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VoltBase Bauteile Kondensatoren
Thema 22 Bauteile

Kondensatoren

Energiespeicher im elektrischen Feld: wie Kondensatoren aufgebaut sind, wie sie laden und entladen und wo du ihnen begegnest.

ca. 7 Minuten Grundlagen Quiz mit 10 Fragen
01

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).

Aufbau eines Plattenkondensators Zwei Metallplatten mit dem Abstand d, dazwischen ein Isolierstoff. Die linke Platte ist positiv geladen, die rechte negativ. Zwischen ihnen verlaufen Feldlinien. +−+−+−+−+−+− Abstand d Isolierstoff (Dielektrikum) Platte, Fläche A
Zwei Platten, ein Isolator: Legt man eine Spannung an, sammeln sich auf der einen Platte positive, auf der anderen negative Ladungen. Dazwischen entsteht ein elektrisches Feld (graue Linien), in dem die Energie gespeichert ist. Durch den Isolierstoff selbst fließt kein Strom.
02

Die Formeln

Ladung
Q=C · U
Q in C · C in F · U in V
Gespeicherte Energie
W=½ · C · U²
W in J
Plattenkondensator
C=ε₀ · εr · Ad
große Fläche, kleiner Abstand = große Kapazität

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.

03

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:

Zeitkonstante
τ=R · C
τ in s · R in Ω · C in F
Ladekurve eines Kondensators Die Kondensatorspannung steigt zuerst schnell, dann immer langsamer an. Nach einer Zeitkonstante sind 63 Prozent erreicht, nach fünf Zeitkonstanten über 99 Prozent. 1 τ2 τ3 τ4 τ5 τ U63 % nach 1 τ: 63 %nach 5 τ: über 99 %, praktisch voll Zeit tuC
Laden über einen Widerstand: Am Anfang fließt viel Strom, die Spannung steigt schnell. Je voller der Kondensator, desto langsamer geht es weiter. Die Zeitkonstante τ = R · C gibt das Tempo an. Beim Entladen verläuft die Kurve spiegelbildlich nach unten.

Diese Verzögerung nutzt man zum Beispiel für einfache Zeitglieder, zum Glätten von Spannungen in Netzteilen und zum Entprellen von Tastern.

04

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:

Kapazitiver Blindwiderstand
XC=12 · π · f · C
XC in Ω · f in Hz · C in F

Der Strom eilt der Spannung dabei um 90° voraus (siehe Phasenverschiebung). Deshalb eignen sich Kondensatoren zur Blindleistungskompensation und als Betriebskondensator für Einphasenmotoren.

05

Bauformen

BauformEigenschaftenEinsatz
Keramikklein, pF bis µF, ungepoltEntstörung, Hochfrequenz
Folie (zum Beispiel MKP)ungepolt, wechselspannungsfest, selbstheilendMotorkondensator, Kompensation, Netzfilter
Aluminium-Elkogroße Kapazität, gepoltGlättung in Netzteilen
Tantal-Elkoklein, stabil, gepoltElektronik
Superkondensatorbis Tausende Farad, kleine SpannungPufferung, Kurzzeitspeicher
Sammlung verschiedener Elektrolytkondensatoren: kleine tropfenförmige Tantal-Elkos, SMD-Bauformen, Becher-Elkos und ein großer blauer Elko
Elektrolytkondensatoren in vielen Bauformen: Links tropfenförmige Tantal-Elkos, in der Mitte SMD-Bauformen zum Auflöten, rechts Aluminium-Elkos bis zu einigen tausend µF. Auf dem Gehäuse stehen Kapazität und Nennspannung. Ein Streifen markiert den Minuspol.

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.

06

Rechenbeispiele

01 Gespeicherte Ladung

Ein Kondensator mit 100 µF liegt an 24 V. Wie groß ist die gespeicherte Ladung?

  1. Q = 100 · 10−6 F · 24 V = 0,0024 C = 2,4 mC
  2. Ergebnis: Q = 2,4 mC
02 Wie lange dauert das Laden?

Ein Elko mit 470 µF wird über einen Widerstand von 10 kΩ geladen. Nach welcher Zeit ist er praktisch voll?

  1. τ = 10.000 Ω · 470 · 10−6 F = 4,7 s
  2. Praktisch voll nach 5 τ = 5 · 4,7 s = 23,5 s
  3. Ergebnis: rund 23,5 s
03 Energie im Netzteil-Elko

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?

  1. W = ½ · 470 · 10−6 F · (325 V)² ≈ 24,8 J
  2. 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.

04 Blindwiderstand eines Motorkondensators

Ein Betriebskondensator hat 4 µF. Wie groß ist sein Blindwiderstand bei 50 Hz?

  1. XC = 12 · π · 50 Hz · 4 · 10−6 F ≈ 796 Ω
  2. Ergebnis: XC ≈ 796 Ω
07

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.
Merke

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.

08

Quiz: Teste dich

Zehn Fragen zum Thema Kondensatoren. Nach jeder Antwort bekommst du eine Erklärung. Dein Fortschritt wird auf diesem Gerät gespeichert.

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