden, das Öl bestimmt die dielektrischen Eigenschaften. MP-Kondensatoren finden vor allem im Bereich der Leistungselektronik, z.B. bei Wechselstrommotoren, Verwendung; im Hochspannungsbereich sind sie selbstheilend.

Glimmer-Kondensator

Hierbei wird ein Dielektrikum aus dem natürlich vorkommenden Mineral Glimmer verwendet, welches eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist und auf Grund seiner Struktur in dünne Blättchen spaltbar ist (bis zu 20 µm). Kondensatoren aus diesem Material werden aufgrund der niedrigen Verlustfaktoren in der Sendetechnik und aufgrund ihre Konstanz in Schwingkreisanwendungen für hohe Anforderungen verwendet.

Bauformen

Die heutzutage verfügbaren Bauformen spiegeln den Fortschritt in der Entwicklung sowie den immer weiter steigenden Preisdruck in der Fertigung wieder. Auf die ursprünglich vorhandene mechanischen Befestigung mittels Schrauben folgte die Entwicklung mit Anschlussdrähten für die Leiterplattenmontage (liegende Bauform = axial; stehende Bauform = radial). Heute sind, verbunden mit der Bauteilminiaturisierung, zudem noch die oberflächenmontierbaren SMD-Bauelemente in allen möglichen Varianten verfügbar.

Daneben finden sich aber auch immer noch Bauformen für speziellen Anforderungen, z.B. Flachband- oder Schraubanschlüsse für Hochstromanwendungen oder Durchführungskondensatoren im HF-/UHF-Bereich.

Anwendungsbeispiele

Filter

Die einfachste Verwendungsmöglichkeit von Kondensatoren findet man im Bereich der Frequenzfilter. Dort werden sie, zusammen mit Widerständen und ggf. auch Spulen als RC- oder RLC-Glieder ausgelegt. In ihrer Funktionalität unterscheidet man die so entstehenden Schaltungen zwischen Tief-, Hoch- oder Bandpassfiltern.

Ausführliche Informationen dazu siehe unter Filter (Elektronik)

Schwingkreis

Ein Schwingkreis ist eine Reihen- oder Parallelschaltung aus Kondensator und Spule. Sie ist so aufgebaut, daß die vorhandene Energie zwischen dem elektischen Feld des Kondensators und dem magnetischen Feld der Spule periodisch ausgetauscht wird.
Ein Schwingkreis schwingt theoretisch unendlich lange mit seiner idealen Resonanzfrequenz. Infolge der realen Bauteile und deren ohmschen Anteilen gilt jedoch eine davon abweichende reale Resonanzfrequenz; zudem nimmt die Amplitude der Schwingung im Laufe der Zeit ab, man spicht von einer „gedämpften Schwingung“. Durch aktive Verstärkerschaltungen muß regelmäßig wieder Energie zugeführt wird. Eine solche Schaltung bildet dann einen Oszillator.

Aus einzelnen Bauteilen diskret aufgebaute Schwingkreise werden heute hauptsächlich in der HF-Technik als Abstimmkreise, Oberwellen- oder Frequenzfilter eingesetzt. Hier kommen dann auch oft in ihren Kenngrößen veränderliche Bauteile (Trimmkondensatoren, Kapazitätsdioden, Spulen mit variablen Kernen) zum Einsatz.
In der Digitaltechnik haben diskret aufgebaute Schwingkreise wegen des hohen Schaltungsaufwandes so gut wie keine Bedeutung. Hier werden Schwingquarze oder Quarzoszillatoren wegen des einfacheren Schaltungsaufwandes sowie ihrer höheren Frequenzgenauigkeit bevorzugt.

Spannungsstabilisierung

Signalentstörung

Die häufigste Anwendung eines Kondensators im Bereich der Signalentstörung ist seine Verwendung als Abblockkondensator
(Kommentar: Auch wenn Gelehrte streiten mögen, ob das nicht eher zur Spannungsstabilisierung dient... aber die Spannung ist ja stabil im Bereich dessen, was digitale ICs vertragen (müssten)!).

--Williwilli 08:59, 25. Jul 2008 (CEST)