Der Kondensator
Gliederung:
II. Aufbau eines Kondensators im Allgemeinen
III. Die Vielfalt von Kondensatoren
IV. Beschreibung von zwei unterschiedlichen Kondensatoren
V. Die Anwendung von Kondensatoren im Allgemeinen
VI. Anwendung von zwei Kondensatoren am
Kondensatoren sind Bauelemente zum Speichern von
elektrischen Ladungen. Sie bestehen aus zwei gegeneinander isolierten Leitern,
die im geladenen Zustand ungleichnamige, aber betragsgleiche elektrische
Ladungen tragen. Infolge der Ladungsträgerverteilung besteht zwischen den
Leitern ein elektrisches Feld. Die zum Laden der Leiter aufzuwendende Arbeit
wird als Energie des elektrischen Feldes im
Kondensator gespeichert.
Das Dielektrikum ist der Stoff zwischen den Leitern,
der diese gegeneinander isoliert. Er beeinflusst das elektrische Feld und die
Speicherfähigkeit des Kondensators.
II. Aufbau eines Kondensators im
Allgemeinen
· besteht aus zwei eng benachbarten Leitern
· beide Leiter werden entgegengesetzt elektrisch geladen
· auf Grund der gegenseitigen Anziehung der Platten kann bei gleicher Spannung
eine größere Ladungsmenge gebracht werden, als wenn die Platten einzeln stehen
würden
· Kondensator besitzt größere Kapazität
· zwischen den beiden leitenden Körpern befindet sich der Isolierstoff
(Dielektrikum)
· das Dielektrikum hat eine bestimmte Durchschlagsfestigkeit
· dadurch wird die höchste Spannung, die an den Kondensator angelegt werden
darf, festgelegt
Kondensatoren bestehen aus zwei Metallfolien oder Metallplatten, die durch eine
Isolationsschicht (Dielektrikum) voneinander getrennt sind.
Dennoch sind sie in ihrer Aufnahmefähigkeit begrenzt.
Sie sperren Gleichstrom, aber sind sehr gute Leiter
für Wechselstromschaltungen. Diese Eigenschaft kann zum
Schutz bestimmter Teile einer Schaltung vor Gleichstrom nützlich sein.
III. Die Vielfalt von Kondensatoren
· Allgemein unterscheidet man zwischen: Keramikkondensatoren,
Elektrolytkondensatoren und Folien-bzw. Wickelkondensatoren
· Blockkondensator
· Träger der Ladung sind zwei Metalfolien, die durch das Dielektrikum getrennt
sind
· Keramikkondensator
· auf einem Keramikröhrchen sind innen und außen aufgetragene Metallbeläge
· der keramische Stoff bildet das Dielektrikum
· Drehkondensator
· das Dielektrikum ist die Luft
· die Ladungen werden auf zwei Metallplattensätzen gespeichert
· durch Ineinanderdrehen der Plattensätze wird die wirksame Fläche und damit
die Kapazität des Kondensators vergrößert
· Plattenkondensator
· einfachste Form des Kondensators
· zwei Platten sind parallel zu einander aufgebaut
· zwischen den Platten kann ein homogenes elektrisches
Feld aufgebaut werden
· Allgemein unterscheidet man zwischen: Wickel-, Scheiben-, Rohr- und
Zylinderkondensatoren
· das Dielektrikum wird unterschieden in: Papier-, Öl-, Keramik-, Kunststoff-,
Luft- und Elektrolytdielektrikum
IV. Beschreibung von zwei
unterschiedlichen Kondensatoren
Aluminium- Elektrolytkondensator:
· eine Aluminiumfolie wird von einer Oxidschicht überzogen
· Oxidschicht = Dielektrikum
· hat auch bei einer geringen Dicke eine hohe Spannungsfestigkeit
· Aluminiumfolie = erster Kondensatorbelag
· das Elektrolyt (eine elektrisch, leitende Flüssigkeit) ist der zweite
Kondensatorbelag
· um die Kapazität zu erhöhen, wird die Aluminiumfolie aufgeraut
· Kapazität hat dann aber eine Toleranz von - 20% bis + 100%
· muss gepolt betrieben werden
· Aluminiumfolie ist der positive Pol, das Elektrolyt der negative Pol
· wird der Kondensator über 2 V falsch herumgepolt, baut sich die Oxidschicht
ab
· das Elektrolyt erwärmt sich, es kommt zur Gasbildung und schlussendlich zur
Explosion
· Anwendung: Ladekondensator im Gleichstromkreis und zur Entkoppelung
elektronischer Baugruppen
· Vorteile gegenüber dem Elekrolytkondensator aus Aluminium: 1) dünne Oxidschicht, 4 nm bis 500 nm 2) höhere Dielektrizitätszahl, e r= 3) durch Aufrauhung erhöht sich die Kapazität um den Faktor 40 4) geringer Reststrom
Der Wickelkondensator:
· zwischen zwei Metallfolien wird ein Dielektrikum gewickelt oder ausgedampft
· dadurch erreicht man eine höhere Kapazität
· der Wickel wird mit Anschlüssen versehen
· danach wird er in einen Becher aus Kunststoff, Keramik oder Metall eingesetzt
und vergossen
· damit Feuchtigkeit in den Becher gelangt, wird dieser luftdicht verschlossen
· man unterscheidet aber bei dem Dielektrikum zwischen Kunststoff und Papier
· Papier ist ungünstig, weil es Feuchtigkeit aufnimmt und mechanische
Schrumpfung hervorruft
· Kunststoffe können bei gleicher Kapazität und gleicher Spannungsfestigkeit
kleiner gebaut werden
· sie werden auch als Folienkondensator bezeichnet
Keramikkondensator
· haben Kapazitäten von einigen Picofarad bis Nanofarad
· als Dielektrium dient Keramik
· dessen Durchschlagsfestigkeit ist besonders hoch, dadurch kann man hohe
Spannungen anlegen
· man unterscheidet in zwei Gruppen von Keramikkondensatoren
·
· II. mit dieser Gruppe lassen sich kleine
Kondensatoren mit hoher Kapazität herstellen (werden als Koppelkondensatoren
genutzt)
V. Die Anwendung von Kondensatoren im
Allgemeinen
· man erhält keine Kondensatoren die alle Vorzüge vereinigen
· deswegen werden in der Praxis Kondensatoren für einen bestimmten Zweck
speziallisiert
· die Unterscheidung in Folien-, Keramik-, und Elektrolytkondensatoren spielt
auch hier eine wichtige Rolle
· Folienkondensatoren eignen sich für den Betrieb an Gleich- und
Wechselspannungen
· jedoch werden sie für kleine Kapazitäten genutzt, da sie sonst ein zu großes
äußeres Ausmaß annehmen würde
· Elektrolytkondensatoren zeichnen sich durch ein gutes Kapazität- Volumen-
Verhältnis aus
· werden aber meist nur bei Gleichspannung genutzt
· Keramikkondensatoren werden bei Hochfrequenztechnik genutzt
· sie sind geprägt durch niedrige Verluste und hohen Isolationswiderstand
· durch die physikalische Eigenschaft der Speicherung elektrischer Ladungen
dienen Kondensatoren in Schwingkreisen, als Funkenlöschung bei Schaltvorgängen
und zur Glättung pulsierendes Gleichstromes
VI. Anwendung von zwei Kondensatoren am
Beispiel
Das
Kondensatormikrophon
· für hochwertige Wiedergabe eignet sich das Kondensatormikrophon
· es besteht aus einer dünnen, isoliert befestigten Membran und einer festen
Metallplatte in ganz geringem Abstand zu ihr
· somit bildet dieser Aufbau einen Kondensator
· die elektrische Gleichspannung ist von der Entfernung der Platten abhängig
und schwankt daher im Takt der die Membran bewegenden Schallwellen
· diese Spannungsschwankungen sind sehr klein, so dass sie sofort im
Mikrophongehäuse verstärkt werden müssen
· eine wenige tausendstel Millimeter dicke Kunststoff- oder Metallmembran
(Elektrode) bewegt sich in geringem Abstand von meist etwa 30 Mikrometer zu
einer festen Metallplatte (Gegenelektrode)
· Elektrode und Gegenelektrode bilden die Platten eines Kondensators
· dazu muss, falls eine Kunststoffmembran verwendet wird, diese elektrisch
leitfähig gemacht werden, was meist durch Metallbedampfung geschieht
· durch Schalleinwirkung ändert sich der Abstand zwischen den beiden Elektroden
· um eine der Kapazitätsänderung proportionale Spannung zu erhalten, benötigt
man an den Elektroden eine Polarisationsspannung
Kompensation
von elektrischen Anlagen
· viele elektrische Verbraucher entnehmen dem Netz neben der nutzbaren
Wirkleistung auch
· ihr Transport ist
unwirtschaftlich, da sie in keine andere nutzbare Energieformen umgesetzt wird
· für die Erzeugung und den
Transport der elektrischen Energie werden Betriebs-
mittel wie Generatoren, Freileitungen, Kabel, Transformatoren und Schalt-
anlagen benötigt
· diese Betriebsmittel müssen also zusätzlich zur nutzbaren
Wirkleistung auch Blindleistung bereitstellen und transportieren
· es gibt eine wesentliche Möglichkeiten den Leistungsfaktor zu verbessern
· >> Verbesserung mit Hilfe von Kondensatoren
· durch eine verbrauchernahe Blindstromkompensation mit Leistungs-
kondensatoren direkt am Niederspannungsnetz können die Übertragungs-
einrichtungen entlastet werden, da die Blindleistung nicht mehr vom Netz
geliefert, sondern von den Kondensatoren bereitgestellt wird
· die Übertragungsverluste werden verringert, die Energieverbrauchskosten
gesenkt und kostspielige Erweiterungen unnötig, denn mit den gleichen Betriebs-
mitteln kann man durch Blindstromkompensation mehr Wirkleistung übertragen.
Steckernetzgerät
für 9 V
· in einem Steckernetzgerät sind folgende Bauteile: Transformator,
Zweiweg-Gleichrichter, Kondensator und Spannungsregler
· es liegt eine Spannung von 230 V an, die herabgesetzt werden muss
· dafür ist der Transformator zuständig, es entsteht eine Spannung von 14 V
· diese Wechselspannung wird vom Zweiweg-Gleichrichter in eine Gleichspannung
umgeändert
· eigentlich wäre das Ziel, die Spannung herabzusetzen erreicht
· aber es ist keine glatte Gleichspannung vorhanden
· der Kondensator hilft die Gleichspannung zu glätten
· während der Pulsanstiege nimmt er Energie auf
· diese gibt er bei Pulsabfällen wieder ab
· wirkt wie eine zusätzliche Gleichstromquelle
· dadurch ergibt sich ein fast gleichmäßiger Spannungsverlauf
· Spannungsregler ,,verschluckt' den Teil der Spannung über 9 V
· dadurch werden die noch kleinen vorhandenen Wellen beseitigt
· jedoch kann man zeitweilige Spannungsanstiege und -abfälle nicht verhindern
· dafür ist ein weiterer Kondensator nachgeschaltet
