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Kondensator

Welche Bauarten von Kondensatoren es gibt, was Kapazität, Nennspannung, ESR und Resonanzfrequenz im Datenblatt bedeuten und wie du den passenden Typ auswählst.

8 Min. LesezeitKondensatorKapazitätFaradDielektrikum

Neben jedem IC auf einer Platine sitzt ein winziger brauner Chip, im Netzteil steht ein dicker Becher mit Minus-Streifen, in alten Radios findest du blaue Quader mit aufgedruckten Zahlen. All das sind Kondensatoren. Nach dem Widerstand sind sie die häufigsten Bauteile überhaupt: Sie puffern die Versorgung, glätten gleichgerichtete Spannung, trennen Gleichanteile von Signalen, bestimmen Zeiten und Frequenzen. Dieser Artikel gibt dir den Überblick über die Bauarten und die Kennwerte, mit denen du sie vergleichst. Wie ein Kondensator sich beim Laden und Entladen verhält, steht unter Kondensator im Gleichstromkreis.

Aufbau und Funktionsweise

Jeder Kondensator besteht aus zwei leitenden Flächen, den Elektroden oder Belägen, und einem Isolierstoff dazwischen, dem Dielektrikum. Legst du eine Spannung an, sammelt sich auf der einen Elektrode positive, auf der anderen gleich viel negative Ladung; im Dielektrikum baut sich ein elektrisches Feld auf. Wie viel Ladung pro Volt hineinpasst, ist die Kapazität C = Q / U, gemessen in Farad (F). Ein Farad ist riesig – übliche Werte liegen zwischen einigen Pikofarad und einigen Tausend Mikrofarad (zu den Vorsätzen siehe Einheitenvorsätze).

Für den einfachen Plattenkondensator gilt:

C = ε0 · εr · Ad

Drei Stellschrauben hat der Hersteller also: große Fläche A, kleiner Abstand d und ein Dielektrikum mit hoher Permittivitätszahl εr.

Genau diese Tricks unterscheiden die Bauarten. Ein dünneres Dielektrikum bringt mehr Kapazität, hält aber weniger Spannung aus; ein Material mit hohem εr macht das Bauteil klein, ist aber oft temperatur- und spannungsabhängig.

Schaltzeichen

Das Grundsymbol sind zwei parallele Striche – die beiden Elektroden. Gepolte Kondensatoren wie Elkos tragen ein Pluszeichen; in DIN-Zeichnungen ist die Plus-Elektrode oft als offenes, die Minus-Elektrode als gefülltes Rechteck gezeichnet, in amerikanischen Plänen ist eine Elektrode gebogen. Ein schräger Pfeil kennzeichnet einen einstellbaren Kondensator (Drehkondensator), ein Strich mit Querbalken einen Trimmer. Im Schaltplan heißen Kondensatoren C1, C2 …, der Wert steht daneben, etwa „100n“ oder „4µ7“. Weitere Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Schaltzeichen: ungepolter Kondensator, gepolter Kondensator mit Pluszeichen, einstellbarer Kondensator mit Pfeil und Trimmkondensator
Von links: ungepolter Kondensator, gepolter Kondensator (Elko), Drehkondensator und Trimmer.

Kennwerte im Datenblatt

Neben der Kapazität entscheiden weitere Größen darüber, ob ein Kondensator in deine Schaltung passt:

KennwertBedeutungtypische Größenordnung
Kapazität und ToleranzNennwert aus der E-Reihe, erlaubte AbweichungC0G-Keramik ±5 %, Folie ±5–10 %, Elko ±20 %
Nennspannung URhöchste Dauergleichspannung4 V bis einige kV
ESRErsatz-Serienwiderstand, erzeugt Verluste und WärmeKeramik einige mΩ, Elko 0,02–2 Ω
Verlustfaktor tan δVerhältnis von Wirk- zu BlindanteilFolie und C0G < 0,001, Elko 0,1–0,2
ESLErsatz-Serieninduktivität der Anschlüsse0,3–1 nH (SMD) bis über 10 nH (bedrahtet)
Leckstrom / IsolationswiderstandGleichstrom durch das DielektrikumFolie: GΩ, Elko: µA
Temperaturbereich, Lebensdauervor allem bei Elkos die Grenze85 °C oder 105 °C, 1000–10 000 h

Ein echter Kondensator ist also keine reine Kapazität. Das Ersatzschaltbild zeigt in Reihe zur Kapazität den Widerstand ESR und die Induktivität ESL, parallel dazu einen hohen Isolationswiderstand, über den sich der Kondensator langsam selbst entlädt.

Ersatzschaltbild eines realen Kondensators mit ESR, ESL und Kapazität C in Reihe sowie Isolationswiderstand R_iso parallel zu C
Ersatzschaltbild: ESR und ESL liegen in Reihe zur Kapazität, der Isolationswiderstand parallel dazu.

Durch ESR fließt der volle Wechselstrom, er setzt also Leistung in Wärme um. Deshalb nennen Elko-Datenblätter einen höchsten Rippelstrom. Die ESL ist schuld daran, dass jeder Kondensator ab einer bestimmten Frequenz nicht mehr kapazitiv wirkt: An der Eigenresonanz heben sich kapazitiver und induktiver Blindwiderstand auf, die Impedanz ist minimal und gleich dem ESR. Darüber verhält sich das Bauteil wie eine Spule (vergleiche Schwingkreis).

fres = 12π · √(ESL · C)
Impedanz eines Kondensators über der Frequenz in doppelt logarithmischer Darstellung: fallend im kapazitiven Bereich, Minimum beim ESR an der Eigenresonanz, steigend im induktiven Bereich
Unterhalb der Eigenresonanz wirkt der Kondensator kapazitiv, darüber wie eine Spule.

Bauarten im Überblick

Fast immer bestimmt das Dielektrikum den Namen der Bauart:

BauartKapazitätsbereichSpannungengepolttypischer Einsatz
Keramik, Klasse 1 (C0G)0,5 pF – 100 nF16 V – 3 kVneinFilter, Oszillatoren, HF
Keramik, Klasse 2 (MLCC X7R, X5R)100 pF – 100 µF4 V – 3 kVneinAbblocken, Koppeln, Schaltregler
Folie (PET, PP)100 pF – 100 µF50 V – einige kVneinNetzfilter, Audio, Impulse
Aluminium-Elko0,1 µF – 1 F4 V – 600 VjaNetzteile, Glättung, Puffer
Tantal- und Polymer-Elko0,1 µF – 2 mF2 V – 50 Vjakompakte Puffer auf SMD-Platinen
Superkondensator0,1 F – 3000 F2,5 – 3 V je ZellejaSpeicherpuffer, Uhren-Backup

Keramik dominiert heute zahlenmäßig, weil Vielschicht-Chips billig, klein und niederohmig sind. Folienkondensatoren sind stabil, verlustarm und heilen kleine Durchschläge selbst. Elektrolytkondensatoren erreichen die größten Kapazitäten, weil ihr Oxid-Dielektrikum extrem dünn ist – dafür sind sie gepolt, haben einen spürbaren ESR und altern. Einen Vergleich der Elko-Varianten findest du unter Elektrolytkondensator.

Keramischer Scheibenkondensator, SMD-Keramikchip, Folienkondensator im Kunststoffquader, bedrahteter Aluminium-Elko, SMD-Tantal-Kondensator und Superkondensator nebeneinander
Die wichtigsten Bauarten: Keramik bedrahtet und als Chip, Folie, Aluminium-Elko, Tantal und Superkondensator.

Typische Anwendungen

  • Abblocken: 100 nF Keramik direkt an jedem Versorgungspin eines ICs, dazu einige µF in der Nähe. Sie liefern Stromspitzen, bevor die Leitung zum Netzteil reagieren kann.
  • Glätten: Hinter einem Gleichrichter überbrückt ein Elko die Lücken zwischen den Halbwellen. Wie groß er sein muss, rechnet dir der Rechner unten aus.
  • Koppeln: Ein Kondensator in Reihe lässt ein Audiosignal durch und trennt die Gleichspannungen zweier Stufen.
  • Zeitglieder und Filter: Zusammen mit einem Widerstand bestimmt er Zeitkonstanten und Grenzfrequenzen (siehe RC-Glied und Grenzfrequenz berechnen).
  • Schwingkreise und Takt: Lastkondensatoren am Schwingquarz und LC-Kreise in HF-Schaltungen brauchen stabile Klasse-1-Keramik.
  • Energiespeicher: Blitzgeräte, Pufferung bei Spannungsausfall, Anlaufstrom für Motoren.
Rechner

Gleichrichter und Siebkondensator

Scheitelwert am Trafo
16,97 V
Leerlauf am Elko
15,57 V
Gleichspannung mit Last
15,07 V
Tiefster Wert
14,57 V
Brummfrequenz
100 Hz
Kapazität rechnerisch
10 mF
Elko nach E6
10 mF
Elko-Nennspannung (mind. 17,27 V)
25 V
Sperrspannung Dioden ≥
18,67 V
Nachladen je Halbwelle
1,15 ms
Diodenstrom beim Nachladen ≈
8,72 A
Netz50 Hz12 V eff.+C10 mFLast1 AUDC ≈ 15,07 V15,57 V14,68 V12,57 V010 ms20 ms30 ms40 msuC am Elko, Brumm mit 10 mF: 889 mVZeit t – gestrichelt: gleichgerichtete Trafospannung, Achse beginnt nicht bei 0

Û = √2 · Ueff; Uleer = Û − n · UF (zwei Dioden im Strompfad); C = I / (fBr · UBr) mit fBr = 2 · f; UDC ≈ Uleer − UBr/2. Die Formel nimmt an, dass der Elko die ganze Brummperiode lang entladen wird – das liegt auf der sicheren Seite. Spannungsfestigkeit für Netz +10 % im Leerlauf; kleine Trafos liefern ohne Last zusätzlich 10 bis 25 % mehr als ihre Nennspannung, das steht im Datenblatt. Den Trafo legst du für deutlich mehr Effektivstrom aus als den Gleichstrom – Faustwert 1,8 · I. Der Diodenstrom beim Nachladen ist ein Mittelwert für eine ideale Quelle; die Spitzen liegen höher, Wicklungswiderstand und Streuinduktivität flachen sie ab.

Auswahl und Praxistipps

Geh in dieser Reihenfolge vor: Welche Kapazität und welche Genauigkeit brauchst du? Welche Spannung liegt höchstens an, auch kurzzeitig? Fließt nennenswerter Wechselstrom, sodass ESR und Rippelstrom zählen? Welche Temperatur herrscht am Einbauort? Erst danach wählst du Bauart und Gehäuse. Für viele Kapazitäten gibt es mehrere sinnvolle Bauarten; eine Entscheidungshilfe gibt Welcher Kondensator ist der richtige?.

Häufige Fehler:

  • Nennspannung zu knapp: Elkos und Tantal brauchen Reserve. Für eine 12-V-Schiene nimmst du mindestens 16 V, besser 25 V.
  • Verpolung: Ein verkehrt eingelöteter Elko erwärmt sich und kann platzen. Wie du die Pole erkennst, steht unter Kennzeichnung von Kondensatoren.
  • Nennwert für bare Münze genommen: Klasse-2-Keramik verliert unter Gleichspannung und Kälte einen großen Teil ihrer Kapazität, Elkos werden bei Frost hochohmig.
  • Abblockkondensator zu weit weg: Jeder Millimeter Leiterbahn bringt Induktivität. Der Kondensator gehört direkt an den Pin, mit kurzem Weg zur Masse.
  • Falsche Bauart im Filter: Eine X7R-Keramik als Zeitkondensator in einem NE555 driftet mit Temperatur und Spannung. Für genaue Zeiten nimmst du C0G oder Folie.

Selbsttest

Mit welchen drei Größen lässt sich die Kapazität eines Plattenkondensators steigern?

Größere Fläche, kleinerer Abstand und ein Dielektrikum mit höherer Permittivitätszahl εr.

Was passiert oberhalb der Eigenresonanz eines Kondensators?

Die Serieninduktivität überwiegt, die Impedanz steigt mit der Frequenz wieder an – das Bauteil wirkt wie eine Spule.

Ein Elko mit 0,5 Ω ESR führt 0,8 A Rippelstrom. Welche Verlustleistung entsteht?

P = (0,8 A)2 · 0,5 Ω = 0,32 W, die den Elko von innen erwärmen.

Warum haben Elektrolytkondensatoren so große Kapazitäten?

Ihr Dielektrikum ist eine nur Nanometer dünne Oxidschicht auf einer stark aufgerauten Folie – kleiner Abstand und große Fläche zugleich.

Welche Bauart nimmst du für einen genauen Filter- oder Oszillatorkondensator?

Klasse-1-Keramik (C0G) oder einen Folienkondensator: kleine Toleranz, kaum Temperatur- und Spannungsabhängigkeit.