Worum geht es?
Ein Kondensator ist ein kleiner Zwischenspeicher für Ladung. Wie ein Wassereimer: Er wird schnell voll und kann sein Wasser auch schnell wieder abgeben.
Innen liegen zwei Metallflächen ganz dicht nebeneinander. Dazwischen ist eine Isolierschicht, das Dielektrikum. Darum kommt Gleichstrom nicht durch, sobald der Kondensator voll ist.
Wie viel er speichern kann, sagt die Kapazität C, gemessen in Farad (F). Ein Farad ist riesig. Meist rechnest du mit µF (Mikrofarad), nF (Nanofarad) und pF (Pikofarad).
Die Formeln
Die Kapazität wird größer, wenn die Platten größer sind, näher beieinanderliegen oder ein Dielektrikum mit großer Dielektrizitätszahl εr dazwischen liegt. Deshalb werden in Kondensatoren lange Folien mit hauchdünner Isolierung aufgewickelt.
Schaltungen
Bei Kondensatoren ist es genau umgekehrt wie bei Widerständen: Parallel addieren sich die Kapazitäten, weil sich die Plattenfläche vergrößert: C = C₁ + C₂. In Reihe wird die Gesamtkapazität kleiner als die kleinste Einzelkapazität: 1C = 1C₁ + 1C₂.
Laden und Entladen
Wird ein Kondensator über einen Widerstand an eine Gleichspannung gelegt, lädt er sich nicht sofort, sondern nach einer typischen Kurve. Wie schnell, bestimmt die Zeitkonstante:
Diese Verzögerung nutzt man zum Beispiel für einfache Zeitglieder, zum Glätten von Spannungen in Netzteilen und zum Entprellen von Tastern.
Kondensator am Wechselstrom
An einer Wechselspannung wird der Kondensator ständig umgeladen. Dabei fließt ein Wechselstrom, obwohl kein Strom durch das Dielektrikum geht. Der Kondensator verhält sich wie ein Widerstand, der mit steigender Frequenz kleiner wird, der kapazitive Blindwiderstand:
Der Strom eilt der Spannung dabei um 90° voraus (siehe Phasenverschiebung). Deshalb eignen sich Kondensatoren zur Blindleistungskompensation und als Betriebskondensator für Einphasenmotoren.
Bauformen
| Bauform | Eigenschaften | Einsatz |
|---|---|---|
| Keramik | klein, pF bis µF, ungepolt | Entstörung, Hochfrequenz |
| Folie (zum Beispiel MKP) | ungepolt, wechselspannungsfest, selbstheilend | Motorkondensator, Kompensation, Netzfilter |
| Aluminium-Elko | große Kapazität, gepolt | Glättung in Netzteilen |
| Tantal-Elko | klein, stabil, gepolt | Elektronik |
| Superkondensator | bis Tausende Farad, kleine Spannung | Pufferung, Kurzzeitspeicher |
Foto: Elcap, „Electrolytic capacitors-P1090328“, Lizenz: CC0 (gemeinfrei), Quelle: Wikimedia Commons, verkleinert.
Elkos sind gepolt. Falsch herum angeschlossen oder an Wechselspannung können sie sich erhitzen und platzen. Außerdem können geladene Kondensatoren noch lange nach dem Abschalten eine gefährliche Spannung halten. Vor Arbeiten an Netzteilen, Umrichtern und Kompensationsanlagen die Entladezeit abwarten und nachmessen.
Rechenbeispiele
Ein Kondensator mit 100 µF liegt an 24 V. Wie groß ist die gespeicherte Ladung?
- Q = 100 · 10−6 F · 24 V = 0,0024 C = 2,4 mC
- Ergebnis: Q = 2,4 mC
Ein Elko mit 470 µF wird über einen Widerstand von 10 kΩ geladen. Nach welcher Zeit ist er praktisch voll?
- τ = 10.000 Ω · 470 · 10−6 F = 4,7 s
- Praktisch voll nach 5 τ = 5 · 4,7 s = 23,5 s
- Ergebnis: rund 23,5 s
Ein Glättungs-Elko in einem Netzteil hat 470 µF und ist auf den Scheitelwert der Netzspannung von 325 V geladen. Wie viel Energie speichert er?
- W = ½ · 470 · 10−6 F · (325 V)² ≈ 24,8 J
- Ergebnis: W ≈ 25 J
Warum das wichtig ist: Das klingt wenig, reicht aber für einen schmerzhaften und gefährlichen Schlag bei über 300 V. Deshalb: Netzteile nach dem Abschalten nicht sofort anfassen.
Ein Betriebskondensator hat 4 µF. Wie groß ist sein Blindwiderstand bei 50 Hz?
- XC = 12 · π · 50 Hz · 4 · 10−6 F ≈ 796 Ω
- Ergebnis: XC ≈ 796 Ω
Typische Fehler
- Elko verpolt: Der Minuspol ist mit einem Streifen gekennzeichnet. Verpolt eingebaut kann der Elko platzen.
- Nennspannung zu klein gewählt: Die Spannung am Kondensator darf seine Nennspannung nie überschreiten, auch nicht kurzzeitig. An 230 V AC zählt der Scheitelwert von 325 V.
- Reihen- und Parallelschaltung vertauscht: Kapazitäten addieren sich parallel, nicht in Reihe.
- Restladung unterschätzt: Auch ausgeschaltete Geräte können geladene Kondensatoren enthalten.
Ein Kondensator speichert Ladung im elektrischen Feld: Q = C · U, Einheit Farad. Laden und Entladen dauert etwa 5 τ mit τ = R · C. Gleichstrom sperrt er nach dem Laden, Wechselstrom lässt er umso besser durch, je höher die Frequenz. Elkos sind gepolt.
Quiz: Teste dich
Zehn Fragen zum Thema Kondensatoren. Nach jeder Antwort bekommst du eine Erklärung. Dein Fortschritt wird auf diesem Gerät gespeichert.