Kondensator – Funktionsweise, Kapazität und Anwendungen
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Kondensator
In Elektrizität und Elektronik ist ein Kondensator (englisch: capacitor) ein Bauelement, das elektrische Energie speichert. Es ist eine passive Komponente, die aus zwei leitfähigen Flächen besteht, welche ein elektrisches Feld erzeugen können. Die Flächen sind zumeist Platten, Folien oder gewickelte Flächen und werden durch ein Dielektrikum (ein Isolator) oder durch Vakuum voneinander getrennt. Durch Anlegen einer Potentialdifferenz können die beiden Platten entgegengesetzte elektrische Ladungen aufnehmen (eine positive Ladung auf der einen Platte und eine negative auf der anderen), wobei die Gesamtladung des Kondensators null ist.
Definition
Die auf den Platten gespeicherte Ladung ist proportional zur Spannungsdifferenz zwischen den Platten. Die Proportionalitätskonstante heißt Kapazität oder Kapazität (englisch: capacitance).
Kapazität und Einheiten
Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird die Kapazität in Farad (F) gemessen. Ein Kondensator von 1 Farad speichert, sofern er mit 1 Volt beaufschlagt wird, eine Ladung von 1 Coulomb. Eine Kapazität von 1 Farad ist für die meisten praktischen Kondensatoren sehr groß; deshalb werden in der Praxis häufig Teilgrößen verwendet:
- Microfarad (µF) = 10-6 F
- Nanofarad (nF) = 10-9 F
- Pikofarad (pF) = 10-12 F
Eine Ausnahme sind Superkondensatoren (auch EDLC), die durch aktivierte Kohlenstoffoberflächen mit sehr großer Fläche und sehr kleiner effektiver Plattenabstände Kapazitäten im Bereich von Hunderten bis Tausenden Farad erreichen können. Ein Beispiel ist der Ladebehälter in einigen kinetischen Uhren (z. B. Seiko Kinetic) mit einer Kapazität von einem Bruchteil eines Farad. Superkondensatoren werden auch als Energiespeicher in Prototypen elektrischer Fahrzeuge verwendet.
Formel der Kapazität
Der Wert der Kapazität eines Kondensators ist definiert durch die folgende Gleichung:
Wo gilt:
C: Kapazität
Q1: elektrische Ladung, die auf Platte 1 gespeichert ist.
V1 - V2: Potentialdifferenz zwischen Platte 1 und Platte 2.
Beachten Sie, dass diese Definition der Kapazität unabhängig davon gilt, ob die Platte als positiv oder negativ geladen bezeichnet wird, da die Größe der gespeicherten Ladung in Betrag und die resultierende Potentialdifferenz maßgebend sind.
Üblicherweise wird als positiv die Ladung der einen Platte vereinbart.
Bauformen und Dielektrika
Die Form der Platten bzw. die Bauweise und die Wahl des dielektrischen Materials variieren stark:
- Plattenkondensatoren (z. B. Aluminium- oder Metallfolien)
- Keramik-, Glimmer-, Polyester- oder Papierkondensatoren
- Elektrolytkondensatoren, bei denen eine Aluminiumoxidschicht als Dielektrikum dient
Idealer Kondensator
Der ideale Kondensator (Abbildung) kann durch die Differentialgleichung beschrieben werden:
Dabei ist C die Kapazität, u(t) die angelegte Potentialdifferenz an seinen Anschlüssen und i(t) der resultierende Strom, der fließt.
Gleichstromverhalten (DC)
Ein idealer Kondensator verhält sich im Gleichstrombetrieb im stationären Zustand wie ein offener Stromkreis, also wie ein Unterbrecher. Nur während transienter Vorgänge (z. B. beim Anschließen oder Trennen einer Versorgung) treten Ströme auf, die zu Spannungsänderungen an seinen Anschlüssen führen. Siehe dazu RL- und RC-Schaltungen für die Analyse von Transienten.
Wechselstromverhalten (AC)
Im Wechselstrombetrieb bietet ein idealer Kondensator einen Widerstand gegen Stromfluss, die so genannte kapazitive Reaktanz XC. Der Betrag der Reaktanz ist der Kehrwert des Produkts aus Kreisfrequenz ω (oder der Frequenz f) und der Kapazität C, entsprechend der Formel:
Die kapazitive Reaktanz nimmt mit steigender Frequenz ab, wodurch ein Kondensator bei hohen Frequenzen leichter Strom durchlässt als bei niedrigen Frequenzen.