Aufbau, Kenngrößen, Bauformen und Anwendungen von Kondensatoren – vom Siebkondensator bis zur Blindleistungskompensation.
C = Q / UDefinition: Ladung pro Spannung
X_C = 1 / (2πfC)Widerstand eines Kondensators bei Wechselstrom
W = ½ × C × U²Im elektrischen Feld gespeicherte Energie
C_ges = C₁ + C₂ + C₃ + ...Kapazitäten addieren sich direkt
1/C_ges = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ + ...Kehrwerte der Kapazitäten addieren sich
Der Kondensator ist neben dem Widerstand und der Spule eines der drei passiven Grundbauelemente der Elektrotechnik. Er speichert Energie in einem elektrischen Feld und wird in nahezu allen elektronischen Schaltungen eingesetzt – von der Siebung in Netzteilen bis zur Blindleistungskompensation in Industrieanlagen.
In diesem Ratgeber lernen Sie die Grundlagen, Kenngrößen und wichtigsten Anwendungen von Kondensatoren kennen.
Ein Kondensator besteht im einfachsten Fall aus zwei leitfähigen Platten (Elektroden), die durch ein nichtleitendes Material (Dielektrikum) getrennt sind.
═══════════ ← Elektrode (Platte 1)
┊ ┊ ┊ ┊ ← Dielektrikum (Isolator)
═══════════ ← Elektrode (Platte 2)
Beim Anlegen einer Spannung sammeln sich Ladungsträger auf den Elektroden:
Die gespeicherte Ladungsmenge Q ist proportional zur angelegten Spannung U:
C = Q / U
Die Einheit der Kapazität ist Farad (F), benannt nach Michael Faraday.
Ein Farad ist sehr groß – in der Praxis verwendet man:
| Einheit | Abkürzung | Faktor | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Picofarad | pF | 10⁻¹² F | HF-Schaltungen, Antennen |
| Nanofarad | nF | 10⁻⁹ F | Entstörung, Filter |
| Mikrofarad | µF | 10⁻⁶ F | Siebung, Kopplung |
| Millifarad | mF | 10⁻³ F | Motoranlauf, Kompensation |
| Farad | F | 1 F | Superkondensatoren (Supercaps) |
Bei Gleichstrom sperrt der Kondensator nach dem Aufladen:
Zeitkonstante: τ = R × C
Nach 5τ ist der Kondensator zu 99,3% geladen.
Bei Wechselstrom verhält sich der Kondensator als frequenzabhängiger Widerstand:
X_C = 1 / (2πfC) = 1 / (ωC)
Eigenschaften:
Der Kondensator wirkt wie ein Hochpass: Niedrige Frequenzen werden gesperrt, hohe Frequenzen werden durchgelassen.
Die Gesamtkapazität addiert sich:
C_ges = C₁ + C₂ + C₃ + ...
→ Parallel geschaltete Kondensatoren verhalten sich wie ein größerer Kondensator
Die Gesamtkapazität verringert sich:
1/C_ges = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ + ...
Bei zwei Kondensatoren: C_ges = (C₁ × C₂) / (C₁ + C₂)
→ Reihenschaltung erhöht die zulässige Spannungsfestigkeit
Aufgabe
Ein 10 µF Kondensator wird an 230 V / 50 Hz Wechselspannung betrieben. Wie groß ist der Blindwiderstand und der Strom?
Lösung
Der Blindwiderstand beträgt 318 Ω, der Strom 0,72 A.
Aufgabe
Ein Gleichrichter liefert 12 V bei 1 A. Die Brummspannung soll unter 1 V bleiben. Welche Kapazität ist nötig?
Lösung
Mindestens 10.000 µF / 25 V Elektrolytkondensator.
Aufgabe
Zwei 100 µF Kondensatoren werden in Reihe geschaltet. Wie groß ist die Gesamtkapazität?
Lösung
Die Gesamtkapazität beträgt 50 µF, die Spannungsfestigkeit verdoppelt sich.
DIN EN 61921: Leistungskondensatoren – Blindleistungskompensationsanlagen
DIN EN 60384: Kondensatoren für die Elektronik
Wichtige Kennwerte nach Norm:
Kondensator-Grundlagen:
Definition: C = Q / U (Kapazität = Ladung / Spannung)
Blindwiderstand: X_C = 1 / (2πfC)
Schaltungen:
Bauformen: Elko (gepolt!), Folie, Keramik, Supercap
Energie: W = ½ × C × U²
Elkos nutzen eine sehr dünne Oxidschicht als Dielektrikum, die nur in einer Richtung isolierend wirkt. Bei falscher Polung leitet sie – es kommt zu chemischen Reaktionen, Gasbildung und im schlimmsten Fall zur Explosion. Immer Plus an höheres Potential anschließen!
ESR (Equivalent Series Resistance) ist der Ersatz-Serienwiderstand des Kondensators. Bei Schaltnetzteilen fließen hohe Ripple-Ströme durch den Elko – ein hoher ESR führt zu Verlusten und Erwärmung. Für Schaltnetzteile werden „Low-ESR"-Elkos benötigt.
Theoretisch unendlich, praktisch begrenzt durch Leckströme. Superkondensatoren halten Stunden bis Tage, normale Elkos Minuten bis Stunden. Kleine Keramik-Kondensatoren verlieren ihre Ladung in Sekunden. Vorsicht: Große Kondensatoren können auch nach Abschalten noch gefährliche Spannungen halten!
Wenn Ihre Anlage einen schlechten Leistungsfaktor (cos φ < 0,9) hat – typisch bei vielen Motoren oder Leuchtstofflampen. Der Netzbetreiber berechnet oft Blindstromgebühren. Kompensationskondensatoren verbessern den cos φ und senken die Stromrechnung.