Kondensatoren: Typen, Funktion, Eigenschaften, Anwendungen und Schaltkreise

Wenn Sie sich mit Elektronik beschäftigen, sind Sie wahrscheinlich schon auf Kondensatoren gestoßen. Sie sind wichtige elektronische Bauelemente, die heute für viele Anwendungen unverzichtbar sind. Doch wissen Sie, was ein Kondensator ist und wie er funktioniert?

Was ist ein Kondensator?

A Kondensator ist ein elektrisches Gerät, das Energie in Form elektrischer Ladung speichert. Kondensatoren bestehen aus zwei Leitern, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind. Dieser Abstand kann mit Isoliermaterial oder Vakuum gefüllt sein.
Da Kondensatoren Energie speichern können, finden sie in der modernen Elektronik vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie sind in fast allen elektronischen Geräten zu finden, wo sie weit mehr leisten als nur Energie zu speichern. Sie können auch zur Spannungsaufbereitung, Filterung, Abstimmung usw. eingesetzt werden.

Wie funktionieren Kondensatoren?

Kondensatoren Speichern elektrischer Energie durch Ladungsansammlung zwischen zwei durch ein Dielektrikum getrennten leitfähigen Platten und erzeugen so ein elektrisches Feld. Wie geschieht dies?

Während der Ladephase wird eine Spannungsquelle, beispielsweise eine Batterie, an den Kondensator angeschlossen. Dabei fließen Elektronen vom Minuspol zu einer der Kondensatorplatten und sammeln sich dort, wodurch diese negativ geladen wird. Die andere Kondensatorplatte gibt ebenfalls Elektronen an die Minusseite ab und ist somit positiv geladen.

Durch die Ansammlung von Ladungen auf den Kondensatorplatten entsteht ein elektrisches Feld, das für die Speicherung elektrischer Energie von entscheidender Bedeutung ist.

Die Entladung erfolgt, wenn die Spannungsquelle getrennt und der Kondensator an eine Last, beispielsweise eine Glühbirne, angeschlossen wird. In diesem Fall fließen die gespeicherten Ladungen durch die Last und erzeugen einen Strom, bis der Kondensator vollständig entladen ist.

Kondensatortypen

Kondensatoren werden häufig nach ihrer Struktur klassifiziert. Es gibt drei Haupttypen von Kondensatoren: Festkondensatoren, Drehkondensatoren und Trimmerkondensatoren.

Festkondensatoren haben einen festen Kapazitätswert, während variable Kondensatoren ihre Kapazität variieren können. Im Folgenden werden die verschiedenen Kondensatortypen im Detail betrachtet.

Festkondensatoren

• Keramikkondensatoren

Dies ist der am häufigsten erhältliche Kondensator. Er besteht aus einem dielektrischen Material und ist ein unpolares Bauteil. Er kann in jede Richtung arbeiten und eignet sich daher für viele Schaltkreise.

Diese Kondensatoren werden weiter in drei Klassen eingeteilt. Keramikkondensatoren der Klasse 1 bieten die beste Stabilität, während Klasse 2 den besten volumetrischen Wirkungsgrad bietet, aber an Genauigkeit und Stabilität einbüßt. Klasse 3 bietet einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad, aber einen niedrigen Verlustfaktor und eine niedrige Genauigkeit. Sie werden häufig für Entkopplungsanwendungen eingesetzt.

• Folienkondensatoren

In diesem Fall werden diese Kondensatoren mit einem Filmdielektrikum geliefert. Durch die Verwendung eines solchen Dielektrikums erhalten Sie einen Kondensator mit hoher Haltbarkeit. Trotz guter Haltbarkeit sind sie immer noch kostengünstig.

Der Einsatzzweck des Kondensators bestimmt seine Konstruktion. Bei Hochspannung sind dünnere Schichten erforderlich. Je nach Konstruktion können Folienkondensatoren Spannungen von 50 V bis 2 kV verarbeiten.

• Leistungsfolienkondensatoren

Dieses hat den gleichen Aufbau wie das Filmdielektrikum. Der einzige Unterschied besteht darin, dass hier Polypropylenfolie verwendet wird, um es für spezielle Anwendungen geeignet zu machen.

• Elektrolytkondensatoren

Dieser Kondensatortyp verfügt über eine metallische Anode, die mit einem speziellen Dielektrikum oxidiert wurde. Beispielsweise gibt es einen Aluminium Elektrolytkondensator, Das heißt, er hat ein Dielektrikum aus Aluminiumoxid. Daher hängt die Art des Elektrolytkondensators vom Dielektrikum ab.

Auch diese Kondensatoren sind polarisiert, so dass man eine Kathode und eine Anode erhält.

• Papierkondensatoren

Das Dielektrikum dieser Kondensatoren ist Papier. Die speicherbare Ladungsmenge ist im Vergleich zu anderen Kondensatoren, deren Werte variieren, fest. Aufgrund ihrer Bauweise eignen sie sich gut für Rauschfilter- und Kopplungssysteme. Sie werden in Audiosystemen für Autos eingesetzt.

Variable Kondensatoren

Abstimmkondensatoren sind Beispiele für variable Kondensatoren. Sie sind in Radioschaltungen weit verbreitet und dienen zur Frequenzabstimmung durch einfaches Anpassen der Kapazität.

Trimmerkondensatoren verfügen außerdem über eine einstellbare Kapazität, die für die Feinabstimmung von Schaltkreisen von entscheidender Bedeutung ist.

Eigenschaften von Kondensatoren

Ob Sie sich für eine HVAC-Kondensator oder ein AC-Kondensator, Die Eigenschaften sind oft gleich. Nachfolgend finden Sie einige wichtige Eigenschaften von Kondensatoren, die Sie kennen sollten.

Kapazität (C)

Die Kapazität ist die Fähigkeit eines Kondensators, elektrische Energie zu speichern. Sie wird in Farad (F) gemessen, wobei die gebräuchlichen Einheiten Nanofarad, Picofarad und Mikrofarad sind.

Die Abmessungen des Kondensators und die dielektrischen Materialien beeinflussen die Gesamtkapazität eines Kondensators.

Betriebsspannung (WV)

Dies ist die maximale Spannung, die an einen Kondensator angelegt werden kann, ohne ihn zu beschädigen. Die Kenntnis der Betriebsspannung ist wichtig, da sie einen zuverlässigen Betrieb gewährleistet und einen möglichen Kondensatorausfall verhindert.

Toleranz

Die Toleranz eines Kondensators ist die zulässige Abweichung des Kapazitätswerts vom angegebenen Wert. Kondensatoren haben üblicherweise eine Toleranz von ±5%, ±10% oder ±20%. Dies wird deutlich angegeben, damit Sie wissen, womit Sie arbeiten.

Leckstrom

Es gibt kein perfektes Dielektrikum. Das bedeutet, dass manchmal ein geringer Strom durch den Kondensator fließen kann, obwohl noch Spannung anliegt. Dies wird als Leckstrom bezeichnet.

Dieser Strom wird stark vom dielektrischen Material, der Spannung und der Betriebstemperatur des Kondensators beeinflusst.

Polarisation

Das bedeutet einfach, dass Sie Kondensatoren mit einer bestimmten Polarität kaufen müssen, z. B. mit positivem und negativem Anschluss. Aufgrund ihrer Polarität müssen sie korrekt an den Stromkreis angeschlossen werden, damit dieser ordnungsgemäß funktioniert.

Wenn Sie den Kondensator falsch anschließen, kann er beschädigt werden.

Anwendungen von Kondensatoren

Kondensatoren haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, vor allem zur Energiespeicherung. Sie finden sich häufig in Stromversorgungen. Ihre Aufgabe ist es, den pulsierenden Gleichstromausgang von Gleichrichtern zu glätten und so eine stabilere Stromversorgung zu gewährleisten.

Auch Kamerablitze verwenden Kondensatoren, die den Blitzgeräten einen schnellen Energieschub liefern.

Die Notstromversorgung kann auch Kondensatoren nutzen, um die Stromversorgung bei einem Stromausfall oder beim Batteriewechsel aufrechtzuerhalten. Dies hilft, Datenverlust zu vermeiden.

Filtern ist eine weitere häufige Anwendung von Kondensatoren. Zum Beispiel ein Auto-Audio-Kondensator kann unerwünschte Frequenzen aus den Signalen entfernen. Dazu gehört auch die Beseitigung von Rauschen in Audiogeräten.

Beim AC/DC-Signaltrennungsprozess werden ebenfalls Kondensatoren verwendet, um die DC-Signale zu blockieren, während die AC-Signale durchgelassen werden.

Vor- und Nachteile von Kondensatoren

Kondensatoren haben Vor- und Nachteile. Es hängt alles davon ab, wie Sie sie verwenden. Hier erfahren Sie, was Sie erwartet.

Vorteile

• Sie bieten schnelles Laden und Entladen
• Beeindruckende Lebensdauer bei minimalem Wartungsaufwand
• Sie weisen im Vergleich zu anderen Energiespeichermedien einen geringen Energieverlust auf
• Kondensatoren sind sehr vielseitig, da sie in verschiedenen Größen und Typen erhältlich sind
• Sie sind recht kostengünstig. Es hängt alles vom dielektrischen Material ab.
• Kann für Hochfrequenzanwendungen geeignet sein
• Die Kondensatoren sind hochstabil und so konstruiert, dass sie ihre Kapazität über einen längeren Zeitraum beibehalten.

Nachteile

• Kondensatoren haben eine begrenzte Energiespeicherkapazität
• Die Energie kann auch dann verbraucht werden, wenn sie nicht genutzt wird
• Erwarten Sie Schwankungen in der Speicherspannung in Kondensatoren
• Einige Materialien, wie beispielsweise Polyesterdielektrika, weisen eine höhere Absorption auf, was sich auf Präzisionsschaltkreise auswirkt.

Wie sich Kondensatoren in Schaltkreisen verhalten

Wie andere elektronische Geräte haben Kondensatoren je nach Schaltungsanschluss unterschiedliche Eigenschaften. Hier erfahren Sie, was Sie bei verschiedenen Schaltungen erwarten können.

• Parallel

In diesem Fall ist die Kapazität im Stromkreis die Summe der einzelnen Kapazitäten. Beispiel:

Da alle Kondensatoren parallel geschaltet sind, liegt an ihren Platten die gleiche Spannung an.

• Serie

Die Kapazität für in Reihe geschaltete Kondensatoren wird mit der Kehrwertformel berechnet, um die Gesamtkapazität im Schaltkreis zu erhalten. Die Formel lautet

Bei einer Reihenschaltung weist jeder Kondensator im Stromkreis je nach seiner Position im Stromkreis eine andere Spannungshöhe auf.

Häufige Probleme mit Kondensatoren

Auch Kondensatoren können Probleme aufweisen, selbst wenn sie scheinbar immer einwandfrei funktionieren. Dazu gehören:

• Übermäßige Hitze kann zu einer Überhitzung führen, die das dielektrische Material beschädigen und zu Kurzschlüssen oder Lecks führen kann.
• Überspannung wird nicht empfohlen. Das Anlegen einer höheren Spannung als der Nennspannung des Kondensators kann ihn beschädigen.
• Ein dielektrischer Durchschlag ist möglich. Beispielsweise kann eine zu hohe Spannung zu einem dielektrischen Durchschlag führen. Das bedeutet, dass leicht Strom fließen kann, wenn er nicht fließen soll.
• Elektrolytlecks können bei Elektrolytkondensatoren auftreten. Dabei kann der Elektrolyt mit der Zeit auslaufen oder austrocknen. Dies ist mit zunehmendem Alter oder bei übermäßiger Hitzeeinwirkung möglich.
• Auch physische Schäden können auftreten. Diese können durch physische Belastungen wie Stöße, Vibrationen oder unsachgemäße Handhabung verursacht werden. Diese Schäden können auch zu internen Kurzschlüssen oder Unterbrechungen führen.

So wählen Sie den richtigen Kondensator

Die Wahl eines AC-Startkondensator oder jeder andere Typ hängt von Ihren Bedürfnissen und Ihrer Anwendung ab. Im Folgenden besprechen wir detaillierter, wie Sie die richtige Mehrschicht-Keramikkondensator und andere Typen.

1. Kapazität

Bevor Sie ein ASUS P4PE-Kondensator, betrachten Sie die Kapazität. Diese hängt von der Anwendung ab. Manche Anwendungen erfordern eine höhere Kapazität, andere nicht. Beispielsweise benötigen Anwendungen mit höheren Frequenzen kleine Kapazitätswerte, während bei Energie- und Filteranwendungen das Gegenteil der Fall ist.

2. Nennspannung

Wählen Sie einen Kondensator, der die für Ihre Anwendung erforderliche Spannung aufweist. Noch besser ist es, einen Kondensator mit höherer Spannung zu wählen. Die Ausfallrate ist höher, wenn Sie einen Kondensator mit einer niedrigeren Spannung als erforderlich verwenden.

3. Dielektrikumtyp

Das dielektrische Material beeinflusst den Frequenzgang, die physikalische Größe und die Temperaturstabilität des Kondensators. Keramikkondensatoren Ein Beispiel hierfür sind Kondensatoren. Aufgrund ihres Dielektrikums eignen sie sich für Hochtemperatur- und Frequenzanwendungen. Elektrolytkondensatoren eignen sich für Niederfrequenz- und Hochkapazitätsanwendungen.

4. Toleranz

Die Toleranz gibt an, wie stark die tatsächliche Kapazität vom Nennwert abweicht. Bei empfindlichen Schaltkreisen sollte die Toleranz sehr gering sein, um mit einem Wert nahe dem Nennwert arbeiten zu können.

5. Größe und Paket

Die Größe des Kondensators sollte dem verfügbaren Einbauraum entsprechen. Kondensatoren sind in verschiedenen Größen erhältlich. Berücksichtigen Sie Ihre Designvorgaben und wählen Sie einen Kondensator, der zu Ihrem Projekt passt.

6. Temperaturbereich

Kondensatoren sind für den Betrieb in bestimmten Temperaturbereichen ausgelegt. Wählen Sie daher einen Kondensator, der den Temperaturextremen einer Anwendung standhält. Diese Bewertung wird vom Hersteller angegeben, um Ihnen die Auswahl zu erleichtern.

So testen Sie einen Kondensator

Das Testen eines Kondensators kann auf viele Arten erfolgen. Wir werden jedoch Folgendes berücksichtigen: So überprüfen Sie einen Kondensator mit einem Multimeter. Dies liegt daran, dass Multimeter leicht verfügbar sind und einfach zu verwenden sein sollten.

Befolgen Sie diese Schritte, um den Kondensator zu testen.

• Entladen Sie den Kondensator

Stellen Sie sicher, dass der Kondensator vor dem Test entladen ist. So vermeiden Sie Stromschläge oder Schäden am Multimeter. Schließen Sie dazu einen Widerstand an den Kondensator an oder verwenden Sie ein Kondensatorentladewerkzeug.

• Einrichten des Multimeters

Stellen Sie sicher, dass sich das Multimeter im Kapazitätsmodus befindet, damit Sie den Kondensator testen können. Achten Sie auf Symbole wie F oder Farad zur Angabe der Kapazität.

• Schließen Sie das Multimeter an

Schließen Sie die rote Sonde an den Pluspol und die schwarze Sonde an den Minuspol an. Dies gilt für polarisierte Kondensatoren. Bei unpolarisierten Kondensatoren können die Sonden beliebig angeschlossen werden und funktionieren trotzdem.

• Lesen Sie die Kapazität

Lies den auf dem Multimeter angezeigten Wert ab. Das ist der Kapazitätswert in Farad oder Mikrofarad, je nach Skala des Multimeters. Vergleiche diesen Wert nun mit dem Nennwert des Kondensators. Weicht er deutlich ab, ist der Kondensator möglicherweise defekt.

Abschluss

Kondensatoren sind für viele Schaltkreise unverzichtbar. Sie sind in verschiedenen elektronischen Geräten kaum zu übersehen. Ihre Bedeutung für den reibungslosen Betrieb elektronischer Geräte ist entscheidend. Beim Entwurf einer Schaltung wählen Sie Kondensatoren am besten nach ihrer Verwendbarkeit und Leistung aus, um die Funktionalität der Schaltung zu gewährleisten. Wenn etwas nicht wie erwartet funktioniert, überprüfen Sie immer den Kondensator, um zu prüfen, ob dies die Funktionalität der Schaltung verbessert.