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2. Kondensatoren

2.1 Grundlagen

Kondensatoren sind Bauelemente, die elektrische Ladungen speichern. Der einfachsteKondensator besteht aus zwei metallischen Platten (Elektroden, Belge), die durch eineisolierende Schicht (Dielektrikum) voneinander getrennt sind (Plattenkondensator; Abb. 2.1).Die Kapazitt eines Kondensators ist der Kennwert, der ausdrckt, wieviel Ladung dasBauelement speichern kann. Sie ist um so hher, je grer die Flche der Elektroden ist, jeenger diese zusammenstehen, also je dnner das Dielektrikum ist, und je besser es isoliert.

Abb. 2.1 Der Plattenkondensator.

Es gibt Kondensatoren mit fester und mit einstellbarer Kapazitt. Die weitere Einteilungbezieht sich einerseits auf die Einsatzgebiete mit ihren besonderen Anforderungen undandererseits auf die Bauform sowie die Art des Dielektrikums. Grundstzlich ist zwischengepolten und ungepolten Kondensatoren zu unterscheiden (Abb. 2.2). An ungepoltenKondensatoren darf Wechselspannung anliegen, und es darf Wechselstrom durchflieen.Beide Elektroden sind gleichartig; es spielt keine Rolle, "wie herum" der Kondensatorangeschlossen wird. An gepolten Kondensatoren (Elektrolytkondensatoren) darf hingegennur eine Spannung anliegen, deren Polung sich nicht ndert*. Dabei ist die eine Elektrode(Anode) an das jeweils positivere, die andere (Katode) an das jeweils negativere Potentialanzuschlieen.

*: In vielen Einsatzfllen ist dies eine mit Wechselspannung berlagerte Gleichspannung.

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Abb. 2.2 Kondensatoren.

Tabelle 2.1 gibt einen berblick ber die Wirkungen des Kondensators und derenanwendungsseitige Ausnutzung.

Wirkung Anwendungsbeispiele in Stichworten

Energiespeicherung Glttung pulsierender Spannungsverlufe(Siebkondensator),

zustzlicher Energienachschub beiStromspitzen, Entkopplung (Sttzkondensator),

Zwischenspeicher fr Spannungswandlung,(Spannungsverdoppler, Ladungspumpe usw.),

Spannungsversorgung(Energiespeicherkondensator)

Ladungsspeicherung zeitweilige Speicherung von Analogwerten; Abtast-und Haltefunktionen

ein Stromimpuls (Laden oder Entladen) bewirkteinen Spannungsverlauf gem einerExponentialfunktion die Spannung ber einemKondensator kann sich nicht sprunghaft ndern

Glttung; Integrieren; Tiefpawirkung

eine Spannungsnderung bewirkt einenStromflu, der exponentiell abklingt

Erkennen von und Reagieren auf nderungen;Differenzieren; Hochpawirkung; Funkenlschung;Entstrung

Sperren von Gleichstrom Entkopplung; galvanische Trennung; Isolation

Durchleiten von Wechselstrom Wechselstromkopplung; Ableiten von Strungen

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Wirkung Anwendungsbeispiele in Stichworten

definierter Wechselstromwiderstand bei praktischunendlich hohem Gleichstromwiderstand(Blindwiderstand; kein Wirkwiderstand, alsoauch keine Verlustleistung)

(nahezu) verlustlose Spannungsteilung(Abschwchung) von Wechselspannung

der Wechselstromwiderstand sinkt mit steigenderFrequenz

Filterwirkungen, Ableiten von Strungen, Frequenzgangkompensation

Phasenverschiebung zwischen Strom undSpannung

Schwingungserzeugung; Blindleistungs-, Frequenz-und Phasengangkompensation

Spannungs- und Stromverlufe beim Laden undEntladen in Abhngigkeit von Zeitkonstante =R C

zeitbestimmende Schaltungen;Verzgerungswirkungen; Formung vonSignalverlufen

Tabelle 2.1 Kondensatorwirkungen und deren Ausnutzung.

Der Kondensator erinnert sich der Nachladeeffekt Ein Kondensator wird aufgeladen. Dann wird er belastet bis hin zum Kurzschlu. Somitwird die Ladung wieder abgebaut. An sich sollte der Kondenator vollstndig entladen sein,an seinen Anschlssen sollte also keine Spannung mehr anliegen. Wird nun aber dieBelastung aufgehoben, so kann es vorkommen, da der Kondensator erneut eine Ladungaufweist, die ebenso gepolt ist wie die ursprngliche. An den zuvor kurzgeschlossenen Elektroden liegt dann wieder eine Spannung an (Nachladespannung). Grenordnung: 0,01...0,1 Betriebsspannung. Der Nachladeeffekt (dielektrische Absorption; Soakage) hngt nichtvon der Kapazitt und Bauart ab, sondern von der Art des Dielektrikums. Einen besondersgeringen Nachladeeffekt haben u. a. Polystyrol, Polypropylen und C0G-Keramik.

2.2.2 Der Kondensator im SchaltplanIn Abb. 2.3 sind die blichen Schaltsymbole fr Kondensatoren zusammengestellt.

Abb. 2.3 Schaltsymbole fr Kondensatoren

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2.2.3 ErsatzschaltungenAbb. 2.4 zeigt verschiedene Ersatzschaltungen fr Kondensatoren. Welche davon jeweils inBetracht kommt, hngt von Ausfhrung, Bauform und Betriebsfrequenz ab.

LESL Ersatzserieninduktivitt (ESL)

RESR Ersatzserienwiderstand (ESR)

RI Isolationswiderstand (Leckwiderstand)

C der ideale Kondensator

RDA Widerstand der dielektrischen Absorption

CDA Kapazitt der dielektrischen Absorption

Abb. 2.4 Ersatzschaltungen fr Kondensatoren. a) ungepolter Kondensator, allgemein; b)zustzlich mit Bercksichtigung der dielektrischen Absorption (Nachladeeffekt); c), d) ungepolter

Kondensator (Wechselstromersatzschaltungen); e), f) Elektrolytkondensator(Gleichspannungsersatzschaltungen). c) bis f) sind praxisbliche Vereinfachungen. ber ihreAnwendbarkeit entscheidet der jeweilige Einsatzfall und die Grenordnung der Kennwerte.

Das allgemeine Ersatzschaltbild des ungepolten Kondensators (Abb. 2.4a) ergibt sich aus demgrundstzlichen Aufbau. Der Kondensator besteht aus zwei Elektroden, die durch einDielektrikum voneinander getrennt sind. Das Dielektrikum ist kein perfekter Isolator. Derbergangswiderstand zwischen beiden Elektroden ist der Isolationswiderstand(Leckwiderstand) RI. Die Elektroden sind ebenso wie die Zuleitungen und Anschlsse keine idealen Leiter. Die entsprechenden ohmschen Widerstnde werden zu einemErsatzserienwiderstand (Equivalent Series Resistance) RESR zusammengefat. Aus demmechanischen Aufbau des Kondensators ergeben sich parasitre Induktivitten. Hierzu tragensowohl die Zuleitungen als auch die Elektrodenanordnung bei (vor allem dann, wenn sie alsWickel ausgefhrt ist). Diese Anteile werden zu einer Ersatzserieninduktivitt LESLzusammengefat.

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Der Nachladeeffekt (dielektrische Absorption) kann nicht immer vernachlssigt werden. ImErsatzschaltbild (Abb. 2.4b) wird er durch eine zustzlichen Kondensator CDA nachgebildet,der die verbleibende Ladung speichert. Auch dieser Kondensator weist einemErsatzserienwiderstand RDA auf, der den Entladestrom begrenzt.

In vielen Fllen ist der Nachladeeffekt so gering und der Isolationswiderstand so hoch, dabeide vernachlssigt werden knnen (Abb. 2.4c); der typische ungepolte Kondensator weistlediglich einen Ersatzserienwiderstand RESR und eine Ersatzserieninduktivitt LESL auf.

Ist die Frequenz nicht allzu hoch und sind die Zuleitungen kurz (wie beispielswese bei SMD-Bauformen), so knnen auch die parasitren Induktivitten vernachlssigt werden (Abb.2.4d). Die Reihenschaltung aus Kapazitt und Ersatzserienwiderstand ist die Grundlagevieler berschlgiger Berechnungen.

Elektrolytkondensatoren werden nicht mit Wechselspannung betrieben. Deshalb kann manin vielen Einsatzfllen die parasitren Induktivitten vernachlssigen(Gleichspannungsersatzschaltungen). Der Leckwiderstand RI kann aber typischerweise nichtvernachlssigt werden (Abb. 2.4e, f).

2.2.4 KennwerteBezugstemperatur (Nenntemperatur) Die Kennwerte sind temperaturabhngig. Wertangaben werden deshalb auf eineNenntemperatur bezogen. Typische Werte:+ 20 C, + 23 C, + 25 C .

Kapazittswert (Nennwert) Kondensatoren werden in einer Vielzahl genormter, abgestufter Nennwerte gefertigt. Diegenormten Nennwerte sind in den E-Reihen vorgegeben. Ist die Kapazitt einstellbar,bezeichnet der Nennwert den grten einstellbaren Kapazittswert.

Der Bereich der angebotenene Nennwerte erstreckt sich ber alles gesehen von unter 1pF bis zu ber 100 F. In der Schaltungspraxis der Elektronik hat man es vor allem mitNennwerten zwischen einigen pF und einigen tausend F zu tun..

Die Nennwertangabe betrifft den unbelasteten Kondensator bei Nenntemperatur. Dertatschliche Kapazittswert im praktischen Betrieb hngt von der Genauigkeit, mit der dasBauelement gefertigt wurde (Toleranz), und von den Einsatzbedingungen ab (Belastung,Umgebungstemperatur).

Isolationswiderstand und Leckstrom Beide Angaben bezeichnen im Grunde dasselbe. Zu ungepolten Kondensatoren wird zumeistder Isolationswiderstand angegeben, zu Elektrolytkondensatoren der Leckstrom. Ein niedrigerLeckstrom entspricht einem hohen Isolationswiderstand und umgekehrt. DerIsolationswiderstand sinkt mit steigender Temperatur.

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Hinweise:

1. Manche Dielektrika (z. B. Keramiken) haben einen so hohen Isolati