Kondensator

Neben jedem IC auf einer Platine sitzt ein winziger brauner Chip, im Netzteil steht ein dicker Becher mit Minus-Streifen, in alten Radios findest du blaue Quader mit aufgedruckten Zahlen. All das sind Kondensatoren. Nach dem Widerstand sind sie die häufigsten Bauteile überhaupt: Sie puffern die Versorgung, glätten gleichgerichtete Spannung, trennen Gleichanteile von Signalen, bestimmen Zeiten und Frequenzen. Dieser Artikel gibt dir den Überblick über die Bauarten und die Kennwerte, mit denen du sie vergleichst. Wie ein Kondensator sich beim Laden und Entladen verhält, steht unter Kondensator im Gleichstromkreis.

Aufbau und Funktionsweise

Jeder Kondensator besteht aus zwei leitenden Flächen, den Elektroden oder Belägen, und einem Isolierstoff dazwischen, dem Dielektrikum. Legst du eine Spannung an, sammelt sich auf der einen Elektrode positive, auf der anderen gleich viel negative Ladung; im Dielektrikum baut sich ein elektrisches Feld auf. Wie viel Ladung pro Volt hineinpasst, ist die Kapazität C = Q / U, gemessen in Farad (F). Ein Farad ist riesig – übliche Werte liegen zwischen einigen Pikofarad und einigen Tausend Mikrofarad (zu den Vorsätzen siehe Einheitenvorsätze).

Für den einfachen Plattenkondensator gilt:

Drei Stellschrauben hat der Hersteller also: große Fläche A, kleiner Abstand d und ein Dielektrikum mit hoher Permittivitätszahl ε_r.

Genau diese Tricks unterscheiden die Bauarten. Ein dünneres Dielektrikum bringt mehr Kapazität, hält aber weniger Spannung aus; ein Material mit hohem ε_r macht das Bauteil klein, ist aber oft temperatur- und spannungsabhängig.

Schaltzeichen

Das Grundsymbol sind zwei parallele Striche – die beiden Elektroden. Gepolte Kondensatoren wie Elkos tragen ein Pluszeichen; in DIN-Zeichnungen ist die Plus-Elektrode oft als offenes, die Minus-Elektrode als gefülltes Rechteck gezeichnet, in amerikanischen Plänen ist eine Elektrode gebogen. Ein schräger Pfeil kennzeichnet einen einstellbaren Kondensator (Drehkondensator), ein Strich mit Querbalken einen Trimmer. Im Schaltplan heißen Kondensatoren C1, C2 …, der Wert steht daneben, etwa „100n“ oder „4µ7“. Weitere Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Kennwerte im Datenblatt

Neben der Kapazität entscheiden weitere Größen darüber, ob ein Kondensator in deine Schaltung passt:

Ein echter Kondensator ist also keine reine Kapazität. Das Ersatzschaltbild zeigt in Reihe zur Kapazität den Widerstand ESR und die Induktivität ESL, parallel dazu einen hohen Isolationswiderstand, über den sich der Kondensator langsam selbst entlädt.

Durch ESR fließt der volle Wechselstrom, er setzt also Leistung in Wärme um. Deshalb nennen Elko-Datenblätter einen höchsten Rippelstrom. Die ESL ist schuld daran, dass jeder Kondensator ab einer bestimmten Frequenz nicht mehr kapazitiv wirkt: An der Eigenresonanz heben sich kapazitiver und induktiver Blindwiderstand auf, die Impedanz ist minimal und gleich dem ESR. Darüber verhält sich das Bauteil wie eine Spule (vergleiche Schwingkreis).

Bauarten im Überblick

Fast immer bestimmt das Dielektrikum den Namen der Bauart:

Keramik dominiert heute zahlenmäßig, weil Vielschicht-Chips billig, klein und niederohmig sind. Folienkondensatoren sind stabil, verlustarm und heilen kleine Durchschläge selbst. Elektrolytkondensatoren erreichen die größten Kapazitäten, weil ihr Oxid-Dielektrikum extrem dünn ist – dafür sind sie gepolt, haben einen spürbaren ESR und altern. Einen Vergleich der Elko-Varianten findest du unter Elektrolytkondensator.

Typische Anwendungen

• Abblocken: 100 nF Keramik direkt an jedem Versorgungspin eines ICs, dazu einige µF in der Nähe. Sie liefern Stromspitzen, bevor die Leitung zum Netzteil reagieren kann.
• Glätten: Hinter einem Gleichrichter überbrückt ein Elko die Lücken zwischen den Halbwellen. Wie groß er sein muss, rechnet dir der Rechner unten aus.
• Koppeln: Ein Kondensator in Reihe lässt ein Audiosignal durch und trennt die Gleichspannungen zweier Stufen.
• Zeitglieder und Filter: Zusammen mit einem Widerstand bestimmt er Zeitkonstanten und Grenzfrequenzen (siehe RC-Glied und Grenzfrequenz berechnen).
• Schwingkreise und Takt: Lastkondensatoren am Schwingquarz und LC-Kreise in HF-Schaltungen brauchen stabile Klasse-1-Keramik.
• Energiespeicher: Blitzgeräte, Pufferung bei Spannungsausfall, Anlaufstrom für Motoren.

Auswahl und Praxistipps

Geh in dieser Reihenfolge vor: Welche Kapazität und welche Genauigkeit brauchst du? Welche Spannung liegt höchstens an, auch kurzzeitig? Fließt nennenswerter Wechselstrom, sodass ESR und Rippelstrom zählen? Welche Temperatur herrscht am Einbauort? Erst danach wählst du Bauart und Gehäuse. Für viele Kapazitäten gibt es mehrere sinnvolle Bauarten; eine Entscheidungshilfe gibt Welcher Kondensator ist der richtige?.

Häufige Fehler:

• Nennspannung zu knapp: Elkos und Tantal brauchen Reserve. Für eine 12-V-Schiene nimmst du mindestens 16 V, besser 25 V.
• Verpolung: Ein verkehrt eingelöteter Elko erwärmt sich und kann platzen. Wie du die Pole erkennst, steht unter Kennzeichnung von Kondensatoren.
• Nennwert für bare Münze genommen: Klasse-2-Keramik verliert unter Gleichspannung und Kälte einen großen Teil ihrer Kapazität, Elkos werden bei Frost hochohmig.
• Abblockkondensator zu weit weg: Jeder Millimeter Leiterbahn bringt Induktivität. Der Kondensator gehört direkt an den Pin, mit kurzem Weg zur Masse.
• Falsche Bauart im Filter: Eine X7R-Keramik als Zeitkondensator in einem NE555 driftet mit Temperatur und Spannung. Für genaue Zeiten nimmst du C0G oder Folie.

Selbsttest