Kondensatoren

Kondensatoren speichern und liefern elektrische Energie. Sie werden zur Glättung und Filterung von Spannungen eingesetzt.

Symbol

Bild 1 zeigt links einen ungepolten und rechts einen gepolten Kondensator.

Beispiele typischer Kondensatoren

Bauart	Bauform	Polung	Maße	Raster	Umax	Toleranz	Werte
Kerko	Scheibe	ungepolt	5 mm - 25 mm ∅ x  1 mm - 3 mm	5 mm -  10 mm	50 V-500 V	20 %	10 pF - 0,1 µF
Kerko	Scheibe	ungepolt	7,5 mm ∅  x 3 mm	5 mm	500 V	20 %	10 nF
Kerko	Scheibe	ungepolt	3 mm x 3 mm  x 1 mm	2,5 mm	63 V	20 %	10 nF
Vielschicht	Scheibe	ungepolt	9,1 mm x 7,6 mm  x 2 mm	5,08 mm	63 V	20 %	1 µF
Vielschicht	SMD	ungepolt	1,6 mm x 0,8 mm  x 1 mm		25 V	20 %	1 µF
Vielschicht	SMD	ungepolt	2,0 mm x 1,25 mm x 1 mm		16 V	20 %	10 µF
Folie	Quader	ungepolt	10 mm x 4 mm  x 9 mm	7,5 mm	630 V	10 %	1 nF
Folie	Quader	ungepolt	7,2 mm x 7,2 mm  x 13 mm	5 mm	63 V	10 %	1 µF
Elko	Zylinder, radial	gepolt	7 mm x 4 mm ∅	2 mm	25 V	20 %	10 µF
Elko	Zylinder, radial	gepolt	7 mm x 6 mm ∅	2,5 mm	16 V	20 %	100 µF
Elko	Zylinder, radial	gepolt	20 mm x 10 mm ∅	5 mm	16 V	20 %	1000 µF
Elko	Zylinder, axial	bipolar	19 mm x 18 mm ∅		100 V	20 %	100 µF
Elko	Zylinder, SMD	gepolt	5,8 mm x 6,6 mm ∅		16 V	20 %	100 µF
Tantal	Perle	gepolt	7,5 mm x 4,5 mm ∅	2,5 mm	16 V	20 %	1 µF
Tantal	Perle	gepolt	9 mm x 5 mm ∅	2,5 mm	10 V	20 %	10 µF
Tantal	SMD	gepolt	3,5 mm x 2,8 mm  x 2,2 mm		10 V	20 %	10 µF
Super	Zylinder, radial	gepolt	7,5 mm x  21,5 mm ∅	5 mm	5,5 V	+80 % -20 %	1 F

Kerko	Keramikkondensator
Vielschicht	Vielschichtkondensator
Folie	Folienkondensator
Elko	Aluminium-Elektrolytkondensator
Tantal	Tantal-Kondensator
Toleranz	typische Toleranzen
Scheibe	scheibenförmige Bauform
Quader	quaderförmige Bauform
Zylinder	zylinderförmige Bauform
Perle	perlenförmige Bauform
SMD	SMD-Gehäuse
Umax	maximal zulässige Betriebsspannung

Diese Grenzwerte dürfen nicht überschritten werden.

Siehe: Betriebsdaten und Grenzdaten

Die maximal zulässige Betriebstemperatur der meisten Kondensatoren ist 85 °C. Es gibt auch Kondensatoren für höhere Betriebstemperaturen z. B. 105 °C.

Polung von Kondensatoren

Ungepolte Kondensatoren

Ungepolte Kondensatoren können

• in beliebiger Richtung (Polarität) an eine Gleichspannung angeschlossen werden und

• an Wechselspannung betrieben werden.

Im Wesentlichen werden zwei Bauformen unterschieden:

• Keramikkondensatoren (Kerkos)

• Folienkondensatoren

Gepolte Kondensatoren

Gepolte Kondensatoren werden bei der Herstellung durch eine Gleichspannung polarisiert.

Gepolte Kondensatoren dürfen nur an Gleichspannung betrieben werden. Die Spannung an den Anschlüssen muss mit der angegebenen Polarität übereinstimmen.

Hier gibt es drei wesentliche Bauformen:

• Elektrolytkondensatoren (Elkos)

• Tantalkondensatoren

• Superkondensatoren

• Werden gepolte Kondensatoren falsch herum angeschlossen, werden sie zerstört und verursachen einen Kurzschluss.

Bipolare Kondensatoren

Bipolare Kondensatoren dürfen auch an Wechselspannung betrieben werden. Sie werden meist in Frequenzweichen von Lautsprechern eingesetzt.

Bipolare Kondensatoren sind Elektrolytkondensatoren.

Werte

• Der wichtigste Wert eines Kondensators ist seine Kapazität.

• Zusätzlich muss die maximale Betriebsspannung angegeben werden.

Kapazität

Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad angegeben. Üblicherweise wird die Kapazität eines Kondensators mit den in der folgenden Tabelle aufgeführten Vorsätzen angegeben.

Maßeinheit	Bezeichnung	in F	in µF	in nF	in pF
µF	Mikrofarad	0,000001 F	1 µF	1000 nF	1000000 pF
nF	Nanofarad		0,001 µF	1 nF	1000 pF
pF	Pikofarad			0,001 nF	1 pF

Betriebsspannung

Kondensatoren dürfen nur mit Spannungen unterhalb ihrer maximalen Betriebsspannung betrieben werden.

• Sie können durch Spannungen oberhalb ihrer maximalen Betriebsspannung zerstört werden.

Verhalten

• Kondensatoren werden an Gleichspannung aufgeladen.

• Wenn Kondensatoren von der Spannungsquelle getrennt werden, behalten sie für eine gewisse Zeit eine Spannung.

• Aufgrund dieser Eigenschaften werden Kondensatoren verwendet, um Spannungsschwankungen bei schwankenden Strömen zu verringern.

• Wenn Kondensatoren über Widerstände an eine Spannung angeschlossen sind, folgen sie einer Spannungsänderung verzögert.

• Kondensatoren leiten Wechselstrom, wobei der Strom mit steigender Frequenz zunimmt.

• Kondensatoren können zur Filterung von Wechselspannungen, siehe Wechselspannungen ein- und auskoppeln

• und zur Glättung von Gleichspannungen verwendet werden.

Zeitkonstante

Ein Kondensator kann über einen Widerstand an einer Spannungsquelle geladen werden. Ein geladener Kondensator kann über einen Widerstand entladen werden.

Wenn ein Kondensator über einen Widerstand an einer Spannungsquelle geladen wird, steigt die Spannung mit der Zeit an. Die Zeit, in der ein Kondensator (zu 63 %) aufgeladen wird, beträgt

τ = R * C

Wenn ein geladener Kondensator über einen Widerstand entladen wird, fällt die Spannung mit der Zeit ab. Die Zeit, in der der Kondensator (auf 37 %) entladen ist, entspricht ebenfalls der Zeitkonstante τ.

• Die Zeitkonstante τ wird in vielen Schaltungen verwendet, um ein Zeitverhalten zu erzeugen.

• Die Ladung und Entladung eines Kondensators über einen Widerstand wird in Kondensator und Widerstand beschrieben.

Bauarten

• Keramikkondensator

Eine dünne Schicht Keramik mit aufgedampften Metallfilmen.

• Vielschichtkondensator

Mehrere dünne Schichten Keramik mit aufgedampften Metallfilmen.

• Folienkondensator

Isolierfolie mit Metallfolie oder Metallfilmen, meist aufgewickelt.

• Elektrolytkondensator

Aluminiumfolie mit dazwischen liegendem Träger des Elektrolyten (kann auslaufen).

• Tantalkondensator

Gesintertes Gemisch aus Tantal und festem Elektrolyt (bei hoher Temperatur gepresst).

Gehäuse von Kondensatoren

• Nur die drei Kondensatoren oben rechts sind ungepolt:

• zwei Keramik-Kondensatoren und

• ein Folien-Kondensator.

• Alle anderen Kondensatoren sind gepolt:

• Die beiden gelben Perlen in der Mitte sind Tantal-Kondensatoren und

• die übrigen sind Elektrolyt-Kondensatoren.

• Bei den gepolten Kondensatoren ist immer die Polarität angegeben und

• durch ein + oder

• durch ein - gekennzeichnet.

Tantal-Kondensatoren sind in der Regel kleine Perlen. Die Kapazität, Spannung und Polarität sind aufgedruckt.

Wichtige Bauformen

Kondensatoren gibt es als:

• radiale Bauformen (meist)

• axiale Bauformen (wie Widerstände 0207) (selten)

• Becher (Elektrolyt-Kondensatoren)

• Scheiben (Keramik-Kondensatoren)

• vergossene Bauteile (Folien-Kondensatoren)

• Perlen (Tantal-Kondensatoren)

• SMD-Bauelemente.

Bedrahtete Gehäuse

Details

Vor- und Nachteile der Kondensator-Bauarten

Die verschiedenen Bauarten von Kondensatoren haben natürlich bestimmte Vor- und Nachteile. Einige davon sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Die Tabelle dient nur zur Orientierung. Genaue Werte sind den Datenblättern zu entnehmen.

Typ	Folie	Keramik	Min-Kreko	Elko	Tantal
Kapazitätsdichte	klein	gering	mittel	hoch	hoch
Polung	ungepolt	ungepolt	ungepolt	gepolt	gepolt
Größe	groß	mittel	klein - mittel	klein	sehr klein
ESR	klein	niedrig	klein - mittel	hoch - mittel	mittel
Spannungsfestigkeit	hoch, selbstheilend	hoch	mittel	mittel	gering
Ripple-Ströme	hoch	hoch	hoch	mittel	mittel
Kosten	hoch	gering	mittel	gering	mittel
Explosionsgefahr	keine	keine	keine	mittel - hoch	hoch
Frequenzstabilität	hoch	hoch	hoch	mittel	mittel
Spannungsabhängigkeit	keine	gering	mittel	mittel	gering
Lebensdauer	sehr hoch	hoch	hoch	mittel, brennbar	mittel, brennbar

Kapazitätsdichte	Kapazität pro Volumen
ESR	serieller Verlustwiderstand
Spannungsfestigkeit	Verhalten bei Überspannung
Ripple-Ströme	Wechselströme
Frequenzstabilität	Abhängigkeit der Kapazität von der Frequenz
Spannungsabhängigkeit	Abhängigkeit der Kapazität von der Spannung

Selbstheilend: Bei sehr kurzen Überspannungen gibt es einen Kurzschluss, der aber danach wieder behoben ist.

ESR

ESR ist die Abkürzung für Equivalent Series Resistance oder den inneren seriellen Verlustwiderstand eines Kondensators.

Ein realer Kondensator ist natürlich nicht ideal. Es gibt verschiedene Elemente, die sein Verhalten beeinflussen.

Das wichtigste Element ist natürlich die Kapazität C des Kondensators selbst.

Der parallele Isolationswiderstand R_iso ist meist sehr hoch, aber er entlädt den Kondensator mit der Zeit. Bei den meisten Anwendungen braucht er nicht berücksichtigt zu werden.

Die serielle Induktivität ESL wirkt sich nur bei hohen Frequenzen aus. Sie ist bei kleinen Baugrößen, insbesondere bei SMD-Kondensatoren, geringer.

Der serielle Widerstand ist in der Regel sehr klein. Wenn der Kondensator jedoch eine Spannung bei schwankenden Lasten stabilisieren soll, ist er allerdings wichtig, um die glättende Wirkung des Kondensators nicht infrage zu stellen. Bei Spannungsreglern und Stromversorgungen sollte der ESR eines Kondensators berücksichtigt werden.

• Normale Elkos haben einen relativ hohen ESR. Es gibt aber Versionen mit geringem ESR.

Grundsätzlich gilt: Wenn kein ESR angegeben ist, sollte man davon ausgehen, dass der ESR nicht sehr gering ist. Es gibt aber Versionen mit geringem ESR.

SMD-Kerko	100 mΩ bis 1000 mΩ bei 1 µF/4 V (myRata).
Elkos	40 mΩ bis 200 mΩ für 10 µF. (OS-Con SMD PAX)
Tantal	600 mΩ bis 1000 mΩ für 10 µF/16 V (AVX SMD TPS).