Kondensator

Aus der Mikrocontroller.net Artikelsammlung, mit Beiträgen verschiedener Autoren (siehe Versionsgeschichte)
Version vom 22. November 2013, 11:51 Uhr von Sternst (Diskussion | Beiträge) (Wiederhergestellt)
Wechseln zu: Navigation, Suche

Unter Kondensatoren versteht man passive Bauteile, in denen elektrische Energie gespeichert wird. Sie werden daher häufig zum Stabilisieren von Spannungen benutzt (Funktion Stützkondensator). Desweiteren stellen technische Kondensatoren für Wechselspannungen einen frequenzabhängigen Widerstand dar. Sie werden daher häufig zum Ableiten von Hochfrequenz benutzt (Funktion Bypasskondensator).

Dabei ist es üblich am Spannungsregler Elektrolytkondensatoren (Elkos) mit ein paar hundert [math]\displaystyle{ \mu }[/math]F (Microfarad) als Stützkondensator und bei jedem IC 100 nF als Bypasskondensator zu verwenden.

Die Größe eines Kondensators ist seine Kapazität (Formelzeichen C), die als Ladung (Formelzeichen Q) durch Spannung (Formelzeichen U) definiert ist.

[math]\displaystyle{ C=\frac{Q}{U} }[/math]

Die Einheit für die Kapazität ist Farad:

[math]\displaystyle{ [C]=F=\frac{As}{V} }[/math]

Reihenschaltung

Für eine Reihenschaltung von n Kondensatoren gilt:

[math]\displaystyle{ \frac{1}{C_{ges}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\dots+\frac{1}{C_n} }[/math]

[math]\displaystyle{ U_{ges}=U_1+U_2+\dots+U_n }[/math]

[math]\displaystyle{ I_{ges}=I_1=I_2=\dots=I_n }[/math]

Parallelschaltung

Für eine Parallelschaltung von n Kondensatoren gilt:

[math]\displaystyle{ C_{ges}=C_1+C_2+\dots+C_n }[/math]

[math]\displaystyle{ U_{ges}=U_1=U_2=\dots=U_n }[/math]

[math]\displaystyle{ I_{ges}=I_1+I_2+\dots+I_n }[/math]

Gespeicherte Energie

Die in einem Kondensator gespeicherte Energie lässt sich durch die Formel

[math]\displaystyle{ W=\frac{C}{2} \cdot U^2 = \frac{1}{2 \cdot C} \cdot Q^2 = \frac{U}{2} \cdot Q }[/math]

berechnen.

Praxis

Polaritätszeichen

Elektrolytkondensatoren (Elkos) sind (in der Regel) gepolt, d. h. Gleichspannungspegel müssen in einer vorgeschriebenen Polarität angelegt werden, damit das Dielektrikum nicht zerstört wird. Bei Aluminium-Elkos wird dabei generell der Minuspol gekennzeichnet, bei kleinen Bauformen mit einem Strich, bei größeren Bauformen befinden sich u. U. auch noch Minuszeichen in diesem Strich eingebettet. Bei Tantal-Kondensatoren hingegen wird immer der Pluspol gekennzeichnet (nicht nur bei den SMD-Bauformen, aber auch bei diesen).

SMD-Elkos.jpeg

Die gezeigten Elkos haben folgende Werte:

  • 220 µF, Spannungsfestigkeit 6 V
  • 100 µF ([math]\displaystyle{ 10 \cdot 10^7 }[/math] pF), 16 V
  • 22 µF, 10 V
  • 1 µF, 35 V
  • 2,2 µF ([math]\displaystyle{ 22 \cdot 10^5 }[/math] pF), 10 V

Die beim 100-µF-Kondensator zu findende Buchstabenschreibweise für die Spannungsfestigkeit ist wenig gebräuchlich, aber gelegentlich anzutreffen. Die Zuordnung ist:

Buchstabe e G J A C D E V H
Spannungsfestigkeit 2.5V 4 V 6,3 V 10 V 16 V 20 V 25 V 35 V 50 V
Case Code (Bauform) A B C D
Länge (mm) 3,2 3,5 6,0 7,3
Breite (mm) 1,6 2,8 3,2 4,3
Höhe (mm) 1,6 1,9 2,5 2,8
Maßtoleranz (mm) 0,2 0,2 0,3 0,3

Siebkondensator

Der Siebkondensator sitzt hinter einem Gleichrichter und hat die Aufgabe, aus einer gleichgerichteten, pulsierenden Spannung, eine annähernd konstante Gleichspannung mit nur wenig Welligkeit (engl. Ripple) zu machen. Er wird periodisch geladen und muss während der Ladepausen, wenn die Eingangssspannung vor dem Gleichrichter kleiner als die Ausgangsspannung ist, den Ausgang mit Strom versorgen. Man findet ihn in allen klassischen Netzteilen mit 50Hz Trafo. Als Daumenregel kann man sich merken, dass man pro 1A Ausgangsstrom ca. 4700µF braucht, um eine Welligkeit von ca. 2Vpp zu erreichen.

Einen Siebkondensator findet man auch am Ausgang von Schaltnetzteilen, seine Aufgabe ist dort die gleiche. Allerdings sind die Schaltfrequenzen deutlich höher, typisch 50-500kHz. Darum muss dieser Kondensator einen besonders kleinen, effektiven Innenwiderstand besitzen (engl. ESR, Equivalent Series Resistance).

Entkoppelkondensator

Der Entkoppelkondensator hat die Aufgabe, die Versorgungsspannung nahe an einem IC für hochfrequente Ströme zu puffern (entkoppeln, engl. decoupling). Schnelle Digital- und Analogschaltungen benötigen vor allem beim Umschalten sehr schnell viel Strom, in der Größenordnung von Nanosekunden bis Mikrosekunden, je nach IC Milliampere bis Ampere. Diese müssen mit möglichst geringem Widerstand und Induktivität geliefert werden. Ein Stromversorgungsnetz auf einer Platine kann das meist nur unzureichend, dazu sind die Leitungen meist zu lang und damit die Induktivität zu hoch. Ein nah am IC platzierter Kondensator liefert diesen Strom für kurze Zeit, ohne dass die Spannung nennenswert einbricht. Die Entkopplung der Stromversorgung geschieht meist mehrstufig, d.h. es werden Kondensatoren verschiedener Arten und Kapazitäten eingesetzt, siehe Stromversorgung für FPGAs.

Praktische Anwendung

  • Jeder Digitalschaltkreis benötigt einen 100nF Keramikkondensator nah (kleiner 20mm) an den Anschlüssen von VCC und GND. Je schneller der IC schalten kann, umso wichtiger ist er.
  • Für jedes Anschlusspaar von VCC und GND eines ICs muss ein Kondensator verwendet werden. Sparen geht hier oft schief!
  • Für die Verbindung der Enkoppelkondensatoren zur Masse- bzw. Versorgungsfläche sollte man möglichst je Kondesator ein VIA benutzen und nicht über ein VIA mehrere Kondensatoren verbinden. Dadurch wird die parasitäre Induktivität vermindert.
  • Schnelle Analogschaltkreise wie Operationsverstärker, Treiber etc. brauchen auch individuelle Entkoppelkondensatoren.
  • Pi mal Daumen gilt: Je größer der Kondensator, umso weiter kann er von dem Verbraucher weg sein, da er auf Grund seines Innenwiderstands weniger HF-tauglich ist. Es ist somit nicht sinnvoll, einen 1000µF Elektrolytkondensator 10mm neben einen Digital-IC setzen zu wollen. Dort gehört der 100nF Keramikkondensator hin. Aber für die Stromversorgung von Motoren, Treibern und H-Brücken sind derartige großen Kondensatoren wichtig und sollten nicht zu weit entfernt sein.

Koppelkondensator

Koppelkondensatoren verbinden Verstärkerstufen. Dabei wird jedoch nur der Wechselanteil übertragen, kein Gleichanteil. Diese Kondensatoren müssen möglichst verzerrungsarm sein, vor allem im Audiobereich. Das wird durch die richtige Wahl des Dielektrikums erreicht.

Forumsbeiträge

Weblinks

Abgerufen von „https://www.mikrocontroller.net/index.php?title=Kondensator&oldid=79678“