Die Welt der Elektronik ist auf viele passive Komponenten angewiesen, um ordnungsgemäss zu funktionieren. Zu diesen unerlässlichen Komponenten gehören auch Kondensatoren
Laut dem Marktforschungsunternehmen Mordor Intelligence soll der Markt für Kondensatoren bis 2028 einen Wert von 31,7 Milliarden US-Dollar erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 6,1 % entspricht. Da mit dem technischen Fortschritt und der steignden Einführung elektronischer Geräte auch der Bedarf an Kondensatoren steigt, viele aber nicht genau wissen was ein Kondensator eigentlich ist, erklären wir in diesem Leitfaden woraus ein Kondensator besteht, welche verschiedenen Arten von Kondensatoren es gibt und wie Sie den richtigen für ihre Anwendung finden.
Was ist ein Kondensator?
Die grundlegende Funktion eines Kondensators besteht darin, Energie in Form eines elektrischen Feldes zu speichern. Er speichert die Energie und gibt sie bei Bedarf wieder ab. Damit unterscheiden sich Kondensatoren von Widerständen, die den Stromfluss begrenzen. Ein Kondensator besteht aus zwei leitenden Platten, die durch ein Isoliermaterial, das Dielektrikum, getrennt sind. Die Platten bestehen in der Regel aus Materialien wie Aluminium und Kupfer, und das Dielektrikum kann aus Materialien wie Keramik, Kunststoff und Papier hergestellt werden. Kondensatoren können in Spannung, Grösse und Kapazität variieren. Die Kapazität wird mit der Einheit Farad (F) angegeben Die Grundstruktur eines Kondensators bleibt jedoch gleich.
- Elektroden − Das sind die beiden leitenden Platten, die die Energie speichern.
- Dielektrikum − bestimmt die Kapazität und die Durchschlagsfestigkeit des Kondensators.
- Anschlussleitungen − Metalldrähte oder -stifte, die den Kondensator mit dem Stromkreis verbinden.
Wie funktioniert ein Kondensator?
Wenn ein Kondensator an eine Spannungsquelle, z. B. eine Stromversorgung oder eine Batterie, angeschlossen wird, entsteht zwischen den Platten ein Spannungsunterschied, der ein elektrisches Feld erzeugt. Warum entsteht ein Spannungsunterschied zwischen den Platten?
Die Elektronen im Leiter, der mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden ist, werden abgestossen und fliessen auf eine der leitenden Platten, wodurch diese negativ geladen wird. Gleichzeitig gelangen Elektronen vom Pluspol der Spannungsquelle zur anderen leitenden Platte des Kondensators und laden diese positiv auf. Durch die erzeugte Spannungsdifferenz entsteht ein elektrisches Feld zwischen den beiden Platten.
Das Dielektrikum ist ein Isolator und spielt damit eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des elektrischen Feldes zwischen den Platten. Es verhindert den direkten elektrischen Kontakt zwischen den beiden Platten und ermöglicht so die Speicherung von Energie. Die Energiemenge, die gespeichert werden kann, hängt vom verwendeten dielektrischen Material und seinen Eigenschaften ab. Wenn Energie aus dem Kondensator benötigt wird, muss er von der Spannungsquelle getrennt und ein geschlossener Stromkreis hergestellt werden. Wenn ein geladener Kondensator von seiner Spannungsquelle getrennt wird, bleibt die gespeicherte Energie im Feld und kann den angeschlossenen Stromkreis mit Energie versorgen.
Welche Kondensatortypen gibt es?
Je nach Anwendung, unterscheidet sich das Material, die Form und die Grösse des Kondensators. Allerdings können die Kondensatortypen in Kondensatoren mit fester Kapazität und Kondensatoren mit variabler Kapazität unterteilt werden. Bei variablen Kondensatoren kann im Gegensatz zu den festen Kondensatoren die Kapazität eingestellt werden. Im Folgenden finden Sie einige der gängigsten Kondensatortypen:
Keramikkondensatoren (Kerkos)
Es gibt verschiedene Keramikkondensatoren. Einer der beliebtesten ist der Vielschicht-Keramikkondensator (MLCC), da für verschiedene Anwendungen verwendet werden kann, z. B. zur Kopplung, Entkopplung oder Filterung. Zu den anderen Keramikkondensatoren gehören Keramik-Scheibenkondensatoren, die für Hochfrequenz- und Hochspannungsanwendungen geeignet sind.
Elektrolytkondensatoren (Elkos)
Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine grosse Kapazität gewünscht ist. Sie werden häufig zur Glättung der Spannungswelligkeit in Stromversorgungsschaltungen verwendet und eignen sich auch hervorragend zur Kopplung und Entkopplung. Tantal-Elektrolytkondensatoren sind eine Art von Elektrolytkondensatoren, die aus dem Metall Tantal hergestellt werden. Sie eignen sich perfekt für Schaltungen, bei denen Präzision und langfristige Leistung entscheidend sind.
Folienkondensatoren (Fokos)
Bei Folienkondensatoren wird eine Kunststofffolie als Dielektrikum verwendet, die je nach den Anforderungen des Kondensators metallisiert oder unverändert gelassen werden kann. Es gibt mehrere Arten von Folienkondensatoren, darunter Polyester-Folienkondensatoren und Polypropylen-Folienkondensatoren. Polyester-Folienkondensatoren sind ideal für Anwendungen, die eine mittlere Präzision erfordern, wie z. B. Zeitschaltungen. Polypropylen-Folienkondensatoren zeichnen sich durch hohe Stabilität und geringe dielektrische Verluste aus, was sie zur perfekten Wahl für Hochleistungsanwendungen, wie z. B. Audiogeräte, macht.
Trimmkondensatoren (Trimmer)
Trimmkondensatoren gehören zu den variablen Kondensatoren und werden zur Erstkalibrierung von Geräten und bei Bedarf zur Nachkalibrierung verwendet. Mit ihnen können anfängliche Oszillatorwerte, Latenzen und Anstiegs- und Abfallzeiten eingestellt werden. Sollten sich die Werte ändern, können sie neu kalibriert werden.
Superkondensatoren
Für Anwendungen, die eine grosse Menge an Energie speichern müssen, sind Superkondensatoren ideal, da sie eine sehr hohe Kapazität haben und schnell Energie freisetzen. Superkondensatoren eignen sich besonders gut zum Anlassen von Motoren und zur Ladungsspeicherung in regenerativen Bremssystemen.
Wo werden Kondensatoren angewendet?
Kondensatoren sind eine nützliche Komponente für viele verschiedenen Anwendungsbereiche. Einige sind im Folgenden aufgeführt:
- Energiespeicher − Kondensatoren sind ein hervorragendes Mittel zur Energiespeicherung und werden oft als temporäre Batterie verwendet. Sie können die Stromversorgung aufrechterhalten, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird, so dass bei elektronischen Geräten wie Laptops und Mobiltelefonen keine Daten verloren gehen.
- Kopplung − Kondensatoren blockieren Gleichstromsignale und lassen Wechselstromsignale durch, so dass sie zur Kopplung eines Teils einer Schaltung mit einem anderen verwendet werden können. Sie werden häufig in Lautsprechern verwendet.
- Entkopplung − Kondensatoren können unerwünschte Störungen und Spannungsspitzen abblocken und so die Spannungsversorgung integrierter Schaltungen stabilisieren.
- Sensoren − Kondensatoren reagieren auf Veränderungen äusserer Faktoren, so dass sie auch in Sensoranwendungen eingesetzt werden, wo sie jede Kapazitätsänderung messen können.
- Anlassen von Motoren − Kondensatoren können die für das Anlassen von Elektromotoren erforderliche Starthilfe geben und deren Effizienz während des Betriebs verbessern.
- Leistungsfaktorkorrektur − Kondensatoren können dazu beitragen, die Energieeffizienz von Leistungsfaktorkorrekturgeräten zu verbessern.
- Zeitsteuerung und Oszillation − Kondensatoren werden zur Steuerung der Frequenz von Signalen in Zeitsteuerungsschaltungen und Oszillatoren verwendet.
Wie wählt man den richtigen Kondensator?
Bei der Auswahl eines Kondensators, der den Anforderungen Ihres Schaltkreises entspricht, müssen Sie mehrere Faktoren berücksichtigen, darunter:
Kapazität (Farad)
Berechnen Sie den erforderlichen Kapazitätswert auf der Grundlage der Anforderungen Ihrer Schaltung. Hochfrequenzanwendungen erfordern kleinere Kapazitätswerte, während Energiespeicher- und Filteranwendungen von grösseren Kapazitätswerten profitieren.
Nennspannung (Volt)
Wählen Sie einen Kondensator mit einer Nennspannung, die höher ist als die höchste Spannung, die Ihr Schaltkreis jemals benötigen wird. Die Verwendung eines Kondensators mit einer zu niedrigen Nennspannung kann zu Ausfällen führen und Sicherheitsrisiken bergen.
Dielektrikummaterial
Dielektrische Materialien können unterschiedliche Eigenschaften haben. Berücksichtigen Sie Faktoren wie Temperaturstabilität, Dielektrizitätskonstante und dielektrische Verluste bei der Auswahl eines für Ihre Anwendung geeigneten Dielektrikums.
Toleranz
Die Toleranzangabe eines Kondensators gibt an, wie genau seine tatsächliche Kapazität mit dem gewünschten Wert übereinstimmt. Es gibt zwei gängige Toleranzen: +5 % und +10 %. Wählen Sie eine Toleranz, die mit den Anforderungen Ihrer Schaltung vereinbar ist.
Grösse und Montage
Vergewissern Sie sich, dass die Abmessungen des gewählten Kondensators in den Entwurf Ihrer Schaltung passen. Während Kondensatoren mit Durchgangslöchern noch in einigen Anwendungen eingesetzt werden, werden in der heutigen Elektronik häufig oberflächenmontierte Kondensatoren verwendet.
Langlebigkeit und Zuverlässigkeit
Bei kritischen Anwendungen sollten Sie die geschätzte Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Kondensators berücksichtigen. Einige Kondensatoren, wie z. B. Elektrolytkondensatoren, haben eine begrenzte Lebensdauer.
Neben diesen Überlegungen sind auch andere Faktoren wie Kosten, Umweltauswirkungen, Temperaturstabilität und Serienersatzwiderstand (ESR) zu berücksichtigen.
Fazit
Kondensatoren sind anpassungsfähige elektronische Bauteile, die für viele verschiedene Schaltungen und Anwendungen unerlässlich sind. Doch für ein erfolgreiches Elektronikdesign und dessen Umsetzung ist es wichtig, die verschiedenen Kondensatorarten und die Faktoren, die bei der Auswahl des perfekten Kondensators für Ihr Projekt zu berücksichtigen sind, zu kennen. Denn ganz gleich, ob Sie Signale koppeln, Oszillatoren abstimmen oder Stromversorgungen filtern, der von Ihnen gewählte Kondensator kann einen grossen Einfluss auf die Effizienz und Zuverlässigkeit Ihrer Schaltungen haben.
