Was ist ein Kondensator und wie funktioniert er? – Physik und Anwendungen

In diesem Tutorial lernen wir, was ein Kondensator ist, wie er funktioniert, und werfen einen Blick auf einige grundlegende Anwendungsbeispiele. Sie können sich das folgende Video ansehen oder das schriftliche Tutorial unten lesen.

Übersicht

Es gibt fast keine Schaltung ohne einen Kondensator, und zusammen mit Widerständen und Induktivitäten sind sie die grundlegenden passiven Komponenten, die wir in der Elektronik verwenden.

Was ist Kondensator?

Ein Kondensator ist ein Gerät, das Energie in Form einer elektrischen Ladung speichern kann. Im Vergleich zu einer Batterie gleicher Größe kann ein Kondensator viel weniger Energie speichern, etwa 10 000-mal kleiner, aber nützlich genug für so viele Schaltungsdesigns.

Kondensatorkonstruktion

Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten, die durch ein Isoliermaterial, das Dielektrikum genannt wird, getrennt sind. Die Platten sind leitfähig und bestehen normalerweise aus Aluminium, Tantal oder anderen Metallen, während das Dielektrikum aus jedem isolierenden Material wie Papier, Glas, Keramik oder allem bestehen kann, was den Stromfluss behindert.

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

Funktionsweise des Kondensators

Zunächst können wir feststellen, dass ein Metall typischerweise eine gleiche Menge an positiv und negativ geladenen Teilchen enthält, was bedeutet, dass es elektrisch neutral ist.

Wenn wir eine Stromquelle oder eine Batterie an die Metallplatten des Kondensators anschließen, versucht ein Strom zu fließen, oder die Elektronen von der Platte, die mit dem positiven Anschluss der Batterie verbunden ist, beginnen, sich zu der Platte zu bewegen, die mit dem negativen Anschluss von verbunden ist die Batterie. Aufgrund des Dielektrikums zwischen den Platten können die Elektronen jedoch den Kondensator nicht passieren, sodass sie sich auf der Platte ansammeln.

Nachdem sich eine bestimmte Anzahl an Elektronik auf der Platte angesammelt hat, hat die Batterie aufgrund der Abstoßung der bereits vorhandenen Elektronik nicht mehr genügend Energie, um neue Elektronik in die Platte zu schieben.

An diesem Punkt ist der Kondensator tatsächlich vollständig geladen. Die erste Platte hat eine negative Nettoladung entwickelt, und die zweite Platte hat eine gleiche positive Nettoladung entwickelt, wodurch ein elektrisches Feld mit einer Anziehungskraft zwischen ihnen erzeugt wird, die die Ladung des Kondensators hält.

Arbeitsprinzip des dielektrischen Kondensators

Schauen wir uns an, wie das Dielektrikum die Kapazität des Kondensators erhöhen kann. Ein Dielektrikum enthält Moleküle, die polar sind, was bedeutet, dass sie ihre Orientierung aufgrund der Ladungen auf den beiden Platten ändern können. Die Moleküle richten sich also so mit dem elektrischen Feld aus, dass mehr Elektronen von der negativen Platte angezogen werden, während mehr Elektronen von der positiven Platte abgestoßen werden.

Wenn wir die Batterie also einmal vollständig aufgeladen haben, wird sie die elektrische Ladung für lange Zeit halten und als Energiespeicher fungieren.

Wenn wir nun die beiden Enden des Kondensators durch eine Last verkürzen, beginnt ein Strom durch die Last zu fließen. Die angesammelten Elektronen von der ersten Platte beginnen sich zur zweiten Platte zu bewegen, bis beide Platten wieder elektrisch neutral sind.

Das ist also das grundlegende Funktionsprinzip eines Kondensators, und jetzt schauen wir uns einige Anwendungsbeispiele an.

Kondensatoranwendungen

Entkopplungs-(Bypass-)Kondensatoren

Entkopplungskondensatoren oder Bypass-Kondensatoren sind ein typisches Beispiel. Sie werden häufig zusammen mit integrierten Schaltkreisen verwendet und zwischen der Stromquelle und der Masse des IC platziert.

Ihre Aufgabe besteht darin, jegliches Rauschen in der Stromversorgung zu filtern, wie z. B. Spannungswelligkeiten, die auftreten, wenn die Spannung der Stromversorgung für einen sehr kurzen Zeitraum abfällt oder wenn ein Teil eines Stromkreises geschaltet wird, was Schwankungen in der Stromversorgung verursacht. In dem Moment, in dem der Spannungsabfall auftritt, fungiert der Kondensator vorübergehend als Stromversorgung und umgeht die Hauptstromversorgung.

AC-DC-Konverter

Ein weiteres typisches Anwendungsbeispiel sind Kondensatoren in DC-Adaptern. Zur Umwandlung der Wechselspannung in eine Gleichspannung wird normalerweise ein Diodengleichrichter verwendet, der jedoch ohne die Hilfe von Kondensatoren nicht auskommen wird.

Die Ausgabe des Gleichrichters ist eine Wellenform. Während also der Ausgang des Gleichrichters ansteigt, lädt sich der Kondensator auf, und während der Ausgang des Gleichrichters abfällt, entlädt sich der Kondensator und glättet auf diese Weise den Gleichstromausgang.

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Signalfilterung

Signalfilterung ist ein weiteres Anwendungsbeispiel für Kondensatoren. Aufgrund ihrer spezifischen Reaktionszeit sind sie in der Lage, niederfrequente Signale zu blockieren, während höhere Frequenzen durchgelassen werden.

Dies wird in Radioempfängern zum Ausblenden unerwünschter Frequenzen und in Frequenzweichenschaltungen in Lautsprechern verwendet, um die tiefen Frequenzen für den Tieftöner und die höheren Frequenzen für den Hochtöner zu trennen.

Kondensatoren als Energiespeicher

Eine weitere ziemlich offensichtliche Verwendung der Kondensatoren ist die Energiespeicherung und -versorgung. Obwohl sie im Vergleich zu einer Batterie gleicher Größe erheblich weniger Energie speichern können, ist ihre Lebensdauer viel länger und sie sind in der Lage, Energie viel schneller zu liefern, wodurch sie sich besser für Anwendungen eignen, bei denen ein hoher Leistungsschub erforderlich ist.

Das ist alles für dieses Tutorial, zögern Sie nicht, Fragen im Kommentarbereich unten zu stellen.