Worum es geht: Was ein Kondensator ist, und die zwei Sätze, aus denen sein ganzes Verhalten folgt.
Wozu du das brauchst: Ohne Kondensator gibt es keinen Filter, keine Verzögerung und keine stabile Versorgung. Er ist nach dem Widerstand das zweithäufigste Bauteil überhaupt — und das erste, das sich nicht mit dem ohmschen Gesetz beschreiben lässt.
Danach kannst du: gespeicherte Ladung und Energie ausrechnen und vorhersagen, wann durch einen Kondensator Strom fliesst und wann nicht.
Zwei Platten, die sich nicht berühren
Ein Kondensator ist der Widerspruch zum Stromkreis, wie du ihn kennengelernt hast: zwei leitende Flächen, die sich nicht berühren. Dazwischen ein Isolator. Man sollte meinen, dass da nichts passiert.
Es passiert etwas, weil sich Ladung auf den Platten sammeln kann. Und die Menge, die sich sammelt, ist der ganze Punkt:
Q = C · U
Q ist die Ladung in Coulomb, C die Kapazität in Farad, U die Spannung. Die Formel liest sich am besten als Frage: Wie viel Ladung brauche ich, um diese Spannung hinzubekommen?
Der Schalter verbindet 3.3 V über einen Widerstand von 10 kΩ mit der oberen Platte, die untere liegt an Masse. Auf der oberen sammeln sich positive, auf der unteren negative Ladungen — der amberne Pfeil auf der Leitung zeigt den Strom, der sie dorthin bringt.
Bei 100 nF und 3.3 V sind das:
Q = 100 nF · 3.3 V = 330 nC
Wenn der Kondensator seine 3.3 V erreicht hat, verschwindet der Pfeil. Es fliesst kein Strom mehr, und zwar für immer, solange sich nichts ändert.
Die beiden Sätze, die alles erklären
Fast alles, was ein Kondensator tut, folgt aus zwei Aussagen.
1. Strom fliesst nur, solange sich die Spannung ändert.
Gleichspannung sieht am Kondensator einen offenen Schalter. Eine sich ändernde Spannung sieht etwas, das Strom durchlässt — und je schneller die Änderung, desto mehr. Daher der Merksatz: Der Kondensator sperrt Gleichstrom und lässt Wechselstrom durch.
2. Die Spannung am Kondensator springt nicht.
Um die Spannung zu ändern, muss Ladung fliessen. Ladung fliesst als Strom, und Strom braucht Zeit. Ein Sprung würde unendlichen Strom bedeuten — den gibt es nicht.
Dieser zweite Satz ist der wertvollere. Er sagt: Ein Kondensator macht aus einer harten Kante eine Rampe. Ob das Filtern heisst, Entprellen, Puffern oder Verzögern, entscheidet nur, wozu du es einsetzt. Die Physik ist jedes Mal dieselbe, und Modul 3 rechnet sie aus.
Grössenordnungen, die du im Kopf haben solltest
Farad ist eine gewaltige Einheit. Ein Kondensator mit 1 F ist ein Sonderbauteil; du wirst es fast nie sehen. Wonach du wirklich greifst:
| Wert | wofür |
|---|---|
| 10 … 100 pF | Abstimmung, Kompensation, parasitär auf jeder Leitung |
| 100 nF | Abblocken am IC, dem integrierten Schaltkreis — der mit Abstand häufigste Wert überhaupt |
| 1 … 10 µF | kleine Puffer, Filter mit langer Zeitkonstante |
| 100 … 1000 µF | Puffer am Netzteileingang und am Regler |
Die Sprünge sind gross, und das ist Absicht: Zwischen 100 nF und 100 µF liegt der Faktor 1000. Kondensatoren werden nicht feinstufig gewählt wie Widerstände, sondern nach Grössenordnung.
Energie, nicht nur Ladung
Neben der Ladung speichert ein Kondensator auch Energie:
W = ½ · C · U²
Ein Puffer von 100 µF bei 5 V hält damit ½ · 100 µF · 25 V² = 1.25 mJ. Das klingt nach nichts, reicht aber, um einen Mikrocontroller einige Millisekunden am Leben zu halten — genug, um bei Spannungsausfall noch etwas in den Flash zu schreiben.
Beachte das Quadrat: Doppelte Spannung heisst vierfache Energie. Deshalb speichert ein 100-µF-Elko an 24 V fast dreissigmal so viel wie derselbe an 5 V. Und deshalb sind grosse Elkos in Netzteilen auch nach dem Ausschalten noch eine Weile unangenehm.
Was ein Kondensator nicht ist
Er ist keine Batterie. Eine Batterie hält ihre Spannung, bis sie leer ist; ein Kondensator verliert sie von der ersten Sekunde an — die Spannung fällt mit der entnommenen Ladung.
Und er ist kein Widerstand. Das ohmsche Gesetz gilt hier nicht: Der Strom hängt nicht davon ab, wie hoch die Spannung ist, sondern davon, wie schnell sie sich ändert.
Kurze Selbstkontrolle
Zählt nicht — nur zum Prüfen, ob es angekommen ist.
1.An einem Kondensator von 100 nF liegen konstante 3.3 V. Wie gross ist der Strom durch ihn?
2.Ein Pufferkondensator hält bei 5 V eine bestimmte Energie. Was passiert, wenn dieselbe Schaltung an 10 V läuft?