Ein sehr wichtiges und oft verwendetes Bauteil in der Funktechnik und Elektronik ist der Kondensator.
Man sollte den Aufbau und das Verhalten eines Kondensator gut kennen, damit seine späteren Anwendungen verstanden werden.
Er besteht aus zwei leitenden Flächen (Platten, Schichten), die durch einen Isolator (Dielektrikum) voneinander getrennt sind.
Die geometrischen Abmessungen bestimmen eine wichtige Eigenschaft eines Kondensators, es ist die Fähigkeit, Ladungen zu speichern. Diese Fähigkeit wird als Kapazität bezeichnet und hierfür wird der Formelbuchstabe $C$ verwendet. Je größer die Kapazität ist, umso mehr elektrische Ladungen $Q$ können gespeichert werden.
$C = \frac{Q}{U}$ mit der Einheit $Q$ in $As$ und $U$ in $V$
$C = \frac{Q}{U}$ mit der Einheit $\dfrac{As}{V}$
Diese Formel steht nicht in der Formelsammlung und wird auch nicht für die Prüfung benötigt.
Statt $\frac{\text{As}}{\text{V}}$ wird die Benennung FARAD zu Ehren des englischen Naturforschers Michael Faraday (1791 – 1867) verwendet.
1 FARAD ist die Kapazität eines Kondensators, in dem eine Ladung von 1 As bei einer Spannung von 1 Volt gespeichert wird.
Wenn die angelegte Spannung erhöht wird, werden mehr Ladungen gespeichert.
Beim Anlegen einer Spannung an einen Kondensator entsteht zwischen den leitenden Platen ein elektrisches Feld E.
Je höher die angelegte Spannung und je kleiner der Abstand zwischen den Platten ist, umso stärker ist das elektrische Feld. Daraus ergibt sich die Formel
$E = \dfrac{U}{d}$
In der Formelsammlung zu finden auf Seite 236 unten rechts
Zur Berechnung der Kondensatorkapazität aus den Abmessungen dient folgende Formel:
$C = \frac{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot A}{d}$
siehe Formelsammlung Seite 236 unten
$A$ = gegenüberstehende Fläche der leitenden Platten
$d$ = Abstand zwischen den Flächen
$\varepsilon_0 = 0,855 \cdot 10^{-11}\frac{As}{Vm}$: elektrische Feldkonstante
Eine spezielle Eigenschaft des Isolators (Dielektrikum) ist die sogenannte Dielektrizitätszahl „Epsilon“.
| Luft (trocken) | 1,00059 |
| Voll-PE (Polyäthylen | 2,29 |
| Schaum-PE | 1,5 |
| PTFE (Teflon) | 2,0 |
Diese Tabelle 29 findet man in der Formelsammlung auf Seite 244.
Wichtig:
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Keramikkondensator
Elektrolytkondensator
Praktischer Hinweis:
Man kann sich einen Kondensator selber bauen
Schneide zwei Flächen aus ALU-Folie mit den Maßen 5cm x 6cm aus. Zwischen die Flächen legt man dünne Frischhaltefolie und presst oder klebt die Flächen gut zusammen. Diese Konstruktion stellt einen Kondensator dar. Wie groß ist wohl seine Kapazität?
Man kann sie aus den Abmessungen (Fläche, Abstand) und dem Dielektrikum berechnen. Der gezeigte Selbstbaukondensator hat eine Kapazität von ca.
Mit modernen Messgeräten kann sie auch über den gemessenen Blindwiderstand (z.B. bei
Siehe Blindwiderstand $Xc$ eines Kondensators in Klasse A
In elektronischen Schaltungen werden sehr unterschiedliche Kondensatorbauformen verwendet:
Je nach Aufbau unterscheidet man:
Auch die verwendeten Schaltzeichen unterscheiden sich.
| Festkondensator | 
|
| Trimmkondensator (Trimmer) | |
| Drehkondensator (Drehko) | |
| Elektrolytkondensator (Elko) | |
Ein einfaches Experiment:
Man schließt einen Kondensator mit möglichst großer Kapazität (z.B. 4700 µF und
Beim Entladevorgang des Kondensators fließt im ersten Moment ein sehr hoher Strom, deshalb gibt es Punktschweißgeräte, die diese Tatsache ausnutzen, um Lötfahnen an Lithium-Ionen Akkumulatoren anzuschweißen.
Mit dem Suchbegriff „1600F Kondensator Punktschweißgerät“ findet man im Internet entsprechende Geräte.
Elektrolytkondensatoren (kurz ELKO) enthalten eine dünne, aufgerauhte ALU-Folie, die in einen Elektrolyten (z.B. Borax) eingetaucht ist. Dabei verursacht der Elektrolyt eine chemische Oxidation der Aluminiumoberfläche. Die entstehende Oxidschicht ist sehr dünn und deshalb steigt die Kapazität bei geringer Baugröße sehr stark an. Allerdings hat die dünne Schicht nur eine begrenzte Spannungsfestigkeit, die auf dem ELKO anggeben wird.
Elektrolytkondensatoren dürfen nur an Gleichspannung betrieben werden. Die Polung ist deshalb zu beachten, da sich sonst die Oxidschicht abbaut und somit die Spannungsfestigkeit sinkt. Der Kondesator wird zerstört.
Alle anderen Kondensatoren können auch an Wechselspannung angeschlossen werden.
Kondensatoren verhalten sich unterschiedlich, wenn sie an Gleich- oder Wechselspannung angeschlossen werden.
Experiment:
Ein ungeladener Kondensator wird über einen Widerstand an Gleichspannung angeschlossen. Durch die Spannung (Vergleichbar mit einem Druck) werden Ladungen auf die Flächen geschoben, da sich ungleiche Ladungen gegenseitig anziehen. Negative Ladungen = Elektronenüberschuss – Elektronen werden vom negativen Pol der Spannungsquelle auf die angeschlossene leitende Fläche „gedrückt“ Positive Ladungen = Elektronenmangel – Elektronen werden vom positiven Pol der Spannungsquelle „abgesaugt“. Der Kondenator lädt sich auf. Dies geschieht aber nicht schlagartig, sondern zeitlich verzögert und die Spannung am Kondensator steigt dabei nach einer sogenannten „e-Funktion“ an. Die zeitliche Verzögerung hängt vom vorgeschalteten Widerstand ab. Je größer der Widerstand ist, umso länger dauert es, bis der Kondensator „voll“ geladen ist. Diesen Vorgang kann man mit Hilfe eines Oszilloskops darstellen.
Beim Entladevorgang fließt der Strom entgegen der Ladestromrichtung und die Spannung am Kondensator baut sich langsam ab. Der Verlauf geschieht nach einer speziellen mathematischen Funktion (e-Funktion).
Es gibt auch Simulationsprogramme, die die Spannungs- und Stromänderung beim Lade- und Entladevorgang darstellen können.
Wenn ein Kondensator hintereinander schnell geladen und entladen wird, dann steigt im Mittel der angezeigte Strom. In der Praxis sieht dies so aus, als ob in einem Stromkreis der Widerstand sinken würde. Deshalb kann man für den Kondensator einen Wechselstromwiderstand angeben.
Er wird kapazitiver Blindwiderstand $X_{\textrm{C}}$ genannt.
Wie man aus der folgenden Darstellung eines Antennenanalysators sehen kann sinkt er bei steigender Frequenz .
