Kondensatoren erklärt: Funktionsweise, Energie-Speicherung und Einsatz in der modernen Elektronik

In diesem Tutorial erfahren Sie, was ein Kondensator ist, wie er funktioniert und welche grundlegenden Anwendungsbeispiele es gibt. Sie können das folgende Video ansehen oder den schriftlichen Leitfaden unten lesen.

Überblick

Kaum eine Schaltung kommt ohne Kondensatoren aus. Zusammen mit Widerständen und Spulen bilden sie die grundlegenden passiven Bauelemente der Elektronik.

Was ist ein Kondensator?

Ein Kondensator ist ein Bauelement, das Energie in Form elektrischer Ladung speichern kann. Verglichen mit einer gleich großen Batterie speichert ein Kondensator jedoch eine deutlich geringere Energiemenge – etwa um den Faktor 10.000 weniger –, was für unzählige Schaltungsentwürfe dennoch äußerst nützlich ist.

Kondensator-Aufbau

Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten, die durch ein isolierendes Material, das Dielektrikum, getrennt sind. Die Platten sind leitfähig und bestehen meist aus Aluminium, Tantal oder anderen Metallen, während das Dielektrikum aus beliebigen Isoliermaterialien wie Papier, Glas, Keramik oder anderen Materialien gefertigt sein kann, die den Stromfluss behindern.

Die Kapazität eines Kondensators, gemessen in Farad, ist direkt proportional zur Oberfläche der beiden Platten sowie zur Permittivität ε des Dielektrikums. Je kleiner der Abstand zwischen den Platten, desto größer die Kapazität. Sehen wir uns nun an, wie ein Kondensator funktioniert.

Funktionsweise eines Kondensators

Zunächst ist festzuhalten, dass ein Metall normalerweise gleich viele positiv und negativ geladene Teilchen enthält – es ist also elektrisch neutral.

Schließen wir eine Spannungsquelle oder Batterie an die Metallplatten an, versucht ein Strom zu fließen: Elektronen von der mit dem Pluspol verbundenen Platte bewegen sich zur mit dem Minuspol verbundenen Platte. Aufgrund des Dielektrikums können die Elektronen den Kondensator nicht durchqueren und reichern sich auf der Platte an.

Nachdem sich eine bestimmte Anzahl an Elektronen angesammelt hat, verfügt die Batterie nicht mehr über genügend Energie, um weitere Elektronen auf die Platte zu drücken, da diese durch die bereits vorhandenen Elektronen abgestoßen werden.

An diesem Punkt ist der Kondensator vollständig geladen. Die erste Platte hat eine netto negative Ladung, die zweite eine gleich große netto positive Ladung entwickelt. Zwischen ihnen entsteht ein elektrisches Feld mit anziehender Kraft, das die Ladung im Kondensator hält.

Funktionsweise des Dielektrikums

Betrachten wir, wie das Dielektrikum die Kapazität erhöht. Ein Dielektrikum enthält polare Moleküle, die ihre Ausrichtung anhand der Ladungen auf den beiden Platten ändern können. Die Moleküle richten sich so im elektrischen Feld aus, dass mehr Elektronen zur negativen Platte hingezogen werden, während mehr Elektronen von der positiven Platte abgestoßen werden.

Ist der Kondensator einmal vollständig geladen und entfernen wir die Batterie, hält er die elektrische Ladung lange Zeit und fungiert als Energiespeicher.

Kurzschließen wir nun die beiden Anschlüsse über eine Last, fließt ein Strom durch die Last. Die angesammelten Elektronen der ersten Platte bewegen sich zur zweiten Platte, bis beide Platten wieder elektrisch neutral sind.

Das ist das grundlegende Funktionsprinzip. Nun schauen wir uns einige Anwendungsbeispiele an.

Anwendungen von Kondensatoren

Entkopplungs- (Bypass-) Kondensatoren

Entkopplungskondensatoren oder Bypass-Kondensatoren sind ein klassisches Beispiel. Sie werden häufig zusammen mit integrierten Schaltkreisen (ICs) eingesetzt und zwischen Versorgungsspannung und Masse des IC platziert.

Ihre Aufgabe ist es, Störungen in der Versorgungsspannung zu filtern – etwa Spannungswelligkeit, die auftritt, wenn die Spannungsversorgung kurzzeitig abfällt oder beim Schalten von Schaltungsteilen Schwankungen verursacht. Im Moment des Spannungseinbruchs wirkt der Kondensator vorübergehend als Spannungsquelle und überbrückt die Hauptversorgung.

Wechselstrom- zu Gleichstrom-Wandler

Ein weiteres typisches Anwendungsbeispiel sind Kondensatoren in Netzteilen. Zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung wird meist ein Gleichrichter (Diode) verwendet, der ohne Kondensatoren jedoch nicht auskommt.

Die Ausgangsspannung des Gleichrichters ist ein pulsierender Strom. Während der Anstiegsphase lädt sich der Kondensator auf, während der Abfallsphase entlädt er sich und glättet so die Gleichspannung.

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Signalfilterung

Signalfilterung ist eine weitere Anwendung. Aufgrund ihrer frequenzabhängigen Impedanz blockieren Kondensatoren tieffrequente Signale, während sie höherfrequente durchlassen.

Dies wird in Radioempfängern zur Ausblendung unerwünschter Frequenzen und in Frequenzweichen von Lautsprechern genutzt, um tiefe Frequenzen für den Woofer und hohe Frequenzen für den Tweeter zu trennen.

Kondensatoren als Energiespeicher

Eine weitere offensichtliche Nutzung ist die Energiespeicherung und -bereitstellung. Obwohl sie im Vergleich zu gleich großen Batterien deutlich weniger Energie speichern, ist ihre Lebensdauer weitaus besser und sie können Energie viel schneller abgeben. Das macht sie für Anwendungen geeignet, die hohe Leistungsspitzen erfordern.

Das war es für dieses Tutorial. Stellen Sie gerne Fragen im Kommentarbereich unten.