Wie funktioniert ein Kondensator? Kapazität, Laden und Entladen

Kondensatoren gehören neben Widerständen zu den häufigsten Bauteilen der Elektronik. In jedem Smartphone, Netzteil und Computer stecken Hunderte davon. Sie speichern elektrische Ladung für kurze Zeit, glätten Spannungen, filtern Störungen, liefern den Blitz der Kamera und sorgen im Touchscreen dafür, dass das Gerät Ihre Finger erkennt.

Dieser Artikel erklärt Aufbau und Funktion eines Kondensators, die Kapazität und ihre Einheit Farad, das Laden und Entladen, die Reihen- und Parallelschaltung und typische Anwendungen.

Aufbau

Ein Kondensator besteht aus zwei leitenden Flächen, den Elektroden oder Platten, die durch einen Isolator, das Dielektrikum, getrennt sind. Legt man eine Spannung an, sammeln sich auf einer Platte positive, auf der anderen negative Ladungen. Zwischen den Platten entsteht ein elektrisches Feld, in dem Energie gespeichert ist. Durch den Isolator selbst fließt kein Strom.

Plattenkondensator: positiv geladene und negativ geladene Platte, dazwischen ein Isolator mit Feldlinien, angeschlossen an eine Spannungsquelle. — Zwei leitende Platten, getrennt durch ein Dielektrikum.

Kapazität: wie viel Ladung passt hinein?

C = Q / U

Die Kapazität C gibt an, wie viel Ladung Q ein Kondensator bei einer Spannung U speichert. Einheit ist das Farad (F). 1 F ist sehr groß; übliche Werte liegen bei Pikofarad (pF), Nanofarad (nF) und Mikrofarad (µF). Superkondensatoren erreichen mehrere tausend Farad.

Beim Plattenkondensator gilt C = ε₀ · ε_r · A / d. Die Kapazität wächst mit der Plattenfläche A und einem besseren Dielektrikum (ε_r) und sinkt mit dem Plattenabstand d.

Gespeicherte Energie

E = ½ · C · U²

Beispiel: Ein Blitzkondensator mit 200 µF bei 300 V speichert ½ · 0,0002 · 300² = 9 J, die beim Auslösen in Millisekunden abgegeben werden. Zum Vergleich: Ein Smartphone-Akku speichert etwa 50.000 J. Kondensatoren speichern also wenig Energie, geben sie aber sehr schnell ab. Wie Akkus Energie speichern, erklärt der Artikel Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Laden und Entladen

Wird ein Kondensator über einen Widerstand R geladen, steigt die Spannung zunächst schnell, dann immer langsamer. Beim Entladen fällt sie nach einer Exponentialfunktion ab. Entscheidend ist die Zeitkonstante τ = R · C:

Nach 1 τ ist der Kondensator zu etwa 63 % geladen.
Nach 5 τ gilt er als praktisch voll (über 99 %).

Beispiel: R = 10 kΩ und C = 100 µF ergeben τ = 10.000 · 0,0001 = 1 s. Nach etwa 5 s ist der Kondensator geladen.

Wichtig: Große Kondensatoren in Netzteilen können auch nach dem Ausschalten noch gefährliche Spannungen halten. Geräte deshalb nie öffnen, wenn man sich nicht auskennt.

Ladekurve steigt schnell und flacht ab: 63 Prozent nach einer Zeitkonstante, über 99 Prozent nach fünf; die Entladekurve fällt entsprechend auf 37 Prozent nach einer Zeitkonstante. — Laden und Entladen: nach 5 τ ist der Kondensator praktisch voll.

Kondensatoren im Wechselstromkreis

Gleichstrom wird nach dem Aufladen blockiert, Wechselstrom dagegen „fließt“ scheinbar durch den Kondensator, weil er ständig umgeladen wird. Je höher die Frequenz, desto leichter. Darauf beruhen Filter, die tiefe und hohe Töne in Lautsprecherboxen trennen oder Störungen aus Leitungen entfernen.

Reihen- und Parallelschaltung

Parallel: Die Kapazitäten addieren sich: C = C₁ + C₂.
Reihe: 1/C = 1/C₁ + 1/C₂, die Gesamtkapazität ist kleiner als die kleinste Einzelkapazität.

Das ist genau umgekehrt wie bei Widerständen; siehe Reihen- und Parallelschaltung.

Gegenüberstellung: Parallel addieren sich die Kapazitäten, 10 und 22 Mikrofarad ergeben 32; in Reihe wird die Kapazität kleiner, zweimal 10 Mikrofarad ergeben 5. — Kapazitäten parallel und in Reihe.

Bauformen

Keramikkondensatoren: klein, günstig, für kleine Kapazitäten und hohe Frequenzen, millionenfach auf Platinen.
Elektrolytkondensatoren (Elkos): große Kapazität auf kleinem Raum, gepolt; falsch herum angeschlossen können sie platzen.
Folienkondensatoren: stabil und langlebig, etwa in Audioschaltungen.
Superkondensatoren: sehr große Kapazität, als Kurzzeitspeicher für Spitzenleistung, etwa in Bussen und Kränen.

Anwendungen

Netzteile: glätten die gleichgerichtete Spannung.
Kamerablitz und Defibrillator: geben gespeicherte Energie schlagartig ab.
Touchscreens: Ein Finger verändert die Kapazität an der berührten Stelle; siehe Wie funktioniert ein Touchscreen?
Arbeitsspeicher (DRAM): Jedes Bit ist ein winziger Kondensator, der regelmäßig aufgefrischt werden muss.
Motoren: Anlaufkondensatoren bei Einphasen-Wechselstrommotoren; siehe Wie funktioniert ein Elektromotor?

Übungsaufgaben mit Lösungen

Aufgabe 1 (leicht): Ein Kondensator mit 470 µF liegt an 12 V. Welche Ladung speichert er?

Lösung anzeigen

Q = C · U = 0,00047 · 12 = 0,00564 C = 5,64 mC.

Aufgabe 2 (mittel): Wie viel Energie speichert ein Superkondensator mit 100 F bei 2,7 V?

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E = ½ · 100 · 2,7² = 364,5 J.

Aufgabe 3 (Zeitkonstante): Ein Kondensator mit 22 µF wird über 47 kΩ geladen. Nach welcher Zeit ist er praktisch voll?

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τ = 47.000 · 0,000022 ≈ 1,03 s, praktisch voll nach 5 τ ≈ 5,2 s.

Fazit

Ein Kondensator besteht aus zwei Platten mit einem Isolator dazwischen und speichert Ladung und Energie im elektrischen Feld. Seine Kapazität C = Q / U wird in Farad gemessen, die gespeicherte Energie ist ½ · C · U². Er lädt und entlädt sich exponentiell mit der Zeitkonstante R · C, blockiert Gleichstrom und lässt Wechselstrom durch. Weitere Grundlagen finden Sie in der Übersicht Physik einfach erklärt.