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kondensator

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kondensator [2006/10/31 19:08] (aktuell)
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 +**Artikel der Kategorie [[Elektrik]]**
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 +====== Kondensator ======
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 +**Siehe auch [[SupraKondensator]] | [[Energiegehalt Kondensator]]**
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 +Teil des Wikipediaartikels:​ http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Kondensator_%28Elektrotechnik%29
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 +Ein Kondensator (v. lat.: condensus: „dichtgedrängt“,​ bezogen auf die Ladungen) ist ein elektrisches Bauelement zur Speicherung elektrischer [[Energie]] in einem elektrischen Feld. Er besteht aus zwei Leiteroberflächen beliebiger Geometrie, den [[Elektroden]],​ die durch einen dazwischenliegenden [[Isolator]],​ das Dielektrikum,​ getrennt sind.
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 +Werden die Elektroden mit den Polen einer Spannungsquelle verbunden, so fließt kurzzeitig ein elektrischer [[Strom]], er lädt eine Elektrode positiv, die andere negativ auf. Diese Ladung des Kondensators bleibt erhalten, wenn er von der Spannungsquelle getrennt wird: der Kondensator behält deren Spannung bei. Entnimmt man dem Kondensator Ladung bzw. einen Strom, sinkt seine Spannung wieder.
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 +Die gespeicherte Ladung ist proportional zu der Spannung des Kondensators. Die Proportionalitätskonstante wird als „Kapazität“,​ bezeichnet, sie ist das wesentliche Merkmal eines Kondensators. Je größer die Kapazität ist, umso mehr Ladung kann ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichern. Die Gleichung
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 +Q = C * U
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 +fasst dies zusammen, Q bezeichnet die Ladung in Coulomb (C) oder Amperesekunden (As), C die Kapazität in Farad (F) und U die Spannung in Volt (V).
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 +Begrifflich abgegrenzt werden Bauelemente,​ bei denen die kapazitive Koppelung zweier Elektroden nicht das unmittelbare Ziel ist. Man fasst diese Kopplung dann mit Begriffen wie „Streukapazität“,​ „kapazitive Kopplung“ oder „Kapazitätsbelag“.
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 +===== Anwendungen =====
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 +==== Energiespeicherung / Spannungsstabilisierung ====
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 +Der Kondensator muss hierfür eine Mindestkapazität besitzen, deren Wert aber prinzipiell überschritten werden kann. Hierunter fallen:
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 +    * Digitale Speicher
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 +Der Ladungszustand eines Kondensators kann Information repräsentieren. Zur Speicherung von großen Informationsmengen können einige Milliarden Kondensatoren in einer integrierten Schaltung zusammengefasst werden. Beispiele hierfür sind Dynamisches RAM, Eraseable Programmable Read Only Memory, Flash-Speicher und in ähnlicher Funktionsweise Ferroelectric Random Access Memory.
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 +    * Analoger Speicher
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 +Bei einer Abtast-Halte-Schaltung wird während der Abtastphase ein Kondensator mit einer Signalspannung verbunden, von welcher er während der Haltephase getrennt wird. Der Spannungswert steht dann der Weiterverarbeitung,​ typischerweise einer Analog-Digital Wandlung, konstant zur Verfügung.
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 +    * Energiespeicher
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 +Ein weiterer Anwendungsbereich ist als Zwischenkreiskondensator in Schaltnetzteilen und Umrichtern der Leistungselektronik. Hierbei übernimmt eine Schaltung (z.B. Gleichrichter,​ Vierquadrantensteller) die Gleichrichtung von Wechselstrom. Dieser Schaltungsteil agiert als Stromquelle. Ein zweiter Schaltungsteil agiert als Senke (z.B. Wechselrichter). Der Zwischenkreiskondensator hat die Aufgabe, den „welligen“ Spannungsverlauf des Stroms zu „glätten“,​ der sich durch Ladung und Entladung ergibt. Der Kondensator fängt, bildhaft ausgedrückt,​ Ladungsüberschüsse während des Ladens auf und gibt sie während der Entladung wieder ab. Damit ist auch eine Koppelung von Netzen unterschiedlicher Frequenz möglich. In gleicher Weise wirken auch die Ausgangskondensatoren von Tiefsetzstellern und Hochsetzstellern sowie einer Reihe von Schaltnetzteilen.
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 +    * Leistungskonzentrator
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 +In ähnlicher Weise können Kondensatoren zeitlich begrenzt hohe Leistung bereitstellen. Diese werden über eine geeignete Schaltung auf eine hohe Spannung aufgeladen und können dann Verbraucher mit hohen kurzeitigen Leistungsbedarf antreiben. Beispiele hierfür sind die Blitzröhre,​ in der Waffentechnik der Exploding-bridgewire detonator und Hochspannungs-Kondensatorzündung (HKZ) bei Verbrennungsmotoren.
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 +    * Auffangen von Schaltstromspitzen
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 +Kondensatoren dienen nach einem vergleichbaren Prinzip zur Stützung der Versorgungsspannung in hochfrequenten und komplexen digitalen Schaltungen. Hier wird zu jedem IC oder Schaltungsabschnitt ein oder mehrere Kondensatoren parallel zur Versorgungsspannung geschaltet, die als Spannungs- oder Energiequelle in Momenten hohen Strom- bzw. Leistungsbedarfs wirken. Durch ihre niedrige Impedanz bei hohen Frequenzen verringern sie die Impedanz der übergeordneten Spannungsversorgung oder deren Zuleitung und bewirken eine gegenseitig unbeeinflusste Energieversorgung der Teilschaltungen.
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 +    * Abblocken von Spannungsspitzen
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 +Umgekehrt können Kondensatoren störende, zeitlich begrenzte Überspannungen in elektronischen Schaltungen aufnehmen und so ihre Ausbreitung und schädliche Wirkung verhindern. Man nennt dies Abblockung.
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 +    * Spannungsanpassung
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 +Des Weiteren können Verschaltungen von mehreren Kondensatoren zum Herauf-, Herabsetzen und zum Invertieren von Versorgungsspannungen genutzt werden. Hierbei werden Kondensatoren zyklisch auf einem Potential aufgeladen, mit einem anderen Potential verbunden und dort entladen. Gebräuchliche Schaltungen sind die Ladungspumpe und deren spezielle Ausführung als Hochspannungskaskade.
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 +==== Frequenzabhängiger Widerstand ====
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 +Hierfür muss der Kondensator eine möglichst genau definierten Wert haben. Wichtige Applikationen sind:
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 +    * Phasenverschiebung
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 +Durch ihr „träges“ Lade- und Entladeverhalten erzeugen Kondensatoren bei Anschluss an Wechselstrom eine Phasenverschiebung zwischen den periodischen Verläufen von Spannung und Strom. Damit lässt sich zusammen mit anderen Bauteilen ein magnetisches Drehfeld erzeugen. So kann man einfache Kondensatormotoren bzw. zweiphasige [[Asynchronmotoren]] betreiben.
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 +    * Blindstromkompensation
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 +Die Erscheinung der „Phasenverschiebung“ kommt auch bei dem „funktionalen Gegenpol“ der Kondensator-Kapazität vor, der Induktivität,​ jedoch hier genau entgegengesetzt. Bei zahlreichen Motoren mit großer [[Induktivität]] in Industrieanlagen führt dies zu erheblich größeren Strömen im Versorgungsnetz. Dies kann durch die Zuschaltung von Kondensatoren mit gleich großem Wechselstrom[[widerstand]] (Impedanz) ausgeglichen werden. Man nennt das Blindstromkompensation.
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 +    * Analoge Filter
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 +Die Frequenzabhängigkeit des Wechselstromwiderstands wird benutzt, um Wechselspannungs-Signale frequenzabhängig zu „filtern“. Am bekanntesten ist das RC-Glied, das je nach Schaltung als Hoch- oder Tiefpass wirkt.
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 +    * Ein Koppelkondensator dient dazu, Gleich- und Wechselstromanteile zu trennen. Das ist u.a. nötig, um den Arbeitspunkt bei Analog-Verstärkern einstellbar zu halten.
 +    * Zusammen mit Spulen (Induktivität),​ Widerständen und eventuell aktiven Bauelementen werden Kondensatoren auch für Schwingkreise,​ Bandfilter und Frequenzweichen verwendet. Es ergibt sich eine bestimmte Resonanzfrequenz oder ein Hoch- bzw. Tiefpassverhalten;​ ein Beispiel hierfür sind die Frequenzweichen in Lautsprechern.
 +    * Eine zeitdiskrete Variante hiervon stellen die Switched-Capacitor-Filter dar.
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 +    * Zeitverzögerung,​
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 +Bestimmung der Schaltzeiten einer monostabilen oder astabilen Kippstufe. Hierin wird ein Kondensator über eine Stromquelle geladen; seine Spannung nimmt proportional der verstrichenen Zeit zu. Sobald die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet,​ erfolgt ein Zustandswechsel der Schaltung.
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 +    * Spannung-Zeit-Umsetzung
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 +In ähnlicher Weise werden eine Reihe von Wandlerschaltungen realisiert:
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 +    * Pulsweitenmodulation Diese Schaltung wandelt eine Eingangsspannung in ein Tastverhältnis um. Ein Kondensator wird zyklisch durch eine Stromquelle bis zu einer vorgegebenen [[Spannung]] geladen, dann schlagartig entladen. Der Vergleich von Eingangsspannung und dem sägezahnförmigen Spannungsverlauf am Kondensator liefert das Ausgangssignal.
 +    * Slope-Wandler Dieser Wandler gleicht dem Pulsweitenmodulator,​ arbeitet allerdings nicht zwingend zyklisch
 +    * Time-Voltage Converter: Hier wird die Stromquelle durch einen Eingangspuls gesteuert, die Spannung des Kondensators ist proportional der Pulsbreite.
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 +====== Links ======
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