Kondensatoren: Grundlagen und Anwendungen
Ein Kondensator ist ein elektronisches Bauteil, das elektrische Ladung speichern kann. Er besteht normalerweise aus zwei leitenden Objekten – meist Platten oder Folien –, die nahe beieinander, aber nicht berührend angeordnet sind. Grundlegend bestehen Kondensatoren aus zwei Metallplatten, getrennt durch einen Isolator, bekannt als Dielektrikum (z. B. Polystyrol, Öl oder Luft). Kondensatoren zählen zu den meistverwendeten und nützlichsten Komponenten in modernen elektronischen und elektrischen Schaltungen und Geräten.
Arten von Kondensatoren
Die gängigsten Arten von Kondensatoren sind:
- Elektrolytkondensatoren
- Keramikkondensatoren
- Papierkondensatoren
- Folienkondensatoren
- Glimmerkondensatoren
- Superkondensatoren
Diese können weiter in drei grundlegende Gruppen unterteilt werden:
- Feste Kondensatoren, deren Wert während des Herstellungsprozesses festgelegt wird.
- Polarisierte Kondensatoren, die spezifische positive und negative Polaritäten aufweisen.
- Variable Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität.
Kapazitätswerte
Ein Farad (F) ist eine relativ große Einheit der Kapazität und wird in den meisten elektronischen Schaltungen nicht verwendet. Üblicher sind Untergrößen wie das Mikrofarad (µF) und das Pikofarad (pF).
Anwendung von Kondensatoren
Kondensatoren werden in einer Vielzahl von elektronischen und elektrischen Anwendungen eingesetzt, wie z. B.:
- Energiespeicherung: Glättung von Spannungsschwankungen in Stromversorgungskreisen.
- Zeitgesteuerte Schaltungen: Steuerung der Frequenz und Dauer elektrischer Signale.
- Leistungsfaktorkorrektur: Verbesserung der Effizienz elektrischer Systeme.
- Audio- und Signalverarbeitung: Filtern und Abstimmen von Signalen.
Berechnung von Kondensatoren
Die Kapazität flacher, paralleler Metallplatten mit der Fläche A und dem Abstand d wird durch die Formel dargestellt:
\[ C = \frac{\varepsilon A}{d} \]
Wobei \(\varepsilon\) die Permittivität ist, die oft durch die relative Permittivität \(\varepsilon_r\) dargestellt wird.
Kondensatoren in Serie und parallel
Kondensatoren können in Serie oder parallel geschaltet werden. Bei einer Serienschaltung ist die reziproke Äquivalentkapazität gleich der Summe der reziproken Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren. Bei einer Parallelschaltung ist die Äquivalentkapazität gleich der Summe der Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren.
Ladung und Entladung eines Kondensators
Beim Laden eines Kondensators wird dieser so lange aufgeladen, bis seine Spannung der Spannungsquelle entspricht. Die Entladung erfolgt exponentiell und ist abhängig von der RC-Zeitkonstante des Widerstand-Kondensator-Netzwerks.
Energie in Kondensatoren
Kondensatoren können elektrische Energie speichern. Die gespeicherte elektrische potentielle Energie in einem geladenen Kondensator entspricht der Arbeit, die zum Laden erforderlich war. Die Energie wird beim Entladen wieder freigesetzt.
Kondensator mit Dielektrikum
Ein Dielektrikum zwischen den Platten eines Kondensators erhöht dessen Kapazität. Die Dielektrikumskonstante \(\kappa_e\) ist definiert als das Verhältnis der Kapazität eines Kondensators mit Dielektrikum zur Kapazität ohne Dielektrikum:
\[ C = \kappa_eC_0 \]
Dies ermöglicht eine höhere Ladungsspeicherung und Spannungsfestigkeit des Kondensators.
