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Ratgeber
Kondensatoren gehören zu den wichtigsten passiven Bauelementen. Kaum eine elektronische Schaltung kommt ohne sie aus. Es gibt viele verschiedene Kondensatortypen, von sehr kleinen perlförmigen für Miniatur-Resonanzkreise bis hin zu großen Kondensatorblöcken im Hochspannungsbereich. Sie alle haben die gleiche Funktion: Sie speichern Ladung. In unserem Ratgeber machen wir Sie mit der grundlegenden Kondensator-Technologie vertraut, außerdem stellen wir die wichtigsten Kondensatortypen vor.
In seiner Grundform besteht ein Kondensator aus zwei oder mehr parallelen, leitenden Platten oder Plättchen. Sie sind nicht miteinander verbunden, sondern durch Luft oder durch Isoliermaterial elektrisch getrennt. Das Isoliermaterial wird als Dielektrikum bezeichnet und kann Wachspapier, Glimmer, Keramik, Kunststoff oder halbflüssiges Gel sein.
Aufgrund dieser Isolierschicht kann kein Gleichstrom durch den Energiespeicher fließen, er wird vielmehr als elektrische Ladung in den Platten gespeichert. Wenn ein Kondensator jedoch an einen Wechselstromkreis angeschlossen ist, scheint der Strom direkt durch ihn hindurch zu fließen, mit wenig oder gar keinem Widerstand.
Es gibt zwei Arten von elektrischer Ladung, eine positive Ladung in Form von Protonen und eine negative Ladung in Form von Elektronen. Bei Gleichspannung sammelt sich die positive Ladung auf der einen Platte, die negative auf der anderen Platte. Für jedes Teilchen mit positiver Ladung wird eine Ladung mit demselben Vorzeichen von der negativen Platte abgezogen. Dadurch bleiben die Platten ladungsneutral.
Der Elektronenfluss auf die Platten wird als Ladestrom des Energiespeichers bezeichnet. Er fließt so lange, bis die Ladung der angelegten Spannung entspricht. An diesem Punkt wird der Kondensator als vollständig mit Elektronen geladen bezeichnet.
Die verfügbaren Kondensatoren reichen von sehr kleinen, empfindlichen Trimmkondensatoren, die in Oszillatoren oder Funkschaltungen zu finden sind, bis hin zu großen Leistungskondensatoren mit Metalldosen, eingesetzt beispielsweise in Hochspannungskorrektur- und Glättungsschaltungen.
Der Vergleich zwischen den verschiedenen Kondensatortypen erfolgt in der Regel anhand des zwischen den Platten verwendeten Dielektrikums. Wie bei Widerständen gibt es auch bei den Kondensatoren variable Typen, bekannt als Drehkondensatoren. Bei ihnen lässt sich die Kapazität kontinuierlich verändern, zum Beispiel zur Frequenzabstimmung.
Dielektrische Kondensatoren oder auch Drehkondensatoren sind in der Regel variable Typen. Sie besitzen mehrere Platten: einen Satz fester Platten – die Statorschaufeln – und einen Satz beweglicher Platten, die Rotorschaufeln. Die Position der beweglichen Platten im Verhältnis zu den festen Platten bestimmt den Gesamtkapazitätswert.
Die Kapazität ist im Allgemeinen am größten, wenn die beiden Plattensätze vollständig ineinandergreifen. Hochspannungskondensatoren besitzen relativ große Abstände oder Luftspalten zwischen den Platten mit Durchbruchsspannungen von mehreren tausend Volt.
Neben den stufenlos einstellbaren Energiespeichern gibt es auch voreingestellte variable Typen, die sogenannten Trimmer. Dabei handelt es sich in der Regel um kleine Bauelemente, die sich mit Hilfe eines kleinen Schraubendrehers auf einen bestimmten Kapazitätswert einstellen lassen. Sie sind mit sehr kleinen Kapazitäten von 500 Pikofarad oder weniger erhältlich.
Folienkondensatoren sind die gebräuchlichsten aller Kondensatortypen. Sie bestehen aus einer großen Familie von Kondensatoren, die sich in ihrem Dielektrikum unterscheiden.
Dazu gehören Polyester, Polystyrol, Polypropylen, Polycarbonat, metallisiertes Papier oder Teflon. Folienkondensatoren sind in Kapazitätsbereichen von 5 Pikofarad bis 100 Mikrofarad erhältlich, je nach Art des Kondensators und seiner Nennspannung.
Hauptvorteil von Folienkondensatoren gegenüber imprägnierten Papierkondensatoren: Sie funktionieren auch unter hohen Temperaturen. Außerdem weisen sie geringere Toleranzen auf, sie besitzen eine sehr lange Lebensdauer und sind sehr zuverlässig.
Keramikkondensatoren oder Scheibenkondensatoren, wie sie im Allgemeinen genannt werden, enthalten mit Silber beschichtete Porzellan- oder Keramikscheiben. Keramikkondensatoren verfügen über eine hohe Dielektrizitätskonstante und bieten relativ hohe Kapazitäten bei geringer Größe.
Da sie große, nichtlineare Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen, sind sie oft als Entkopplungs- oder Bypass-Kondensatoren im Einsatz, zumal sie nicht polarisiert sind.
Keramikkondensatoren besitzen Kapazitäten von einigen Pikofarad bis zu ein oder zwei Mikrofarad, ihre Spannungswerte sind im Allgemeinen allerdings recht niedrig.
Elektrolytkondensatoren oder kurz Elkos sind im Allgemeinen dann notwendig, wenn sehr große Kapazitäten gefordert sind. Bei ihnen wird anstelle einer sehr dünnen Metallfilmschicht für eine der Elektroden eine halbflüssige Elektrolytlösung in Form eines Gelees oder einer Paste verwendet, die als zweite Elektrode dient. Das Dielektrikum ist eine sehr dünne Oxidschicht in einer Dicke von weniger als zehn Mikrometern.
Die meisten Elkos sind polarisiert, das heißt, die an die Kondensatoranschlüsse angelegte Gleichspannung muss zwingend die richtige Polarität besitzen. Eine falsche Polarisierung kann die isolierende Oxidschicht auflösen und zu dauerhaften Schäden führen.
Elektrolytkondensatoren sind üblicherweise in Gleichstromversorgungsschaltungen oder Kopplungs- und Entkopplungsanwendungen zu finden, da sie aufgrund ihrer großen Kapazität und geringen Größe dazu beitragen, die Brummspannung zu reduzieren. Ein wesentlicher Nachteil ist ihre relativ niedrige Nennspannung. Aufgrund der Polarisierung von Elektrolytkondensatoren dürfen sie auch nicht für Wechselstromversorgungen verwendet werden.
Elkos gibt es im Allgemeinen in zwei Grundformen: Aluminium- und Tantal-Typen.
Unter den Aluminium-Typen sind wiederum zwei Varianten zu finden, eine mit glatter Folie und eine mit geätzter Folie. Die geätzte Folie unterscheidet sich von der einfachen glatten Folie dadurch, dass das Aluminiumoxid auf den Anoden- und Kathodenfolien chemisch geätzt wurde, um die Oberfläche zu vergrößern. Dadurch entsteht ein zwar kleinerer Kondensator, der aber hohen Gleichströmen nicht standhalten kann. Außerdem ist sein Toleranzbereich mit bis zu 20 Prozent recht groß. Typische Kapazitäten für Aluminium-Elektrolytkondensatoren reichen von 1 Mikrofarad bis zu 47.000 Mikrofarad.
Tantal-Elektrolytkondensatoren und Tantal-Perlen sind sowohl als nasse als auch als trockene Elektrolytkondensatoren erhältlich, wobei der trockene oder feste Tantal-Kondensator am häufigsten verwendet wird. Feste Tantal-Typen verwenden Mangandioxid als zweiten Anschluss und sind physikalisch kleiner als die entsprechenden Aluminiumkondensatoren.
Die dielektrischen Eigenschaften von Tantaloxid sind zudem deutlich besser als die von Aluminiumoxid. Das führt zu geringeren Leckströmen und einer besseren Kapazitätsstabilität, sodass sie sich für Sperr-, Bypass-, Entkopplungs-, Filter- und Timing-Anwendungen eignen. Außerdem können Tantal-Typen, obwohl sie gepolt sind, viel leichter an eine Sperrspannung angeschlossen werden als die Aluminiumtypen.
Unter einem Superkondensator ist ein Kondensator mit hoher Kapazität zu verstehen, dessen Speicher viel höher als der anderer Kondensatoren ausfällt. Er schließt die Lücke zwischen Elektrolytkondensatoren und wiederaufladbaren Batterien. Superkondensatoren speichern in der Regel 10- bis 100-mal mehr Energie pro Volumen- oder Masseneinheit als Elektrolytkondensatoren, sie können viel schneller als Batterien Ladung aufnehmen sowie abgeben und vertragen erheblich mehr Lade- und Entladezyklen.
Superkondensatoren sind in Anwendungen zu finden, die überwiegend schnelle Lade-/Entladezyklen benötigen anstatt eine kompakte Langzeit-Energiespeicherung.
Dazu gehören Installationen in Automobilen, Bussen, Zügen, Kränen und Aufzügen, wo sie zum regenerativen Bremsen, zur kurzfristigen Energiespeicherung oder zur Energiebereitstellung im Burst-Modus verwendet werden. Kleinere Einheiten eignen sich als Energie-Backup für statische RAM-Bauteile, zum Beispiel in Smartphones.
Unser Praxistipp: Kondensatoren entladen
Beim Umgang mit Kondensatoren ist zu beachten, dass – je nach deren Kapazität und Spannung – teils beträchtliche und auch potentiell gefährliche Ladungsmengen gespeichert sein können. Um Beschädigungen an Schaltkreisen zu vermeiden und Unfällen vorzubeugen, sollten Kondensatoren deshalb immer entladen werden, bevor mit ihnen gearbeitet wird. Hierzu muss ein geeigneter Verbraucher (Entladewiderstand) gewählt werden. Ein Kurzschließen der Pole ist zu vermeiden, da gerade bei höherkapazitiven Kondensatoren sehr hohe Ströme fließen können, was zu Funkenbildung, Bauteilbeschädigungen und Verschweißen der Kontakte führen kann.