Energie speichern mit Kondensatoren

Ein Kondensator besteht aus zwei elektrisch leitfähigen Platten, zwischen denen sich das isolierende Material (Dielektrikum) befindet.

Wird an einer der Platten eine elektrische Spannung angelegt, verschiebt diese die Elektronen in Richtung der Platte. Durch Influenz werden zeitgleich die Elektronen der zweiten Platte abgestoßen. Durch den Mangel an Elektronen entsteht eine lokale positive Ladung in der zweiten Platte, die zusammen mit der negativen Ladung der elektronengefüllten ersten Platte ein elektrisches Feld bildet.

Werden nun beide Platten vom Stromkreis getrennt, hält das elektrische Feld diese Ladungsverschiebung aufrecht. Schließt man die Verbindung zwischen den beiden Platten, wandern die gestauten Elektronen zurück – sie geben ihre gespeicherte Energie frei. Kondensatoren sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, die sich vor allem anhand der verwendeten Materialien unterscheiden. Die wichtigsten listen wir nachfolgend für Sie auf.

Kondensatoren können

• Ströme begrenzen,
• Stromkreise koppeln oder entkoppeln,
• Spannungen glätten,
• Frequenzen umformen
• und zeitliche Abläufe steuern.

Die Anwendungsfelder hängen dabei stark von der Bauform des Kondensators ab. Je nach Kapazität und Effizienzgrad können sie als leistungsstarke Energie- und Ladungsspeicher verwendet werden oder als winziger Informationsspeicher in integrierten Schaltkreisen.

Da sie hohe Spannung aufnehmen, diese jedoch beim Entladen rapide sinkt, können sie dabei nur sehr kurz eine spezifische Leistung aufrechterhalten. Für die Praxis eignen sich daher auch Anwendungen in Wechselspannungsstromkreisen, wo schnelles Laden und Entladen von Vorteil ist, zum Beispiel um elektrische Ströme zu begrenzen.

Die Eigenschaften von Kondensatoren werden heute insbesondere in der Computertechnik genutzt, wo sie als winzige zentrale Informationsspeicher millionenfach verbaut sind. Aber auch elektrotechnische Disziplinen wie Mechatronik, Maschinenbau oder industrielle Automation basieren maßgeblich auf Kondensatoren. Sie sind praktisch zentraler Bestandteil nahezu aller elektrischen Schaltkreise, Maschinen oder Prozessoren.

Eine besondere Rolle übernehmen Elektrolytkondensatoren. Die Elkos setzen sich zusammen aus einer Anode aus Tantal, Aluminium oder Niob, auf der eine dünne, isolierende Oxidschicht erzeugt wird. Diese Schicht bildet das Dielektrikum des Kondensators. Ein flüssiger oder fester Elektrolyt fungiert dann als Kathode, die passgenau an die Oxidschicht angebracht wird. Zu beachten ist, dass Elkos aufgrund ihrer Bauweise gepolt sind: Sie dürfen nur in eine Richtung und mit Gleichstrom betrieben werden.

Der Hauptvorteil von Elkos ist ihre verhältnismäßig hohe Kapazität, obwohl sie so kleine Bauteile sind. Sie ist meist größer als die von Keramik- oder Kunststofffolien-Kondensatoren. Elkos eignen sich besonders zum Entkoppeln von Frequenzen und als Energiespeicher z. B. in Lautsprecherboxen und in verschiedenen Automobilanwendungen. Gerade bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen übernehmen Kondensatoren eine Schlüsselrolle und die Nachfrage steigt.

Die wichtigste Größe eines Kondensators ist die Kapazität. Sie bestimmt, welche Ladungsmenge er beim Anlegen einer spezifischen Spannung speichert. Sie hängt von der Geometrie des Kondensators sowie dem Material des Dielektrikums ab. Größere Kondensatorplatten und eine höhere Dielektrizitätszahl des Isolators führen zu einer größeren Kapazität.

Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Temperaturresistenz. Manche Kondensatoren verlieren an Effizienz, wenn sie zu hohen oder niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden.

Die Impedanz ist der komplexe Wechselstromwiderstand. Sie leitet sich von der Kapazität des Kondensators ab und ist bestimmt von der Frequenz der verwendeten Spannung. Aufgrund der Zeitverzögerung beim Laden und Entladen führt eine Wechselspannung zu einer Phasenverschiebung, die abhängig von der Frequenz einen variablen Widerstand bildet.

Wichtig sind auch die technisch relevanten Einheiten wie Größe, Montageart und Toleranz der Kennzahlen.

Das Lade- und Entladeverhalten eines Elkos muss bei jeder Anwendung berücksichtigt werden. Insbesondere beim schnellen Wechsel zwischen den Vorgängen sollte sorgfältig geplant werden. Sowohl das Auf- als auch das Entladen werden als e-Funktionen dargestellt, da sie exponentiell statt linear ablaufen. Das Aufladen geschieht zunächst rapide, wird jedoch stetig langsamer. Die gestauten Elektronen in der Kondensatorplatte stoßen sich gegenseitig ab und bilden zunehmend eine Gegenkraft zur Aufladespannung.

Das Aufladen kommt zum Erliegen, wenn die elektrostatische Abstoßung der Elektronen die gleiche Kraft wie die angelegte Spannung aufbringt.

Entsprechend umgekehrt verläuft der Entladevorgang: Die gestauten Elektronen verlassen schnell die Kondensatorplatte, wobei durch die stetig sinkende Dichte an Elektronen die treibende Kraft gleichmäßig abnimmt, bis schließlich der Entladevorgang abgeschlossen ist. Besonders beim Entladen ist auch der Lastwiderstand von Bedeutung: Er verlangsamt den Prozess, je höher sein Widerstand ist.

Die Auswahl des richtigen Kondensators hängt vor allem von Kapazität und Auslastungsgrad ab. Je nachdem, wie viel Ladung gespeichert werden muss und wie häufig der Kondensator ge- und entladen wird, können leistungsstarke Elkos oder einfache MP-Kondensatoren zum Einsatz kommen. So eignen sich für das Gleichrichten mehrerer Kilovolt Wechselstrom, vorwiegend wechselstrombeständige Kondensatoren im Farad-Bereich. Sollen zum Beispiel lediglich die Verstärkerstufen eines Autoradios gekoppelt werden, reichen kleine Kondensatoren im Picofarad-Bereich aus.

Wichtig ist insbesondere auch die Anschlussart des Kondensators. Reguläre Wickel- oder Schichtkondensatoren mit Leitungsanschlüssen lassen sich schnell und einfach in industrielle Schaltkreise einlöten, sind jedoch nicht geeignet für Mikrocomputertechnik, wo standardmäßig SMD-Kondensatoren verbaut werden.

Zuletzt natürlich noch wichtig: Die Anschaffungskosten allein sollten nicht ausschlaggebend für den Kauf von Kondensatoren sein, da die Bauteile bei Überforderung nicht nur zu Defekten, sondern sogar zum Ausfall kompletter Anlagen führen können.

Wie kann man die Kapazität eines Elkos prüfen?

Handelsübliche Multimeter besitzen eine eigene Einstellung, um Kapazitäten zu messen.

Kann man einen Kondensator falsch anschließen?

Zwar sind die meisten Kondensatoren bipolar, Elkos jedoch können nur auf eine Weise gepolt werden.

Was muss beim Anschließen eines Elektrolytkondensators beachtet werden?

Beim Anschließen eines Elkos muss unbedingt die korrekte Polung beachtet werden. Wird sie nicht eingehalten, kann der Elko beschädigt oder sogar zerstört werden.

Wie lange dauert es, bis ein Elko entladen ist?

Die Entladedauer eines Kondensators entspricht 5 · τ, also 5 · Widerstand · Kapazität (da τ = Widerstand · Kapazität).

Wie groß muss der Kondensator sein?

Das hängt ganz von der Anwendung ab. Wichtig ist, dass die Maximalspannung eines Kondensators bei dessen Einsatzfeld nicht überschritten wird.

Warum explodiert ein Kondensator?

Wird ein Elko falsch gepolt oder ein Kondensator zu hoher Spannung ausgesetzt, kann er explodieren. Dabei wird der Kondensator zerstört, was aufgrund der Explosion auch Kollateralschäden verursachen kann. Die Sicherheitsvorkehrungen, die sich dem Datenblatt eines Kondensators entnehmen lassen, sollten daher stets eingehalten werden.