Kondensator

Prinzip des Kondensators

Elektrische Kondensatoren sind nach den Widerständen die Bauelemente, die am zweithäufigsten in diskreten Schaltungen verwendetet werden. Es handelt sich bei Kondensatoren um sogenannte passive Bauelemente, weil sie keinen verstärkenden Charakter besitzen.

Grundsätzlicher Aufbau eines Kondensators

Ein Kondensator besteht prinzipiell lediglich aus zwei Metallplatten, die sich in einem geringem Abstand gegenüberstehen, siehe Bild 1.
Eigentlich stellt ein Kondensator eine Unterbrechung des Stromkreises dar. Dies ist der Fall, da die Elektronen nicht von einer Platte auf die andere Platte gelangen können; es sei dabei angenommen, dass der Abstand so groß ist, dass kein Funkenüberschlag erfolgen kann.

Bild 1: Prinzipieller Aufbau eines Kondensators

Funktionsweise

Wird eine Spannung an den Kondensator angelegt, so werden die Elektronen vom positiven Pol "angesaugt" und aus dem negativen Pol "mit Druck" hinausgeschoben. Wenn der Stromkreis einfach nur unterbrochen wäre, wäre dies nicht möglich, weil die Spannungsquelle G (Generator) lediglich als Elektronenpumpe wirkt: Sie kann nur am Minuspol diejenigen Elektronen hinausschieben, die sie am Pluspol "angesaugt" hat. Bei unterbrochenem Stromkreis können daher keine Elektronen fließen.
Die Platten des Kondensators haben jedoch eine große Fläche und einen geringen Abstand zueinander, so dass man dort aus den nachfolgend beschriebenen Gründen die Elektronen an der Oberfläche "lagern" kann. Die Spannungsquelle G, die die Spannung U0 liefert, befördert dabei Elektronen von der oberen auf die untere Platte.

Bild 2: Laden eines Kondensators

Aufgrund des Elektronenüberschusses lädt sich die untere Platte negativ auf und infolge des Elektronenmangels die obere positiv.

Zwischen den Platten tritt wegen der Ladungsträger ein elektrisches Feld auf. Wird die Spannungsquelle abgeklemmt, bleiben die Elektronen auf der Platte. Das von ihnen hervorgerufene elektrische Feld hält dabei die ursprünglich angelegte Spannung aufrecht. Die gespeicherte Ladung kann entnommen werden, indem man die beiden Platten über einen elektrischen Verbraucher verbindet. Als Folge fließen die Elektronen von der negativ geladenen Platte zur positiv geladenen. Die Spannung sinkt dabei stetig. Der Vorgang läuft solange, bis die Spannung gegen Null geht.
Bei der sinusförmigen Wechselspannung tritt, aufgrund der negativen und positiven Halbwellen ein ständiger Wechsel von Lade- und Entladevorgängen auf.

Ladung am Kondensator

Da gleichnamige Ladungen sich abstoßen, ist die Anzahl der Ladungsträger pro Flächeneinheit begrenzt. Mit vermindertem Abstand steigt (bei gleicher Spannung) die Anzahl der möglichen Ladungsträger pro Flächeneinheit, da das elektrische Feld kleiner wird. Dies ist anhand von zwei Beispielen in Bild 3 dargestellt:

Bild 3: Ladungsdichte bei verschiedenen Abständen

Die Anzahl der von einer auf die andere Platte beförderten Elektronen bestimmt die sogenannte Ladung Q des Kondensators, denn jedes einzelne Elektron leistet mit seiner Elementarladung einen Beitrag zur Gesamtladung.
Der Strom ist definiert als "Elektronen pro Zeiteinheit", so dass man die Ladung entweder über die Anzahl der Elektronen oder aber über den Strom, der für eine gewisse Zeit geflossen ist, berechnen kann:

Q = n * e = I * t e: Elementarladung; n: Anzahl der Elektronen

Die Ladung kann auch anders berechnet werden. Die gespeicherte Ladung hängt linear von der angelegten Spannung ab. (Die ja ein Maß dafür ist, mit welchem "Druck" die Spannungsquelle die Elektronen in den Kondensator drückt.)

Q = C * U

Einflussgrößen auf die Kapazität sind die Fläche und der Abstand der Platten sowie das Dielektrikum. Die Kapazität berechnet sich bei einem Kondensator mit Luft als Isoliermaterial gemäß folgender Formel:

C=e0*A/d ; e0=8,85*10-12As/Vm (Naturkonstante)

Also, ein Kondensator kann Elektronen aufnehmen, speichern und auch wieder abgeben.

Der Tantal-Kondensator

Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren sind Elektrolyt- Kondensatoren, deren Anoden aus Tantal bestehen (Tantal ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ta und der Ordnungszahl 73). Es ist ein selten vorkommendes, hartes, blaugraues, glänzendes Übergangsmetall mit hoher Korrosionsbeständigkeit.
Tantalkondensatoren haben die gleichen Funktionen wie normale Elektrolytkondensator, aber durch eine spezielle Herstellungsweise (s. Bild rechts) hat der Tantalkondensator trotz seiner sehr geringen Größe eine große Kapazität und ist deshalb ideal für kleine Schaltungen. Allerdings hat diese spezielle Herstellungsweise den Nachteil, dass der Tantalkondensator gegenüber den normalen Elektrolytkondensatoren sehr teuer ist und auch empfindlicher gegen Verpolung, Überspannung und hohe Stromstärken beim Laden und Entladen. Deshalb sollte der Kondensator immer durch einen Vorwiderstand geschützt sein.

Aufbau eines Tantal Kondensators
Aufbau eines Tantal Wickel Kondensators und eines Tantal Sinter Kondensators

Tantalkondensatoren haben gegenüber Elektrolytkondensatoren aus Aluminium aufgrund der guten Eigenschaften der Oxidschicht folgende günstigere Kenndaten:

- dünne Oxidschichten, 4nm bis 500nm
- höhere Dielektrizitätszahl, er ~30 (Oxidschicht auf der Anode)
- durch Aufrauung erhöht sich die Kapazität um den Faktor 40
- geringerer Reststrom
- Dielektrikum Tantalpentoxid ist sehr Spannungsfest à lange Lagermöglichkeit
- sehr gute HF-Eigenschaften
- Spannungsfestigkeit von 6,3V bis 35V; Kapazität von 0,1µF bis 220µF

Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren werden auch durch Farbmarkierungen gekennzeichnet. Die Kapazitätsangabe erfolgt in mF. Abweichungen liegen zwischen – 20 % und + 20 %.

Der Elektrolyt-Kondensator

Besonderheiten eines Elkos sind die (im Vergleich zu Folien- u. Keramikkondensatoren hohe Kapazitätsdichte, die Polung, und das flüssige Elektrolyt.

Der Elektrolytkondensator besteht aus einer gewickelten Aluminiumfolie die beidseitig mit einer isolierenden Oxidschicht überzogen ist (das Dielektrikum). Das Dielektrikum isoliert die Metallfolie von der Elektrolytflüssigkeit. Es kann sich also zwischen der Flüssigkeit und der Metallfolie eine Kapazität bilden. Die Metallfolie stellt die Anode dar, während das Elektrolyt die Kathode bildet. Daher muss die Polung beachtet werden. Der Aufbau ist im Grunde nicht anders als bei einem Plattenkondensator, mit dem Unterschied, dass eine der beiden Platten ein Flüssiger Stoff ist.

Verschiedene Typen
Man unterscheidet 4 unterschiedliche Bautypen:
- Aluminium-Elektrolytkondensator
- Ungepolte Elektrolytkondensatoren (werden hier nicht behandelt)
- Tantal-Elektrolytkondensator (werden gesondert behandelt)
- Tantalfolien-Elektrolytkondensatoren (werden gesondert behandelt)

Funktionsweise

Im Prinzip funktioniert der Elektrolytkondensator genausowie ein ungepolter Kondensator. Die zweite „Platte“ wird allerdings von einem meistens flüssigen Elektrolyt ersetzt. Die andere „Platte“ wird durch die Oxidschicht auf der Folie vom Dielektrikum isoliert.
Gründe für diese Art von Aufbau ist es eine möglichst hohe Kapazitätsdichte zu erreichen. Steigern lässt sich dies zusätzlich durch eine Aufrauung der Folienoberfläche, was allerdings zu einem großen Toleranzbereich führt, der bis zu 100% betragen kann.

Wird ein gepolter Aluminiumelko falsch gepolt, baut sich die Oxidschicht (Dielektrikum) zwischen Elektrolyt und Metallfolie ab, es kommt zu einem Kurzschluss im Kondensator. Im schlimmsten Fall führt der Kurzschluss zu einem explosionsartigen Gasaustritt. Um das Verletzungsrisiko zu verringern werden Sollbruchstellen an der Gehäuse Oberseite angebracht

Der Folien-Kondensator

Der Folienkondensator besteht aus zwei aufgewickelten Metallfolien, die von einem Isolator getrennt werden. Durch die enge Wicklung der Folien wird eine größere Kapazität erzielt, da die Fläche im Gegensatz zum Bauvolumen sehr groß ist. Je enger die Folien gewickelt sind, desto höher ist die Kapazität. Um die Kapazität zu kontrollieren werden alle Lagen einer Elektroden miteinander an der Stirnseite verschweißt.
Das Dielektrikum kann aus Papier (Metall-Papier-Kondensator, MP) oder Kunststoff (Metall-Kunststoff-Kondensatoren, MK) bestehen. Folienkondensator
Papier hat den Nachteil, der Feuchtigkeitsaufnahme und der mechanischen Schrumpfung. Kunststoffe haben hingegen den Vorteil, dass sie bei gleicher Kapazität und bei gleicher Spannungsfestigkeit dünner produziert werden können. Beim Metall-Papier-Kondensator werden die Metallbeläge auf das Papier aufgedampft. Die erforderliche Dicke des Papiers hängt von der Nennspannung (U= 160V-230V) ab. Wenn die Spannung zu hoch wird (Durchschlag/Lichtbogen), so entsteht am Durchschlagspunkt eine große Stromdichte. Die Metallschicht verdampft an dieser Stelle, das Papier wird dabei nicht beschädigt (Selbstheilung). Der Ausheilvorgang dauert zwischen 10µs bis 50µs und macht sich in der Schaltung als Störimpuls bemerkbar. Nach 1000 Selbstheilvorgängen sinkt die Kapazität des MP-Kondensator um ca. 1%.
Der Metall-Kunststoff-Kondensator ist nach dem gleichen Schema aufgebaut wie der MP-Kondensator, das Metall wird ebenso wie beim MP-Kondensator auf den Kunststoff aufgedampft, mit der einzigen Ausnahme, dass er nicht nur flach sondern auch rund gewickelt werden kann (wie eine Spule). Je nach verwendetem Material hat auch der MK-Kondensator die vorteilige Eigenschaft der Selbstheilung.
Auch wenn der MP-Kondensator viele Nachteile hat, so hat er doch den Vorteil, dass er in sehr kleiner Form produziert werden kann, weil aufgedampfte Metallschichten viel dünner als Metallfolien sind.

Der Kunststoff kann aus mehreren Materialen bestehen:

-MKT/ MKH Polyethylenterephthalat
-MKC/MKM Polykarbonat
-MKU/MKL Zelluloseazetat
-MKS/MKY Polystyrol

Typische Werte beider Kondensatoren:
MP-Kondensator: Kapazitätsbereich: 0,1..50µF 20% Toleranz Betriebssp.: 160..600V
MK-Kondensator: Kapazitätsbereich: 0,01..0,25µF 20% Toleranz Betriebssp: 300V..5kV