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Hier erfahren Sie alles Wissenswerte über Kondensatoren, einschließlich Kapazität, Messung von elektrischer Ladung und den verschiedenen Arten von Kondensatoren.

Kondensatoren spielen eine wichtige Rolle bei den passiven elektronischen Komponenten – sie sind allgegenwärtig und bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten.

Erinnern Sie sich noch an das Blitzlicht in Ihrer Digitalkamera? Kondensatoren machen das möglich. Oder die Funktion zum Umschalten des Fernsehkanals? Ebenfalls Kondensatoren. Diese Dinger sind die kleinen Energiespeicher in elektronischen Geräten. Bevor Sie Ihr erstes Elektronikprojekt in Angriff nehmen, sollten Sie sich daher mit den Grundlagen über Kondensatoren vertraut machen.

Es ist wie ein Eiscreme-Sandwich

Ganz einfach ausgedrückt, speichert ein Kondensator eine elektrische Ladung, ganz ähnlich wie eine Batterie. Kondensatoren kommen in Anwendungen vor, bei denen Energie gespeichert, Spannung unterdrückt oder sogar Signale gefiltert werden müssen. Wie sehen sie aus? Nun, wie ein Eiscreme-Sandwich!

Denken Sie an ein leckeres Eiscreme-Sandwich. Es besteht aus zwei Waffeln mit einer Schicht Vanilleeis in der Mitte. Bei einem Kondensator ist es ähnlich: Er besteht aus zwei Außen- und einer Innenschicht.

Schauen wir uns nun die Bestandteile genauer an.

• Zuerst die Außenseiten: Oben und unten am Kondensator befinden sich leitende Metallplatten. Diese Metallplatten wirken sehr anziehend auf eine elektrische Ladung.
• Dann die Mitte. Zwischen diesen beiden Metallplatten befindet sich ein Isolator. Dabei handelt es sich um ein Material, das keine elektrische Ladung anzieht. Dieser Isolator wird häufig als Dielektrikum bezeichnet und kann aus Papier, Glas, Gummi, Kunststoff oder anderen Materialien bestehen.
• Zuletzt der Anschluss: Die beiden Metallplatten auf der Ober- und Unterseite eines Kondensators werden über zwei elektrischen Anschlüsse an einen Schaltkreis angeschlossen. Ein Ende des Kondensators wird an die Stromversorgung angeschlossen, das andere leitet zur Erde.

Kondensatoren in allen Formen und Größen

Kondensatoren gibt in verschiedenen Formen und Größen. Diese entscheiden jeweils darüber, wie gut ein Kondensator eine Ladung speichern kann. Die drei häufigsten Kondensatoren sind der Keramikkondensator, der Elektrolytkondensator und der Superkondensator:

Keramikkondensatoren

Mit diesen Kondensatoren werden Sie wahrscheinlich an Ihrem ersten Elektronikprojekt arbeiten, bei dem Sie eine Steckplatine, ein sogenanntes Breadboard, verwenden. Im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren speichern Keramikkondensatoren eine geringere Ladung, haben aber auch einen geringeren Leckstrom. Zufällig sind sie auch die kostengünstigsten Kondensatoren und schon allein deswegen besonders interessant. Einen durchkontaktierten Keramikkondensator können Sie leicht an den kleinen gelben oder roten Stegen erkennen, aus denen zwei Anschlüsse herausragen.

Elektrolytkondensatoren

Diese Kondensatoren sehen aus wie die kleinen Blechdosen auf einer Leiterplatte. Obwohl sie so klein sind, können sie eine enorme elektrische Ladung speichern. Sie sind auch der einzige Kondensatortyp, der gepolt ist. Das bedeutet, dass sie nur funktionieren, wenn sie mit einer bestimmten Polung angeschlossen werden. Auf diesen Elektrolytkondensatoren befindet sich ein positiver Anschlussstift (die Anode) und ein negativer Anschlussstift (die Kathode). Die Anode muss immer mit einer höheren Spannung verbunden werden. Wenn Sie stattdessen die Kathode an die höhere Spannung anschließen, seien Sie auf einen explodierenden Kondensator gefasst!

Elektrolytkondensatoren können zwar eine hohe elektrische Ladung speichern, haben aber auch deutlich mehr Leckstrom als Keramikkondensatoren. Zur Energiespeicherung sind sie daher nicht die beste Wahl.

Superkondensatoren

Superkondensatoren sind die Superhelden der Kondensatorenfamilie und können eine große Menge an Energie speichern! Leider können Superkondensatoren nicht sehr gut mit Überspannung umgehen. Wenn Sie die zulässige maximale Spannung überschreiten, ist es mit Ihrem Superkondensator daher schnell vorbei. Er explodiert!

Im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren werden Superkondensatoren zum Speichern und Entladen von Energie verwendet, ähnlich wie eine Batterie. Im Gegensatz zu einer Batterie geben Superkondensatoren ihre Ladung sofort ab. Darum erreichen sie niemals die Lebensdauer einer normalen Batterie.

Kondensatorsymbole

Die Erkennung eines Kondensators in Ihrem ersten Schaltplan ist sehr einfach, denn es gibt nur zwei Arten: Standardkondensatoren oder gepolte Kondensatoren. Das folgende Symbol steht für einen Standardkondensator. Wie Sie sehen, besteht es nur aus zwei einfachen Linien mit einem Zwischenraum. Diese stehen für die beiden Metallplatten auf der Ober- und Unterseite eines physischen Kondensators.

Der gepolte Kondensator sieht etwas anders aus. Er enthält eine bogenförmige Linie im unteren Teil und einen positiven Anschluss auf der Oberseite. Dieser positive Anschluss ist äußerst wichtig, denn er gibt an, wie dieser gepolte Kondensator verdrahtet werden muss. Der positive Pol wird immer an die Stromquelle angeschlossen, und die bogenförmige Seite wird an die Erde angeschlossen.

Wer hat diese Dinge erfunden?

Viele meinen, dass der englische Chemiker Michael Faraday der Pionier des heutigen Kondensators sei, aber er war nicht der erste Erfinder. Doch Faraday leistete einen wichtigen Beitrag: Er führte die ersten praktischen Beispiele für den Kondensator vor und zeigte in seinen Experimenten, wie damit eine elektrische Ladung gespeichert werden konnte. Und Faraday verdanken wir auch eine Möglichkeit, die Ladung zu messen, die ein Kondensator speichern kann. Diese wird als Kapazität bezeichnet und in Farad gemessen.

Vor Michael Faraday verweisen einige Quellen auf den deutschen Naturwissenschaftler Ewald Georg von Kleist als Erfinder des ersten Kondensators im Jahr 1745. Monate später entwarf ein niederländischer Professor namens Pieter van Musschenbroek eine ähnliche Konstruktion, die heute als Leidener Flasche bezeichnet wird. Kurioses Timing, nicht wahr? Doch dies war nur Zufall, und beide Naturwissenschaftler werden gleichermaßen als Erfinder des Kondensators anerkannt.

Der berühmte Benjamin Franklin verbesserte später die Konstruktion der von Musschenbroek erschaffenen Leidener Flasche. Franklin gelang auch die Entdeckung, dass ein flaches Glasstück anstelle einer ganzen Flasche genügte. So entstand der erste Flachkondensator, der Franklin Square.

Praktische Anwendung von Kondensatoren

Schauen wir uns nun ein praktisches Beispiel von der Funktionsweise dieser leistungsstarken Kondensatoren genauer an. Sicher haben Sie schon einmal eine Digitalkamera benutzt, oder? Dann wissen Sie, dass zwischen dem Drücken des Auslösers und dem Auslösen des Blitzes ein kurzer Moment liegt.

Woran liegt das? Am Blitz ist ein Kondensator angebracht. Nachdem Sie den Auslöser gedrückt haben, wird dieser aufgeladen. Sobald der Kondensator vollständig von der Batterie der Kamera aufgeladen wurde, wird diese ganze Energie auf einen Schlag in einem blendenden Blitz entladen.

Funktionsweise von Kondensatoren

Wie kommt dies zustande? Werfen wir einen Blick in die geheimnisvolle Welt des Kondensators:

1. Am Anfang gibt es eine Ladung. Elektrischer Strom aus einer Stromquelle fließt zuerst in einen Kondensator und kommt bis zur ersten Platte. Warum kommt er nicht weiter? Weil es dort einen Isolator gibt, der keine negativ geladenen Elektronen durchlässt.
2. Die Ladung sammelt sich an. Da sich immer mehr Elektronen auf dieser ersten Platte ansammeln, wird sie negativ geladen. Am Ende verschiebt sie alle überschüssigen Elektronen, die sie nicht mehr aufnehmen kann, auf die andere Platte. Diese zweite Platte wird dann positiv geladen.
3. Die Ladung wird gespeichert. Während sich die beiden Kondensatorplatten weiter aufladen, versuchen die negativen und positiven Elektronen zusammenzukommen. Doch der Isolator in der Mitte lässt dies nicht zu. So entsteht ein elektrisches Feld. Das ist der Grund dafür, dass der Kondensator eine Ladung weiter speichert, denn zwischen dem negativen und dem positiven Pol der beiden Platten besteht eine endlose Spannungsquelle, die nicht aufgelöst wird.
4. Die Spannung entlädt sich. Irgendwann können die beiden Platten im Kondensator keine Ladung mehr aufnehmen, weil sie ihre Kapazität erreicht haben. Was geschieht nun? Wenn der Stromkreis einen Pfad enthält, über den die elektrische Ladung woandershin fließen kann, werden alle Elektronen im Kondensator entladen. Am Ende ist keine Spannung mehr da, weil sie einen anderen Weg zueinander suchen.

Messen der Ladung

Wie lässt sich messen, wie viel Ladung in einem Kondensator gespeichert wird? Jeder Kondensator ist für eine bestimmte Kapazität ausgelegt, die angibt, wieviel Ladung er speichern kann. Diese wird in Farad gemessen, nach dem englischen Chemiker Michael Faraday. Ein Farad steht für eine sehr große Menge an elektrischer Ladung. Daher wird die Kapazität der meisten Kondensatoren in Pikofarad oder Mikrofarad angegeben. Die folgende Tabelle enthält eine Aufschlüsselung dieser Maßeinheiten:

Mit der folgenden Gleichung können Sie berechnen, wie viel Ladung ein Kondensator derzeit speichert:

Q = CV

In dieser Gleichung wird die Gesamtladung durch (Q) dargestellt, und das Verhältnis dieser Ladung kann durch Multiplizieren der Kapazität (C) eines Kondensators mit der darauf angewendeten Spannung (V) ermittelt werden. Wie Sie an der Formel sehen, steht die Kapazität eines Kondensators in direktem Verhältnis zu seiner Spannung. Je mehr Sie also die Spannungsquelle in einem Schaltkreis erhöhen oder verringern, desto mehr bzw. weniger Ladung wird Ihr Kondensator haben.

Kapazität in Parallel- und in Reihenschaltungen

Wenn Sie Kondensatoren in einem Schaltkreis parallel schalten, können Sie die Gesamtkapazität durch Addieren aller Einzelkapazitäten ermitteln.

Wenn Sie Kondensatoren in Reihe schalten, ist die Gesamtkapazität des Schaltkreises der Kehrwert der Summe aller Einzelkapazitäten. Hier ein kurzes Beispiel: Wenn Sie zwei 10 F-Kondensatoren in Reihe schalten, erzeugen sie eine Gesamtkapazität von 5 F.

Einsatz von Kondensatoren in der Praxis

Nachdem wir nun genau verstehen, was ein Kondensator ist, wie er funktioniert und wie seine Ladung gemessen wird, wollen wir drei häufige Anwendungen für Kondensatoren betrachten: Entkopplungskondensatoren, Energiespeicher und kapazitive Berührungssensoren.

Entkopplungskondensator

Heutzutage dürfte es kaum mehr möglich sein, einen Schaltkreis ohne integrierte Schaltung zu finden. Bei derartigen Schaltkreisen haben Kondensatoren die wichtige Aufgabe, alle hochfrequenten Störungen zu entfernen, die in den Netzsignalen für die Versorgung einer integrierten Schaltung auftreten.

Warum ist diese Aufgabe so wichtig? Spannungsschwankungen können für eine integrierte Schaltung schwerwiegend sein und sogar dazu führen, dass der Chip unerwartet abschaltet. Durch den Einbau von Kondensatoren zwischen der integrierten Schaltung und einer Stromversorgung werden die Spannungsschwankungen gedämpft. Zugleich dienen Kondensatoren als zweite Stromquelle, wenn die Primärspannung so stark sinkt, dass eine integrierte Schaltung dadurch ausgeschaltet werden könnte.

Energiespeicher

Kondensatoren haben viele ähnliche Eigenschaften wie Batterien. Dazu gehört auch ihre Fähigkeit, Energie zu speichern. Im Gegensatz zur Batterie können Kondensatoren jedoch nicht annähernd so viel Strom aufnehmen. Diesen Nachteil machen sie jedoch dadurch wett, dass sie sich in kürzester Zeit vollständig entladen können. Kondensatoren geben Energie wesentlich schneller ab als eine Batterie. Darum eignen sie sich perfekt für die Versorgung eines Blitzlichts in einer Kamera oder für das Umschalten zwischen Fernsehkanälen.

Kapazitive Berührungssensoren

Eine der jüngsten Entwicklungen im Bereich der Kondensatoranwendungen betrifft die explosionsartige Zunahme von Touchscreen-Technologien. Die Glasscheiben, aus denen diese Berührungssensoren bestehen, sind mit einer sehr dünnen, transparenten Metallbeschichtung versehen. Wenn Ihr Finger den Bildschirm berührt, entsteht ein Spannungsabfall, der die genaue Position Ihres Fingers angibt.

Praktische Schritte – Auswählen eines Kondensators

Schauen wir uns nun die praktische Anwendung an und worauf Sie bei der Auswahl eines Kondensators achten müssen. Fünf Variablen sind zu berücksichtigen:

• Größe: Sowohl die physische Größe des Kondensators als auch seine Gesamtkapazität. Seien Sie nicht überrascht, wenn der ausgewählte Kondensator das größte Bauteil auf der Leiterplatte ist, denn je mehr Kapazität Sie benötigen, desto größer muss der Kondensator sein.
• Toleranz: Genau wie elektrische Widerstände haben Kondensatoren ebenfalls eine variable Toleranz. Es gibt Toleranzen für Kondensatoren im Bereich von ±1 % bis ±20 % des angegebenen Werts.
• Maximale Spannung: Jeder Kondensator verfügt über eine maximale Spannung, die er vertragen kann. Bei Überschreitung dieses Werts explodiert er! Die maximalen Spannungen liegen im Bereich von 1,5 V bis 100 V.
• Äquivalenter Serienwiderstand (ESR): Wie jedes andere physikalische Material verfügen die Anschlüsse auf einem Kondensator über einen sehr geringen Widerstand. Dies kann zum Problem werden, wenn Sie den Verlust von Wärme und Strom berücksichtigen müssen.
• Leckstrom: Im Gegensatz zu Batterien verlieren Kondensatoren ihre gespeicherte Ladung. Während diese langsam abfließt, sollten Sie darauf achten, wie viel Leckstrom der Kondensator hat, wenn er in erster Linie zur Energiespeicherung eingesetzt werden soll.

Komplett aufgeladen

Jetzt wissen Sie alles Wesentliche über Kondensatoren, damit Sie fit für Ihr nächstes Elektronikprojekt sind. Kondensatoren sind faszinierende kleine Bauteile, die eine elektrische Ladung speichern und vielseitig eingesetzt werden können. Sie können sogar als sekundäre Energiequelle für die empfindlichen integrierten Schaltungen eingesetzt werden. Achten Sie bei der Arbeit mit Kondensatoren besonders auf die zulässige maximale Spannung. Andernfalls fliegen Ihnen Ihre Kondensatoren um die Ohren, wie Sie im Video sehen können:

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