Kondensator

Ein Kondensator dient zum Speichern von elektrischen Ladungen. Das Schaltzeichen des Kondensators symbolisiert einen Plattenkondensator, bei dem sich zwischen zwei Metallplatten eine Isolierschicht befindet, das "Dielektrikum". Als Dielektrikum werden meist hauchdünne Kunststofffolien oder mikroskopisch dünne Karamikplättchen mit aufgedampften Metallschichten eingesetzt.

Das Speichervermögen des Kondensator bezeichnet man als Kapazität und ist abhängig von den Elektrodenflächen, von der Dicke der Isolationsschicht und vom Isolationsmaterial. Die Kapazität ist um so größer, je größer die Plattenfläche, je kleiner der Plattenabstand und je größer die Dielektrizitätskonstante ist.

Die gespeicherte Elektrizitätsmenge lässt sich durch die Formel Q = C · U bestimmen. Die Maßeinheit dafür ist das Coulomb (C) bzw. Amperesekunden (As). Abgeleitet von der Spannung und der Ladung ergibt sich die elektrische Kapazität in Farad (F).

Das Farad (F) wurde benannt nach Michael Faraday und beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung und Ladung am Kondensator. Ein Kondensator mit einer Kapazität von einem Farad (F) kann durch das Aufladen auf eine Spannung von einem Volt (V) eine Ladung von einem Coulomb (C) speichern. Wird ein Kondensator, durch einen Strom von einem Ampere in einer Sekunde auf eine Spannung von einem Volt aufgeladen, so erreicht dieser eine Kapazität von einem Farad.

Da die praktisch eingesetzten Kondensatoren viel kleiner als ein Farad sind, werden Einheiten meistens in µF ( 1/1000000 F), nF (1/1000 µF) oder in pF (1/1000000 µF) angegeben. Erst seit den 90er Jahren sind Doppelschichtkondensatoren erhältlich, die Kapazitäten in der Größenordnung von einigen Farad aufweisen.

Ein Maß für die Ladezeit eines Kondensators ist die Zeitkonstante τ. Die Zeitkonstante τ hängt vom Widerstand R des Kondensators und von der Kapazität C ab. Die Formel hierfür lautet: τ = R · C. Die Aufladung und Entladung eines Kondensators über einen Widerstand erfolgt in Form einer Exponentialfunktion. Die Spannung steigt zuerst sehr schnell, danach immer langsamer. Die Lade-Entlade-Zeit eines Kondensators ist um so länger, je größer die Kapazität und der Widerstand sind.

Als Faustformel gilt: Ein Kondensator von 1 µF braucht 1 Sekunde, um sich über einen Widerstand von 1 MΩ auf ca. 63% aufzuladen oder zu entladen. Eine Aufladung oder Entladung auf 99 % vom Endwert benötigt die 5-fache Zeit. Über den Dreisatz kann man sich leicht die Zeitkonstanten für RC-Kombinationen ausrechnen, um die benötigten Bauteile für eine bestimmte Ladezeit zu ermitteln.

Keramikkondensator

Bei den Keramikkondensatoren besteht das Dielektrikum aus mikroskopisch dünnen Karamikplättchen mit aufgedampften Metallschichten. Der Kondensator insgesamt besteht aus einem kompakten Stapel vieler solcher Teilkondensatoren. Der Keramikkondensator zeichnet sich besonders durch seine hohe Dielektrizitätskonstante bei kleinster Bauform aus.

Elektrolytkondensator (Elko)

Bei den Elektrolytkondensatoren besteht das Dielektrikum aus einer dünnen, isolierenden Metalloxidschicht (Tantaloxid oder Aluminiumoxid). Die Anode besteht aus einer Aluminium- oder Tantalfolie, auf der durch elektrochemische Vorgänge eine Oxidschicht aufgebracht ist. An der Katode ist ein Elektrolyt (z. B. Schwefelsäure, Manganoxid), das das empfindliche Dielektrikum vor direkter Berührung mit der Anschlusselektrode schützt und zur Aufrechterhaltung der Oxidschicht beiträgt. Weil bei falscher Polung die isolierende Oxidschicht abgebaut wird und der Kondensator zerstört wird, muss auf die gepolten Anschlüsse geachtet werden. Gepolte Elektrolytkondensatoren dürfen nicht an Wechselspannung betrieben werden, da ein fortwährender Ab- und Aufbau der Oxidschicht den Elko zu stark erwärmt.

Problematisch ist bei Elkos eine längere Ruhezeit, wenn beispielsweise durch die Einlagerung von Leistungsbaugruppen die Kondensatoren längere Zeit außer Betrieb sind. Elektrolytkondensatoren basieren auf dem elektrochemischen Effekt der anodischen Oxidation, bei der nach längerer Lagerdauer der Kondensator an der Oxidschicht seine Sperrwirkung verliert. Nach einer gewissen Standzeit müssen die Leistungskondensatoren neu formiert werden. Je nach Typ beträgt das Formierungsintervall 12 bis 24 Monate. Durch das Anlegen von Gleichspannung an den Elko, die über einen Vorwiderstand strombegrenzt ist, können die ursprünglichen Bauteileigenschaften wieder hergestellt werden. Der Vorgang die Kondensatoren aufzufrischen bzw. regenerieren wird als Formierung bezeichnet. Die besondere Herausforderung ist, die Formierungsspannung nur langsam auf Nennspannung hochzufahren und dabei der Ladestrom zu begrenzen.

Glimmerkondensator

Glimmerkondensatoren sind geschichtetete Kondensatoren, bei denen das Dielektrikum aus Glimmer besteht. Glimmer hat einen kleinen Verlustfaktor, eine hohe Durchschlagsfestigkeit und ist sehr gut für hohe Betriebstemperaturen geeignet. Glimmerkondensatoren werden vorwiegend im HF-Bereich und in der Messtechnik eingesetzt.

Metallpapierkondensator

MP-Kondensatoren bestehen aus einem Papierband auf das im Vakuum eine dünne Metallschicht aufgedampft wurde. Ein MP-Wickel besteht aus zwei solchen MP-Bändern, die gegeneinander versetzt aufgerollt werden. Auf den Stirnseiten des Wickels wird eine Metallschicht aufgespritzt, die als Anschluss dient. Dadurch, dass jede Windung der beiden Beläge direkt am Anschluss liegt, ist der MP-Kondensator fast induktionslos. Besonders vorteilhaft bei den MP-Kondensatoren ist die sogenannte selbstheilende Wirkung. Bei einem Durchschlag wird der dünne Metallfilm in der Umgebung der Fehlerstelle durch den entstehenden Lichtbogen verdampft. Dabei wird die Durchschlagstelle metallfrei und es besteht zwischen beiden Lagen keine leitende Verbindung mehr. Dies ist auch der Grund, weshalb MP-Kondensatoren als Betriebskondensator bei Wechselstrommotoren vorwiegend verwendet werden. Metallpapierkondensatoren gewährleisten eine hohe Betriebssicherheit und sind ausgelegt für hohe Wechselspannungen, beispielsweise bei Kondensatormotoren in Waschmaschinen, Mischmaschinen, Bohrmaschinen und Pumpen. Die nachfolgende Tabelle gibt Auskunft zur richtigen Auswahl des Kondensators.

Betriebskondensatoren

Kapazität

Leistung

Drehzahl

Spannung

Baugröße

4 µF

0,12 kW

2800 U/min

400 V

63

5 µF

0,12 kW

1390 U/min

400 V

63

6 µF

0,18 kW

1390 U/min

400 V

63

10 µF

0,3 kW

2760 U/min

400 V

71

12 µF

0,5 kW

2790 U/min

400 V

71

12 µF

0,3 kW

1380 U/min

400 V

71

16 µF

0,55 kW

1380 U/min

400 V

80

20 µF

0,9 kW

2800 U/min

400 V

80

30 µF

1,1 kW

2740 U/min

400 V

90S

30 µF

0,9 kW

1370 U/min

400 V

90S

40 µF

1,7 kW

2700 U/min

400 V

90L

40 µF

1,25 kW

1380 U/min

400 V

90L