Kondensator im Gleichstromkreis

Schaltest du einen Kondensator über einen Widerstand an eine Batterie, passiert etwas, das ein Widerstand allein nie zeigen würde: Erst fließt ein kräftiger Strom, dann wird er immer schwächer, bis er ganz versiegt. Die Spannung am Kondensator steigt dabei nicht sprunghaft, sondern in einer typischen Kurve. Dieses Verhalten nutzt du für Verzögerungen, Glättung, Entprellung und Zeitgeber – und es erklärt, warum ein Kondensator Gleichstrom „sperrt“. Das Gegenstück dazu ist die Spule im Gleichstromkreis.

Der Ladevorgang

Ein Kondensator mit der Kapazität C liegt in Reihe mit einem Widerstand R an einer Gleichspannung U₀ – ein RC-Glied. Im Moment des Einschaltens ist der Kondensator leer, an ihm liegt 0 V. Die ganze Spannung fällt am Widerstand ab, und es fließt der größtmögliche Strom I₀ = U₀ / R.

Mit jeder Ladung, die auf die Platten fließt, steigt die Kondensatorspannung (U = Q / C). Am Widerstand bleibt dadurch weniger Spannung übrig, der Strom wird kleiner, und der Kondensator lädt immer langsamer. Daraus ergibt sich eine Exponentialfunktion:

Die Zeitkonstante τ

Wie schnell das geht, bestimmt allein das Produkt aus Widerstand und Kapazität, die Zeitkonstante τ (tau):

Ohm mal Farad ergibt Sekunden. Nach einer Zeitkonstante hat der Kondensator 63 % der Endspannung erreicht, nach jeder weiteren Zeitkonstante schließt er 63 % der verbleibenden Lücke:

Ein weiterer nützlicher Wert: Die halbe Endspannung ist nach t = τ · ln 2 ≈ 0,69 τ erreicht. Und weil in τ nur R und C stecken, hängt die Ladezeit nicht von der Höhe der Spannung ab – an 5 V und an 50 V ist derselbe Kondensator nach derselben Zeit „voll“, nur eben auf unterschiedlichem Niveau.

Der Entladevorgang

Verbindest du einen geladenen Kondensator über einen Widerstand mit sich selbst, gibt er seine Ladung wieder ab. Die Spannung fällt nach derselben e-Funktion, nur spiegelbildlich:

Nach 1 τ sind noch 37 % übrig, nach 5 τ weniger als 1 %. Der Entladestrom fließt dabei in umgekehrter Richtung wie der Ladestrom, die Polarität der Kondensatorspannung bleibt aber dieselbe – der Kondensator arbeitet jetzt selbst als Spannungsquelle.

Ohne Entladewiderstand bleibt die Ladung zunächst erhalten, auch wenn du die Quelle abklemmst. Ganz ideal ist kein Kondensator: Über den winzigen Leckstrom durch das Dielektrikum entlädt er sich mit der Zeit von selbst (Selbstentladung).

Beachte außerdem die Nennspannung: Höher als auf dem Gehäuse angegeben darfst du einen Kondensator nicht aufladen, sonst schlägt das Dielektrikum durch und das Bauteil ist zerstört.

Kondensatoren sperren Gleichstrom

Ist der Ladevorgang abgeschlossen, liegt am Kondensator dieselbe Spannung wie an der Quelle, und es fließt kein Strom mehr. Für eine konstante Gleichspannung wirkt ein geladener Kondensator deshalb wie eine Unterbrechung – zwischen den Platten sitzt ja ein Isolator.

Ändert sich die Spannung dagegen, fließt wieder ein Lade- oder Entladestrom. Für Wechselspannung ist der Kondensator deshalb durchlässig, und zwar umso besser, je höher die Frequenz ist (siehe Kapazitiver Blindwiderstand). Diese Eigenschaft nutzt man ständig:

• Koppelkondensatoren trennen den Gleichanteil einer Mischspannung ab und lassen nur das Signal durch.

• Glättungskondensatoren puffern die pulsierende Spannung hinter einem Gleichrichter.
• Abblockkondensatoren halten die Versorgungsspannung an ICs stabil, wenn deren Strom kurzzeitig springt (siehe Parallelschaltung von Kondensatoren).

Energie im Kondensator

Ein geladener Kondensator speichert Energie im elektrischen Feld zwischen seinen Platten:

Interessant: Beim Laden über einen Widerstand geht genauso viel Energie im Widerstand als Wärme verloren, wie im Kondensator landet – unabhängig vom Widerstandswert. Der Wirkungsgrad dieses Ladevorgangs ist also immer 50 %.

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