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Kondensator (Elektrotechnik)


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Schaltzeichen
Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauelement das im Prinzip aus zwei voneinander leitenden Flächen besteht z. B. zwei Metallplatten -folien mit einem Isolator ( Luft Kunststoff ) dazwischen. Diesen Isolator nennt man Dielektrikum .

Das linke Schaltzeichen zeigt einen einfachen das rechte einen Elektrolytkondensator.

Inhaltsverzeichnis
1 Weblinks

Ladevorgang

Foto mit verschiedenen Kondensatoren

Infolge der Unterbrechung kann elektrische Ladung durch einen Kondensator nicht hindurch fließen; man ihn aber an eine Spannungsquelle anschließt dennoch solange Strom bis die Platten elektrisch sind und keine weitere Ladung annehmen. Dies ein wenn die Kondensatorspannung U C genauso groß wie die angelegte Spannung U 0 ist. Die eine Platte ist dann die andere negativ elektrisch geladen.

Nach dem Anlegen der Quellenspannung gilt die Spannung U C zum Zeitpunkt t :

<math>U_C = U_q \cdot (1 - e^{-{t \tau}})</math>

Im Einschaltmoment stellt der Kondensator einen Kurzschluss dar deshalb muss ein Kondensator immer einen Vorwiderstand aufgeladen werden. Es gilt:

<math>I_{max} = {U_q \over R}</math>

Nach dem Anlegen der Quellenspannung gilt die Stromstärke I C zum Zeitpunkt t :

<math>I_C = I_{max} \cdot e^{-{t \over \tau}}</math>

Die Ladezeit des Kondensator ist proportional Größe des Vorwiderstandes R und proportional zu seiner Kapazität C . Das Produkt von Vorwiderstand und Kapazität man die Zeitkonstante τ .

<math>\tau = R \cdot C</math>

Für die Ladezeit t L gilt näherungsweise:

<math>t_{L} = 5 \cdot \tau</math>

Entladevorgang

Verbindet man die Platten eines geladenen über einen Draht oder einen elektrischen Verbraucher (Lampe Widerstand ) so gleichen sich die Ladungen der aus. Es fließt solange Strom bis beide wieder elektrisch neutral sind.

Selbstentladung

Ein geladener Kondensator entlädt sich mit Zeit auch über seinen eigenen Isolationswiderstand R is .

<math>\tau_{s} = R_{is} \cdot C</math>

Die Selbstentladezeitkonstante τ s ist größer je hochwertiger ein Kondensator Üblich sind Werte zwischen 1000 s bis 10.000 s (mit s = Einheitenzeichen für

Kapazität

Das Fassungsvermögen eines solchen Ladungsspeichers hängt von seinen und dem Material ab und wird als Kapazität (Formelzeichen: C ) bezeichnet. Die Maßeinheit ist das Farad . Ein Farad (SI-Einheitenzeichen F) ist die eines Kondensators der beim Anlegen einer Spannung U von 1 Volt eine Ladungsmenge Q von 1 Coulomb speichert:

<math>C = {Q \over U}</math>

<math>1\ \mathrm{F} = {1\ \mathrm{C} \over 1\

Für einen Plattenkondensator (zwei Metallplatten der A im Abstand d ) berechnet man die Kapazität gemäß:

<math>C=\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot { A \over }</math>

Darin ist <math>\varepsilon_0</math> die elektrische Feldkonstante

<math>\varepsilon_0 = 8{ }85487817 \cdot 10^{-12}\ {\mathrm{C} \mathrm{V}\mathrm{m}}</math>

<math>\varepsilon_r</math> ist eine für das Isolationsmaterial dimensionslose Materialkonstante die Dielektrizitätszahl oder Permittivitätszahl.

Feldenergie

Ein geladener Kondensator speichert Energie in dem elektrischen Feld das zwischen den geladenen Platten besteht. ein Kondensator der Kapazität C auf die Spannung U geladen so enthält sein Feld die W gemäß:

<math>W = {C \cdot U^2 \over 2}</math>

Wechselstromverhalten

Beim Anschluss an Wechselspannung (Spannung mit periodisch wechselnder Polung) werden Platten eines Kondensators ständig von positiv nach und umgekehrt umgeladen. Dadurch fließt ständig Strom wechselnder Richtung jedoch zeitlich versetzt zur Spannung Phasenverschiebung "): Es muss zunächst Strom fließen ehe Kondensator eine Spannung aufgebaut wird der Strom der Spannung (in der Phase um 90°) voraus.

Durch das gleichzeitige Vorhandensein von Strom Spannung kann dem Kondensator ein elektrischer Widerstand X zugemessen werden der jedoch im Gegensatz einem Ohmschen Widerstand keine Leistung in Wärme umsetzt ("Verlustleistung"). Man nennt einen " Blindwiderstand ". Wenn f die Frequenz der Wechselspannung und C die Kapazität ist gilt für den

<math>X = \frac {1} {2 \cdot \pi f \cdot C} = \frac {1} {\omega C}</math>

Wobei <math>\omega := 2\cdot\pi\cdot f</math> Winkelfrequenz Winkelgeschwindigkeit heißt.

Parallelschaltung

Wenn man Kondensatoren parallel schaltet liegt allen die gleiche Spannung bzw. Potentialdifferenz an.

Für die Gesamtkapazität gilt:

<math> C_{ges} = C_1 + C_2 + + C_n \ \! </math>

Reihenschaltung

Wenn man Kondensatoren in Reihe schaltet durch alle der gleiche Strom.

Für die Gesamtkapazität gilt:

<math> \frac{1}{C_{ges}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + + \frac{1}{C_n}</math>

Spannungsfestigkeit

Reale Kondensatoren können nicht bis zu beliebigen Spannung aufgeladen werden. Überschreitet man die Spannung bis zur Durchschlagspannung so schlägt der durch das heißt es fließt plötzlich ein größerer Strom über eine Funkenstrecke oder auf ähnliche Art ab. Meist führt das zur des Kondensators (z. B. durch Explosion oder und zu weitergehenden Zerstörungen an den Geräten. Kondensatoren besitzen in gewissen Grenzen die Fähigkeit Selbstheilung wenn der Schaden nicht allzu groß

Polarität

Kondensatoren sind normalerweise symmetrisch aufgebaut. In muss man jedoch die Polarität beachten:

  1. Der Elektrolytkondensator benötigt zum Aufbau seiner Isolierschicht Dielektrikums) eine polarisierte Spannung. Er darf nicht negativer Polarität betrieben werden da er sonst werden kann. Beim Betrieb mit Wechselspannung benötigt eine geeignete Vorspannung.
  2. Gewickelte Kondensatoren sind unsymmetrisch in bezug auf Außenfläche. Gegebenenfalls ist zu beachten welche Seite Kondensatores außen liegt. An diese Schicht wird wenn zutreffend die Masse angeschlossen und die von Verstimmungen des Kondensators zu verringern.

Temperaturabhängigkeit

Die Kapazität eines Kondensators kann temperaturabhängig

Bauformen

Kondensatoren werden häufig nach der Art Dielektrikums oder der Elektroden unterschieden.

Kondensatoren mit fester Kapazität

Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität und Sonderformen

Anwendungen

  1. Die Energiespeicherung wird in Stromversorgungsgeräten verwendet um kurzzeitige zu überbrücken.
  2. Die Frequenzabhängigkeit des Blindwiderstandes dient dazu Signale filtern ( Hochpass Tiefpass Bandpass ).
Auch zum Sperren eines bestimmten Frequenzbereiches Filter verwendet werden.
  1. Zusammen mit einer Spule (Induktivität) wird ein in einem Schwingkreis verwendet der eine bestimmte besitzt.
  2. Durch die isolierenden Eigenschaften des Kondensators kann der Gleichspannungsanteil vom Wechselspannungsanteil getrennt werden.
  3. Meßverfahren . Durch die Kapazitätsänderung eines mechanisch realisierten können Druck Abstand und Dicke gemessen werden.
  4. Da das Laden bzw. Entladen eines Kondensators in Anspruch nimmt werden auch einfache Zeitschaltungen einem Kondensator realisiert (Bsp.: abfallverzögertes Relais ).

Kennzeichnung von Kondensatoren

Bei den Kondensatoren gibt es keine einheitliche Kennzeichnung wie bei Widerständen . Einige der Möglichkeiten sind unten aufgelistet. Informationen sind auch über die Weblinks unten finden.

  • 473 : Die ersten beiden Zahlen geben den in Pikofarad an die dritte oder auch die Anzahl Nullstellen. Also 473 ist gleich - 7 - 000 pF = 47
  • 3n9 : Dies ist ziemlich einfach dass heißt 3 9 nF
  • .33 K 250 : Die erste Zahl gibt den Wert Mikrofarad an also 0 33 µF = nF. K steht für eine Kapazitätztoleranz von % und 250 für die zugelassene Spannung angelegt werden kann.
  • Sehr oft wird auch bei Elektrolytkondensatoren ein mehrer Ziffern verschlüsselter Datumscode aufgedruckt um das erkennen zu können.
z. B. 2313 2 = 2002 = März 13 = 13. Die Codes aber immer unterschiedlich von Hersteller zu Hersteller leider nur wenige nach der einheitlichen DIN-Norm

Verwandte Themen


Siehe auch: Kapazität - Kapazitiv - Spule (Elektrotechnik) - Induktivität - Induktiv


Weblinks



Bücher zum Thema Kondensator (Elektrotechnik)

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