Kondensatoren

Symbol

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

Arten

Ungepolte Kondensatoren

Ungepolte Kondensatoren können

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

• können an Wechselspannung betrieben werden.

Im Wesentlichen werden zwei Bauformen unterschieden:

• Keramikkondensatoren (Kerkos)

• Folienkondensatoren

Gepolte Kondensatoren

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

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.

Betriebsspannung

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

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

Kondensatoren neigen zu Kurzschlüssen,

wenn ihre maximale Betriebsspannung überschritten wird.

• Dies kann fatale Folgen für die Schaltung haben.

Lieferbare Werte

Die Lieferwerte von Kondensatoren entsprechen den E-Reihen. Sie werden meistens in E6 und E12 geliefert. Oft sind nur E3-Werte verfügbar.

Das Tool E-Reihen kann passende Werte aus E-Reihen auswählen.

Kodierung der Kapazitäten

Bei Kondensatoren werden in der Regel mehrere Werte angegeben:

• die Kapazität in Farad,

• die maximal zulässige Betriebsspannung und

• bei gepolten Kondensatoren auch die Polarität.

Je nach Baugröße werden die Werte von Kondensatoren normal oder kodiert angegeben.

Die Kapazität von Kondensatoren wird in Piko-Farad, pF kodiert.

• Der aufgedruckte Wert besteht aus 3 Ziffern.

• Die ersten beiden Ziffern sind der Zahlenwert.

• Die letzte Ziffer gibt an, wie viele Nullen angehängt werden müssen.

Bedeutung der letzten Ziffer

Die letzte Ziffer gibt an, mit welchem Wert der Zahlenwert der ersten beiden Ziffern multipliziert werden muss.

Letzte Ziffer	Multiplikator	oder
0	* 1pF
1	* 10pF
2	* 100pF	* 0,1nF
3	* 1nF
4	* 10nF
5	* 100nF	* 0,1µF
6	* 1µF
7	* 10µF
8	* 100µF

Beispiel

Aufdruck	Zahlenwert	Nullen	Wert	Wert
475	47	5	47 * 100nF	4700nF = 4,7µF
106	10	6	10 * 1µF	10µF
104	10	4	10 * 10nF	100nF

Spannung

Die maximal zulässige Spannung ist in Volt angegeben. Oft fehlt die Einheit V.

Polarität

Die Polarität wird meistens nur für einen Anschluss angegeben:

• - für den Minus-Anschluss

• + für den Plus-Anschluss

• manchmal hinter dem Spannungswert.

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.

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 (zu 63%) 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 oder mehrere Schichten dünner Keramik mit aufgedampften Metallfilmen.

• Folienkondensator

Isolierfolie mit Metallfolie oder Metallfilmen, meistens aufgewickelt.

• Elektrolytkondensator

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

• Tantalkondensator

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

Gehäuse

• Nur die drei Kondensatoren oben rechts sind ungepolte Kondensatoren:

• zwei Keramikkondensatoren und

• ein Folienkondensator.

• Alle anderen Kondensatoren sind gepolt:

• Die beiden gelben Perlen in der Mitte sind Tantalkondensatoren und

• die übrigen sind Elektrolytkondensatoren.

• Bei den gepolten Kondensatoren ist immer die Polarität angegeben und

• durch ein + oder

• durch ein - gekennzeichnet.

Tantalkondensatoren sind in der Regel kleine Perlen. Die Kapazität, Spannung und Polarität sind aufgedruckt.

Wichtige Bauformen

Kondensatoren gibt es als

• radiale Bauformen (meistens)

• axiale Bauformen (wie Widerstände 0207) (selten)

• in Becherform (Elektrolytkondensatoren)

• in Scheibenform (Keramikkondensatoren)

• vergossen (Folienkondensatoren)

• Perlen (Tantalkondensatoren)

• SMD-Bauelemente

Bedrahtete Gehäuse

THT und SMD

Montage von Bauelemente auf Leiterplatten

THT (Through Hole Technology) Durchsteckmontage

• Die Anschlüsse von THT-Bauelementen werden durch Löcher in der Platine gesteckt und von unten verlötet.

• THT-Bauelemente werden auf der Oberseite der Platine montiert.

• Bedrahtete Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren werden in THT montiert. Dazu müssen die Anschlussdrähte entsprechend gebogen werden.

SMD (Surface Mounted Device) Oberflächenmontage

• SMD-Bauelemente benötigen keine Bohrungen, sondern werden direkt auf Kupferpads gelötet.

• SMD-Bauelemente können auf beiden Seiten einer Platine montiert werden.

Die bedrahteten Gehäuse haben keine einheitlichen Größen und Bezeichnungen.

SMD-Gehäuse

Kondensatoren werden selbstverständlich auch in SMD-Gehäusen angeboten.

Gehäuse

Maße l x b x h

0402

1,00 x 0,50 x 0,35 mm³

0603

1,60 x 0,80 x 0,45 mm³

0805

2,00 x 2,25 x 0,55 mm³

1206

3,10 x 1,55 x 0,55 mm³

1812

3,20 x 3,20 x 2,00 mm³

2512

6,35 x 3,20 x 0,55 mm³

2816

7,20 x 6,10 x 4,50 mm³

3025

7,50 x 6,30 x 4,00 mm³

Auswahl von SMD-Gehäusen für Kondensatoren

Deren Höhe kann je nach Kapazität, Typ und Spannung variieren. Es gibt eine Reihe weiterer quaderförmiger SMD-Bauformen.

Es gibt auch Kondensatoren in SMD-Gehäusen, die den bedrahteten Kondensatoren ähnlich sind. Insbesondere Elektrolytkondensatoren werden in solchen Gehäusen angeboten.

Die SMD-Kondensatoren wurden so platziert, dass sie auf das 2,54mm Raster einer Lochrasterplatine passen. Die Leiterbahnen verlaufen auf der Oberseite.

Regeln

• Kondensatoren haben eine Kapazität.

• Die Kapazität wird in Farad F angegeben.

• Meistens werden µF und nF verwendet (1µF=1000nF).

• Kondensatoren haben eine maximal zulässige Betriebsspannung.

• Die maximal zulässigen Betriebsspannung darf nicht überschritten werden.

• Es gibt gepolte und ungepolte Kondensatoren.

• Gepolte Kondensatoren müssen immer mit der richtigen Polung an einer Spannungsquelle betrieben werden.

• Kondensatoren laden sich an einer Spannungsquelle auf.

• Ein geladener Kondensator kann wieder entladen werden.

• Wenn ein Kondensator über einen Widerstand an einer Spannungsquelle geladen wird,

• steigt seine Spannung mit der Zeit an.

• Wie schnell die Spannung ansteigt, hängt von der Zeitkonstante τ=R*C ab.

• Wenn ein geladener Kondensator über einen Widerstand entladen wird,

• fällt seine Spannung mit der Zeit ab.

• Wie schnell die Spannung abfällt, hängt von der Zeitkonstante τ=R*C ab.

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.

selbstheilend: Bei sehr kurzen Überspannung 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 meistens 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 in Frage zu stellen. Insbesondere bei Spannungsreglern und Stromversorgungen muss 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, das der ESR nicht sehr gering ist. Es gibt aber Versionen mit geringem ESR.