Kondensatoren 101

Hier ein wenig Theorie, um besser zu verstehen, was ein Kondensator ist und was er im Allgemeinen tut. Ein Kondensator ist ein (meist) kleines elektrisches bzw. elektronisches Bauteil auf den meisten Leiterplatten, das verschiedene Funktionen erfüllen kann. Wenn ein Kondensator in einen Stromkreis mit aktivem Strom eingesetzt wird, sammeln sich Elektronen der negativen Seite auf der nächstgelegenen Platte an. Das Negative fließt zum Positiven – deshalb ist der negative Anschluss der aktive Anschluss, obwohl viele Kondensatoren nicht polarisiert sind. Sobald die Platte sie nicht mehr halten kann, werden sie gezwungen, am Dielektrikum vorbei auf die andere Platte zu fließen, wodurch die Elektronen wieder in den Stromkreis zurückgeführt werden. Dies nennt man Entladung. Elektrische Bauteile reagieren sehr empfindlich auf Spannungsschwankungen, weshalb eine Spannungsspitze die teuren Bauteile zerstören kann. Kondensatoren glätten Gleichspannung für andere Bauteile und sorgen so für eine stabile Stromversorgung. Wechselstrom wird von Dioden gleichgerichtet, sodass statt Wechselstrom Impulse von Gleichstrom von null Volt bis zum Spitzenwert entstehen. Wenn ein Kondensator von der Stromleitung an die Masse angeschlossen wird, fließt der Gleichstrom nicht hindurch, aber während sich der Impuls im Kondensator füllt, reduziert dies den Stromfluss und die effektive Spannung. Während die Zufuhrspannung auf null sinkt, beginnt der Kondensator, seinen Inhalt abzugeben; dies glättet die Ausgangsspannung und den Strom. Daher wird ein Kondensator in Reihe zu einem Bauteil geschaltet, was die Absorption von Spannungsspitzen ermöglicht und Täler ergänzt; dies wiederum hält eine konstante Stromversorgung für das Bauteil aufrecht.

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Kondensatortypen. Sie werden in Schaltungen oft unterschiedlich eingesetzt. Die allseits bekannten runden, büchsenförmigen Kondensatoren sind in der Regel Elektrolytkondensatoren. Sie bestehen aus einem oder zwei Metallblättern, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Das Dielektrikum kann Luft (der einfachste Kondensator) oder ein anderes nicht leitendes Material sein. Die Metallfolien, die durch das Dielektrikum getrennt sind, werden dann ähnlich wie ein Frucht-Roll-up aufgerollt und in die Büchse eingesetzt. Diese eignen sich hervorragend zur groben Filterung, sind aber bei hohen Frequenzen nicht sehr effizient.

Hier ist ein Kondensator, an den sich manche noch aus alten Radiozeiten erinnern könnten. Es handelt sich um einen Mehrfach-Becherkondensator. Dieser spezielle ist ein Vierfach-Kondensator. Das bedeutet lediglich, dass vier separate Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten in einem Becher enthalten sind.

Keramische Scheibenkondensatoren sind ideal für höhere Frequenzen, eignen sich aber nicht gut für eine grobe Filterung, da Keramikkondensatoren bei höheren Kapazitätswerten zu groß werden. In Schaltungen, in denen eine stabile Spannungsquelle lebenswichtig ist, befindet sich normalerweise ein großer Elektrolytkondensator parallel zu einem keramischen Scheibenkondensator. Der Elektrolytkondensator erledigt den Großteil der Arbeit, während der kleine keramische Scheibenkondensator die hohen Frequenzen herausfiltert, die der große Elektrolytkondensator verpasst.

Dann gibt es noch Tantalkondensatoren. Diese sind klein, haben aber im Verhältnis zu ihrer Größe eine größere Kapazität als keramische Scheibenkondensatoren. Sie sind teurer, finden aber auf den Leiterplatten kleiner elektronischer Geräte häufig Verwendung.

Obwohl sie nicht gepolt sind, hatten alte Papierkondensatoren an einem Ende schwarze Streifen. Der schwarze Streifen zeigte an, welches Ende des Papierkondensators eine Metallfolie (die als Abschirmung diente) aufwies. Das Ende mit der Metallfolie wurde mit der Masse (oder der niedrigsten Spannung) verbunden. Der Hauptzweck der Folienschirmung bestand darin, die Lebensdauer des Papierkondensators zu verlängern.

Hier ist derjenige, der uns bei iDevices wahrscheinlich am meisten interessiert. Diese sind im Vergleich zu den zuvor genannten Kondensatoren sehr klein. Es handelt sich um SMD-Kondensatoren (Surface Mount Device). Obwohl sie im Vergleich zu den vorherigen Kondensatoren winzig sind, ist ihre Funktion dieselbe. Neben den Werten dieser Kondensatoren ist eines der wichtigsten Dinge ihre „Bauform“. Es gibt eine Standardisierung für die Größe dieser Bauteile, z. B. Bauform 0201 - 0,6 mm x 0,3 mm (0,02" x 0,01"). Die Baugröße für die keramischen SMD-Kondensatoren folgt derselben Norm wie für SMD-Widerstände. Dies macht es fast unmöglich, durch visuelle Begutachtung zu bestimmen, ob es sich um einen Kondensator oder einen Widerstand handelt. Hier ist eine gute Beschreibung der individuellen Größe basierend auf den Bauformnummern.

SMDs auf einer Platine

Große SMDs

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Wert eines Kondensators zu bestimmen. Die Nummer eins ist natürlich die Markierung auf dem Kondensator selbst.

Dieser spezielle Kondensator hat eine Kapazität von 220μF (Mikrofarad) mit einer Toleranz von 20 %. Das bedeutet, dass er irgendwo zwischen 176μF und 264μF liegen kann. Er hat eine Nennspannung von 160V. Die Anordnung der Anschlüsse zeigt, dass es sich um einen radialen Kondensator handelt. Beide Anschlüsse treten an einer Seite aus, im Gegensatz zu einer axialen Anordnung, bei der an beiden Seiten des Kondensatorkörpers ein Anschluss austritt. Außerdem zeigt der Pfeilstreifen an der Seite des Kondensators die Polarität an; die Pfeile zeigen in Richtung des negativen Pins.

Die Hauptfrage ist nun, wie man einen Kondensator prüft, um zu sehen, ob er ersetzt werden muss.

Um eine Prüfung an einem Kondensator durchzuführen, während er noch in einer Schaltung installiert ist, ist ein ESR-Messgerät erforderlich. Wenn der Kondensator aus der Schaltung entfernt wurde, kann ein auf Ohmmeter eingestelltes Multimeter verwendet werden, jedoch nur für einen Alles-oder-nichts-Test. Dieser Test zeigt nur, ob der Kondensator völlig defekt ist oder nicht. Er wird nicht bestimmen, ob sich der Kondensator in einem guten oder schlechten Zustand befindet. Um festzustellen, ob ein Kondensator den richtigen Wert (Kapazität) aufweist, ist ein Kapazitätsmessgerät erforderlich. Dies gilt natürlich auch, um den Wert eines unbekannten Kondensators zu bestimmen.

Das für dieses Wiki verwendete Messgerät ist das billigste, das in jedem Kaufhaus erhältlich ist. Für diese Tests ist es auch ratsam, ein analoges Multimeter zu verwenden. Es zeigt die Bewegung auf visuelle Weise deutlicher als ein Digitalmultimeter, das nur schnell wechselnde Zahlen anzeigt. Dies sollte es jedem ermöglichen, diese Tests durchzuführen, ohne ein Vermögen für so etwas wie ein Fluke-Gerät auszugeben.

Entlade einen Kondensator immer vor dem Testen; es wäre eine schockierende Überraschung, wenn dies nicht getan wird. Sehr kleine Kondensatoren können entladen werden, indem beide Anschlüsse mit einem Schraubendreher überbrückt werden. Ein besserer Weg wäre es, den Kondensator über eine Last zu entladen. In diesem Fall helfen Krokodilkabel und ein Widerstand. Hier ist eine großartige Seite, die zeigt, wie man ein Entladewerkzeug für Kondensatoren baut.

Um den Kondensator mit einem Multimeter zu testen, stelle das Messgerät auf den hohen Ohm-Bereich ein, irgendwo über 10k und 1M Ohm. Berühre die Messleitungen des Geräts mit den entsprechenden Anschlüssen am Kondensator, rot an positiv und schwarz an negativ. Das Messgerät sollte bei Null beginnen und sich dann langsam in Richtung Unendlich bewegen. Dies bedeutet, dass der Kondensator funktionstüchtig ist. Wenn das Messgerät bei Null bleibt, lädt sich der Kondensator nicht über die Batterie des Messgeräts auf, was bedeutet, dass er nicht funktioniert.

Dies funktioniert auch bei SMD-Kondensatoren. Derselbe Test, bei dem sich die Nadel des Multimeters langsam in die gleiche Richtung bewegt.

Ein weiterer Test, den man an einem Kondensator durchführen kann, ist ein Spannungstest. Wir wissen, dass Kondensatoren eine Potentialdifferenz von Ladungen an ihren Platten speichern, das sind Spannungen. Ein Kondensator hat eine Anode mit einer positiven Spannung und eine Kathode mit einer negativen Spannung. Eine Möglichkeit, zu prüfen, ob ein Kondensator funktioniert, besteht darin, ihn mit einer Spannung aufzuladen und dann die Spannung an Anode und Kathode zu messen. Dazu ist es notwendig, den Kondensator mit Spannung zu laden und eine Gleichspannung an die Kondensatoranschlüsse anzulegen. In diesem Fall ist die Polarität sehr wichtig. Wenn dieser Kondensator einen positiven und einen negativen Anschluss hat, handelt es sich um einen gepolten Kondensator (Elektrolytkondensator). Positive Spannung geht an die Anode und negative an die Kathode des Kondensators. Denke daran, die Markierungen auf dem zu testenden Kondensator zu prüfen. Lege dann für einige Sekunden eine Spannung an, die unter der Nennspannung des Kondensators liegen sollte. In diesem Beispiel wird der 160V-Kondensator für einige Sekunden mit einer 9V-Gleichstrombatterie geladen.

Nachdem der Ladevorgang abgeschlossen ist, trenne die Batterie vom Kondensator. Verwende das Multimeter und lies die Spannung an den Kondensatoranschlüssen ab. Die Spannung sollte nahezu 9 Volt betragen. Die Spannung wird schnell auf 0V abfallen, da sich der Kondensator über das Multimeter entlädt. Wenn der Kondensator diese Spannung nicht hält, ist er defekt und sollte ersetzt werden.

Am einfachsten ist es natürlich, einen Kondensator mit einem Kapazitätsmessgerät zu prüfen. Hier ist ein FRAKO axial GPF 1000μF 40V mit einer 5%-Toleranz. Das Prüfen dieses Kondensators mit einem Kapazitätsmessgerät ist unkompliziert. Bei diesen Kondensatoren ist der positive Anschluss markiert. Bringe den positiven (roten) Anschluss des Messgeräts daran an und den negativen (schwarzen) an den gegenüberliegenden. Dieser Kondensator zeigt 1038μF an, was eindeutig innerhalb seiner Toleranz liegt.

Das Testen eines SMD-Kondensators kann mit den klobigen Messspitzen schwierig sein. Man kann entweder Nadeln an das Ende dieser Spitzen löten oder in eine Pinzette mit Messfunktion investieren. Der bevorzugte Weg wäre die Verwendung einer Pinzette mit Messfunktion.

Bei manchen Kondensatoren ist kein Test erforderlich, um einen Defekt festzustellen. Wenn eine visuelle Inspektion der Kondensatoren Anzeichen von gewölbten Oberseiten ergibt, müssen diese ersetzt werden. Dies ist der häufigste Fehler in Netzteilen. Beim Austausch eines Kondensators ist es von größter Wichtigkeit, ihn durch einen Kondensator mit gleichem oder höherem Wert zu ersetzen. Ersetze ihn niemals durch einen Kondensator mit geringerem Wert.

Wenn der zu ersetzende oder zu prüfende Kondensator keine Markierungen aufweist, ist ein Schaltplan erforderlich. Das Bild unten von hier zeigt einige Symbole für Kondensatoren, die in einem Schaltplan verwendet werden.

Dieser Auszug aus einem iPhone-Schaltplan zeigt das Symbol für Kondensatoren sowie die Werte für diese Kondensatoren.

Dieses Wiki behandelt im Grunde nur die Grundlagen dessen, worauf bei einem Kondensator zu achten ist; es ist in keiner Weise vollständig. Um mehr über eines der gängigen elektronischen Bauteile zu erfahren, gibt es eine Fülle guter Online- und Offline-Kurse.

Eaton Electronics

Maxwell

Digikey

Mouser