Der Kondensator im Stromkreis – Parall- und Reihenschaltung von Kondensatoren

Der Kondensator ist eine der wichtigsten elektronischen Bauelemente. Seine Bedeutung beruht in der Fähigkeit, elektrische Ladung und damit Energie zu speichern. In der Regel bestehen Kondensatoren aus zwei Metallplatten, die durch eine Isolationsschicht (dem sog. Dielektrikum) voneinander getrennt sind. Da ein Kondensator ein elektrisches Signal nicht verstärkt handelt sich bei Kondensatoren um sogenannte passive Bauelemente. Die Kapazität eines Kondensators gibt an, wie viel Ladung ein Kondensator bei einer Spannung speichern kann und wird in der Einheit F (Farad) angegeben.

Berechnung der Kapazität eines Kondensators

Wie bereits erwähnt, gibt die Kapazität C eines Kondensators gibt an, wie viel Ladung Q ein Kondensator bei einer gegebenen Spannung U speichern kann.

Die meisten Kondensatoren weisen Kapazität im Bereich von einigen Picofarad bis zu einigen Millifarad. Inzwischen gibt es aber auch “Kondensatoren”, deren Kapazität einige Farad beträgt. Bei diesen “Kondensatoren” handelt es sich um eine Art aufgewickelter Elektrolytkondensatoren (auch als GoldCaps bezeichnet).

Parallelschaltung von Kondensatoren

In der Elektrotechnik werden oft mehrere Kondensatoren in einen Stromkreis eingebaut. Hier gibt sich -wie bei anderen elektronischen Bauelementen auch- die Möglichkeit, mehrere Kondensatoren parallel oder in Reihe zu schalten. Die Herleitung für die Parallelschaltung von Kondensatoren gelingt relativ einfach: Das Parallelschalten von Kondensatoren wirkt wie eine Vergrößerung der Kondensatorfläche und ist daher eine Addition von Kapazitäten.

Parallelschaltung von Kondensatoren: C = C1 + C2 + ……….

 

Reihenschaltung von Kondensatoren

In der Elektrotechnik werden oft mehrere Kondensatoren in einen Stromkreis eingebaut. Hier gibt sich -wie bei anderen elektronischen Bauelementen auch- die Möglichkeit, mehrere Kondensatoren parallel oder in Reihe zu schalten. Die Herleitung für die Reihenschaltung von Kondensatoren gelingt relativ einfach: Das Reihenschalten von Kondensatoren wirkt wie eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der negativ geladenen und der positiv geladenen Kondensatorfläche und daher zu einer Verringerung der Kapazität.


 

Kondensator im Gleichstromkreis

Hat man einen geschlossenen Stromkreis mit einer Gleichspannungsquelle, so passiert folgendes:
Sobald man die Spannungsquelle mit dem ungeladenen Kondensator verbindet, werden Elektronen auf die mit dem Minuspol verbundene Platte gebracht. Die Elektronen sammeln sich dabei auf der Oberfläche der Kondensatorplatte, weshalb diese negativ (auf)geladen wird. Gleichzeitig aber werden durch die Spannungsquelle auf der anderen Platte die Elektronen “abgepumpt”. Durch den Elektronenmangel wird diese Platte nun positiv geladen. Dieses Aufladen mit Elektronen (Spannungsquelle pumpt Elektronen auf die Platte) der einen (negativen) Platte und dem “Entzug ” von Elektronen der anderen (positiven) Platte (Spannungsquelle pumpt Elektronen von der Platte weg) führt zum “Laden eines Kondensators”.

Kondensator im Wechselstromkreis

Wie sicher viele wissen, lädt sich ein Kondensator im Wechselstromkreis nicht auf. Um dies näher zu verstehen, benötigt man etwas Hintergrundwissen:
Der Verlauf unserer Netzspannung ist sinusförmig, d.h. ihr Verlauf kann mathematisch mit einer Sinusfunktion beschrieben werden (Frequenz der Netzspannung 50 Hz). Der Strom besitzt einen cosinusförmigen Verlauf und hat die gleiche Frequenz wie die Spannung.

Einfacher kann man sich vorstellen, dass die Elektronen sich im Wechselstromkreis nicht in eine Richtung bewegen (auf die eine Platte “gepumpt” und von der anderen Platte “entfernt”), sondern mit gleicher Frequenz sich die Richtung des Stromflusses ändert. So wird einmal die Metallplatte negativ aufgeladen (die andere gleichzeitig positiv aufgeladen) und durch die Richtungsänderung anschließend positiv (und die andere Platte negativ) aufgeladen.

Der Kondensator nimmt daher im zeitlichen Mittel keinerlei Leistung auf, obwohl permanent eine Wechselspannung anliegt und somit auch ein (Wechsel)Strom fließt. Der Kondensator nimmt also zyklisch Leistung auf und gibt sie anschließend wieder ab, nimmt Leistung wieder auf, gibt sie wieder ab … u.s.w.


Der Kondensator im Stromkreis – Parall- und Reihenschaltung von Kondensatoren – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist ein Kondensator im Stromkreis?

Ein Kondensator im Stromkreis ist ein elektronisches Bauelement, das Energie in einem elektrischen Feld speichert. Er hat die Fähigkeit, Energie aufzuladen und wieder abzugeben, wenn sie benötigt wird.

2. Was passiert, wenn Kondensatoren in Reihe geschaltet werden?

Wenn Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, verringert sich die Gesamtkapazität. Das ist das Gegenteil dessen, was bei Widerständen passiert.

3. Was passiert, wenn Kondensatoren parallel geschaltet werden?

Wenn Kondensatoren parallel geschaltet sind, wird die Gesamtkapazität erhöht. Dies ist anders als bei Widerständen.

4. Wie berechnet man die Gesamtkapazität in einer Reihenschaltung von Kondensatoren?

Die Gesamtkapazität (Cges) in einer Reihenschaltung errechnet man durch die Formel 1/Cges = 1/C1 + 1/C2 +…+ 1/Cn. Hier repräsentiert Cn die Kapazität jedes einzelnen Kondensators in der Reihe.

5. Wie berechnet man die Gesamtkapazität in einer Parallelschaltung von Kondensatoren?

Die Gesamtkapazität (Cges) in einer Parallelschaltung errechnet man durch die Summe der Kapazitäten aller Kondensatoren. Die Formel hierfür ist Cges = C1 + C2 +…+ Cn, wobei Cn die Kapazität jedes einzelnen Kondensators darstellt.

6. Wofür werden Kondensatoren in Elektronik und Elektrotechnik verwendet?

Kondensatoren werden zu vielen Zwecken verwendet, darunter Energiespeicherung, Stabilisierung von Stromversorgungen, Filterung von Rauschen, Kopplung und Entkopplung von Signalen und vieles mehr.

7. Was ist die Einheit der Kapazität?

Die Einheit der Kapazität ist das Farad (F), benannt nach dem Wissenschaftler Michael Faraday.

8. Wie beeinflusst das Dielektrikum eines Kondensators seine Kapazität?

Das Dielektrikum eines Kondensators beeinflusst die Kapazität, da es das elektrische Feld zwischen den Platten des Kondensators schwächt. Ein Kondensator mit einem besseren Dielektrikum kann mehr Energie speichern.

9. Was passiert, wenn die Spannung an einem Kondensator erhöht wird?

Wenn die Spannung an einem Kondensator erhöht wird, speichert er mehr Energie. Allerdings gibt es eine Grenze, die sogenannte Durchbruchspannung. Überschreitet die Spannung diesen Wert, kann der Kondensator zerstört werden.

10. Wie ist ein Kondensator aufgebaut und woraus besteht er?

Ein Kondensator besteht aus zwei Leitern (meist Platten), die durch ein Isoliermaterial, das Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Die Platten speichern elektrische Energie.