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Ratgeber
Kondensatoren gehören zu den wichtigsten Bauteilen in der Elektrotechnik und Elektronik. Da ihre spezifischen Eigenschaften nicht so einfach durch andere Bauteile ersetzt werden können, funktioniert ohne sie praktisch keine elektronische Schaltung. Was Kondensatoren sind, welche Arten es gibt und worauf es beim Kauf zu achten gilt, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Ein Kondensator stellt ein passives elektrisches Bauelement dar. Als Energiespeicher besitzt er die Fähigkeit, zugeführte Energie in einem elektrischen Feld zu speichern, weshalb man hier auch von elektrischer Ladung spricht. Die (Speicher-)Kapazität wird mit dem Kapazitätswert F (Farad) angegeben, wobei ein F der Kapazität entspricht, den ein Kondensator besitzt, wenn er innerhalb einer Sekunde bei einem Strom von einem Ampere auf eine elektrische Spannung von einem Volt aufgeladen wird.
Vom physikalischen Aufbau her betrachtet, besteht ein Kondensator im Prinzip aus zwei elektrisch leitfähigen Flächen, Elektroden genannt, und einem dazwischen befindlichen elektrischen Isolator, dem Dielektrikum. Kapazitätswert und Spannungsfestigkeit sind abhängig von der wirksamen Elektrodenfläche, deren Abstand zueinander und den Materialeigenschaften des Dielektrikums.
Legt man eine Gleichspannung an einen Kondensator an, dann fliesst so lange ein elektrischer Strom, bis der Kondensator gänzlich geladen ist und sein Spannungswert dem der Spannungsquelle entspricht. Ab diesem Zeitpunkt fliesst kein wesentlicher Strom mehr, der Widerstand tendiert dann gegen Unendlich. Zugleich bleiben Ladung und Energie im Kondensator gespeichert. Bei Wechselspannungen hingegen erfolgt eine fortlaufende Umladung, weshalb Kondensatoren Wechselströme durchleiten. Kondensatoren (Kapazitäten) verhalten sich damit genau anders herum als Induktivitäten, ihr elektrischer Widerstand sinkt mit zunehmender Frequenz.
Eingesetzt werden Kondensatoren unter anderem, um die Restwelligkeit in Gleichrichterschaltungen zu glätten, als Stützkondensatoren um kurzzeitige Einbrüche der Versorgungsspannung durch die gespeicherte Ladung zu überbrücken, in Filterschaltungen als Hoch- oder Tiefpass, zur Funkentstörung, als Zwischenkreiskondensatoren in Schaltnetzteilen, zur Blindleistungskompensation in der Energietechnik und als Energiespeicher, um beispielsweise Blitzlichtgeräte zu zünden oder den Schockimpuls bei medizinischen Defibrillatoren auszulösen.
Kondensatoren gibt es in einer Vielzahl verschiedener Bauarten, um den unterschiedlichen Anforderungen des jeweiligen Einsatzbereiches gerecht zu werden.
Elektrolytkondensatoren, kurz einfach Elkos genannt, sind gepolte Kondensatoren mit – im Bezug zu ihrem Bauvolumen – sehr hoher Kapazität. Als Anodenmaterial findet eine hauchdünne Aluminiumfolie Verwendung. Das Dielektrikum besteht aus Aluminiumoxid, der Elektrolyt selbst ist gelförmig oder flüssig. Elektrolytkondensatoren müssen stets polrichtig angeschlossen werden, eine Verpolung oder den Betrieb an Wechselspannung quittieren sie mit ihrem raschen Ausfall.
Bipolare Kondensatoren sind vom Aufbau her Elektrolytkondensatoren sehr ähnlich. Auch sie besitzen eine hohe Kapazität bei kleiner Bauform, lassen sich aber im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren auch an Wechselspannung betreiben, da sie eben ungepolt sind. Man verwendet sie beispielsweise in Frequenzweichen und als Koppelkondensator in Verstärkerschaltungen.
Drehkondensatoren, auch als Kondensator-Trimmer, Trimmkondensatoren oder Drekos bezeichnet, besitzen eine variable, in bestimmten Grenzen einstellbare Kapazität. Sie bestehen aus einem feststehenden und einem drehbaren Plattenpaket (entsprechend Stator und Rotor genannt), die ineinander gedreht werden können. Je grösser dabei die Überdeckung der Platten und somit die wirksame Elektrodenoberfläche ist, desto mehr nimmt die Kapazität zu. Drehkondensatoren benutzt man in erster Linie für Abstimmungs- und Abgleichzwecke und zur Anpassung der Impedanz in elektronischen Schaltungen.
Folienkondensatoren bestehen aus metallbedampften Kunststofffolien oder einer Kombination aus Metall- und Kunststofffolien, die zu einem Wickel aufgerollt werden und zusammen Elektroden und Dielektrikum bilden. Folienkondensatoren sind für Gleich- und Wechselspannungsanwendungen geeignet und relativ preiswert. Das Verhältnis von Baugrösse zur Kapazität ist gut, zudem besitzen einige Ausführungen Selbstheilungs-Eigenschaften, wenn es zu einem Durchschlag des Dielektrikums kommen sollte. Häufig werden sie als Entstörkondensatoren, für Audioanwendungen und im Automotive-Bereich eingesetzt.
Keramikkondensatoren, gebräuchliches Kürzel Kerko, sind aus dünnen Oxidkeramikschichten aufgebaut, weshalb man sie auch Keramik-Vielschicht-Kondensatoren oder MLCC (Multi Layer Ceramic Capacitor) nennt. Es gibt sie in einem breiten Kapazitätsbereich von wenigen pF bis hinauf zu aktuell etwa 47 µF und für Betriebsspannungen von 6,3 Volt bis zu mehreren tausend Volt. Keramikkondensatoren in SMD-Bauform sind besonders kompakt – bei hohen möglichen Kapazitäten. Auch Keramikkondensatoren sind ungepolt und damit für Wechselspannungs-Anwendungen geeignet.
Tantal-Kondensatoren sind ähnlich wie Elektrolytkondensatoren aufgebaut und besitzen eine Polung, die unbedingt beachtet werden muss. Sie punkten durch hohe Zuverlässigkeit und ein sehr hohe Kapazitäten bei kleinen Bauformen. SMD-Typen sind zudem sehr schock- und vibrationsunempfindlich, weshalb sie auch gerne in der Kfz-Elektrik Verwendung finden. Als Dielektrikum kommt Tantalpentoxid zum Einsatz.
Entstörkondensatoren, auch Funk-Entstörkondensatoren oder Sicherheitskondensatoren genannt, sind speziell zur Unterdrückung von unerwünschten Störsignalen ausgelegt. In elektrischen oder elektronischen Geräten schliessen sie hochfrequente Störsignale entweder kurz oder leiten sie gegen Masse (Erde) ab. Je nach Typ müssen sie erhöhten Sicherheitsanforderungen genügen, um im Fehlerfall gefährliche Betriebszustände und Berührspannungen zu vermeiden.
Bei Supercaps oder Superkondensatoren handelt es sich um passive Bauelemente, die normalen Kondensatoren sehr ähneln, allerdings erheblich höhere Kapazitäten in Verbindung mit niedrigen Betriebsspannungen erzielen. Sie besitzen einen geringen inneren Widerstand, weshalb sie relativ hohe Ströme bei der Auf- und Entladung vertragen können. Supercaps sind gepolt und deshalb nur für Gleichspannung geeignet. Ihre Ladung halten sie über relativ lange Zeit, darum werden sie auch gern anstelle von Pufferbatterien eingesetzt.
Einige Kondensatorbauarten sind sowohl für die konventionelle (THT) Bestückung erhältlich, als auch in SMD-Technik. Grundsätzlich gilt, dass SMD-Kondensatoren Vorteile in Sachen Schock- und Vibrationsfestigkeit haben. Nicht alle Typen sind für Gleich- und Wechselspannung geeignet. Dies muss unbedingt beachtet werden, um Ausfälle und Schäden zu vermeiden.
Auch in den Lebensdauererwartungen gibt es Unterschiede. Ein etwaiger, alterungsbedingter Kapazitätsrückgang sollte ebenfalls beim Schaltungsdesign durch einen entsprechenden Sicherheitszuschlag der Kapazität berücksichtigt werden. Einige Folienkondensatoren besitzen Selbstheilungseigenschaften: eine kurzzeitige Überlastung, beispielsweise durch Spannungsspitzen, führt hier nicht zwingend zu einem Komplettausfall.
Achten Sie auf die maximal zulässige Betriebsspannung. Sie darf keinesfalls – auch nicht kurzzeitig – überschritten werden. Für sicherheitsrelevante Applikationen im Netzspannungsbereich sind spezielle Entstörkondensatoren mit den entsprechenden Prüfzeichen zu verwenden.
Supercaps speichern zwar eine grosse Ladung, diese allerdings nur mit wenigen Volt. Eine Reihenschaltung aus mehreren baugleichen Typen kann hier eine Lösung darstellen. Bei Ersatz defekter Kondensatoren müssen die elektrischen Werte der neuen Teile identisch sein.
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.
Warum eignen sich Keramikkondensatoren meist weniger für Audioanwendungen und Verstärkerschaltungen?
Der sogenannte Piezo-Effekt verursacht bei mechanischen Erschütterungen oder Schwingungen des Kondensators eine geringe Eigenspannung, wodurch störende Spannungsimpulse entstehen können.