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KONDENSATOR

Kondensatoren gehören zu den unentbehrlichen Bauelementen der Elektronik und sind in der Schublade eines jeden Elektronikers und Elektronik-Bastlers meistens massenhaft vorhanden. Das wesentliche Merkmal eines Kondensators ist sein Fassungsvermögen für elektrische Ladungen. Dieses Fassungsvermögen wird Kapazität genannt und mit dem Formelzeichen C bezeichnet. Die Maßeinheit der Kapazität ist Farad (F). Die Kapazität der Kondensatoren, die am häufigsten verwendet werden, liegt im Mikrofaradbereich und wird mit µF bezeichnet. Sehr oft werden auch Kondensatoren mit Kapazitäten im Bereich von Nano- und Pikofarad verwendet.

1 Mikrofarad (1µF) = 0,000001 F
1 Nanofarad (nF) = 0,000000001 F
1 Pikofarad (pF) = 0,000000000001 F

Neben der Kapazität gehört die maximal zulässige Spannung zu den wichtigsten Kenngrößen eines Kondensators. Des Weiteren ist wichtig, ob es sich um einen gepolten oder ungepolten Kondensator handelt. Bei gepolten Kondensatoren ist unbedingt darauf zu achten, dass sie in der richtigen Richtung eingebaut werden.
Grundsätzlich haben Kondensatoren mit größerer Kapazität ein größeres Volumen. Die Anschlüsse können axial (an entgegengesetzten Seiten des Kondensators) oder radial (an der gleiche Seite des Kondensators) herausgeführt werden. Bei Kondensatoren mit kleiner Kapazität handelt es sich meistens um Keramikkondensatoren, bei größeren Kapazitäten (ab 1µF) um Elektrolytkondensatoren. Die Lebensdauer von Keramikkondesatoren beträgt mehrere Jahrzehnte, die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren ist umstritten.

Elektrolytkondensatoren radial

Parallel- und Reihenschaltung

Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren

Bei einer Parallelschaltung von Kondensatoren ist die Gesamtkapazität gleich der Summe der Einzelkapazitäten. Die entsprechende Formel lautet:

Gesamtkapazität einer Parallelschaltung

Eine Reihenschaltung von Kondensatoren bewirkt eine Kapazitätsverringerung. Die Gesamtkapazität der Reihenschaltung von Kondensatoren ist kleiner als die kleinste Einzelkapazität. Die Formel für Gesamtkapazität einer Reihenschaltung sieht wie folgt aus:

Gesamtkapazität einer Reihenschaltung

Kondensatoren können unterschiedliche Größen und Bauformen haben.

Laden / Entladen / Zeitkonstante

Laden und Entladen eines Kondensators

Sobald wir einen Kondensator mit einem vorgeschalteten Widerstand an eine Spannungsquelle anschließen, fängt er an sich aufzuladen. Je größer die Kapazität des Kondensators, umso länger dauert der Ladevorgang. Genauso gilt, je größer der Widerstand umso länger die Ladezeit. Auf der Abbildung haben wir die Situation, wenn der Schalter S1 geschlossen wird. Im Einschaltmoment fließt der größte Ladestrom, da der Kondensator noch ganz leer ist. Im ersten Moment wirkt der Kondensator also wie ein Kurzschluss. Dann steigt die Gegenspannung am Kondensator an, er wird zunehmend aufgeladen und folglich fließt ein immer geringerer Ladestrom. Der Zustand dauert an bis der Kondensator ganz aufgeladen ist. Die Spannung am Kondensator verhält sich während des Ladevorgangs gerade umgekehrt wie der Strom. Sie steigt bis zur angelegten Versorgungsspannung an, der Strom dagegen fällt immer mehr ab.
Sobald wir den Schalter S2 schließen (S1 ist jetzt wieder offen) beginnt der Entladevorgang. Der Entladestrom ist jetzt allerdings dem Ladestrom entgegengesetzt. Spannung und Stromstärke sinken jetzt auf null, bis der Kondensator ganz entladen ist, ab.
Die Berechnung der Lade- oder Entladezeit erfolgt mit Hilfe der Zeitkonstante τ. Die Zeitkonstante ist leicht zu errechnen:

τ = R * C

Man stellte bei den Kondensatoren eine gewisse Gesetzmäßigkeit fest. In der Zeit wird ein Kondensator beim Ladevorgang auf 63% vom Höchstwert aufgeladen bzw. auf 37% vom Höchstwert entladen. Praktisch betrachtend kann man sagen, dass ein Kondensator vollständig aufgeladen oder entladen ist, wenn eine Zeit, die fünfmal so lang ist wie die Zeitkonstante, vergangen ist.

Beispiel

Ein Kondensator mit der Kapazität 10 µF wird mit einem Vorwiderstand an eine Spannungsquelle von 100V angeschlossen. Der Vorwiderstand hat einen Wert von 100 kΩ. Wie lange dauert es, bis der Kondensator vollständig aufgeladen ist?
Lösung:
Zunächst berechnen wir die Zeitkonstante τ:

wir wissen, dass

daraus folgt:

Unsere Zeitkonstante für dieses Beispiel beträgt also 1 sek.
Da die völlige Aufladung des Kondensators nach einer Zeit, die fünfmal länger als Zeitkonstante ist erfolgt, ergibt sich
t = 5 * τ = 5 sek.

Wechselstromkreis

Neben Gleichstromkreisen finden Kondensatoren ebenfalls große Verwendung in den Wechselstromkreisen. Hier verhält sich der Kondensator allerdings etwas anders. Wird er an eine Wechselspannung angeschlossen, so fließt, im Rhythmus der Wechselspannung, ständig ein Lade- und Entladestrom. Ein geladener Kondensator stellt im Gleichstromkreis eine Sperre dar, im Wechselstromkreis kann er als durchlässig betrachtet werden. Seine Durchlässigkeit steigt mit steigender Frequenz der Spannungsquelle. Strom und Spannung treten bei einem Kondensator mit zeitlicher Verschiebung auf. Das kann man damit erklären, dass zuerst der Ladestrom fließen muss, bevor sich die Spannung aufbauen kann. D.h. im Wechselstromkreis kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Hier eilt der Strom voraus.
Kondensatoren, deren Herstellung jährlich über 1000 Milliarden Stück erreicht, gehören zu den wichtigsten Bauteilen der Elektronik und sind heute beinah in allen elektrischen und elektronischen Geräten vorzufinden.

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