Kondensatoren im Kfz

Ein Kondensator besteht im einfachsten Fall aus zwei leitenden Platten, die durch einen Isolator getrennt sind, das Dielektrikum. Legt man eine Spannung an, sammeln sich auf der einen Platte positive, auf der anderen negative Ladungen. Zwischen den Platten entsteht ein elektrisches Feld, in dem Energie gespeichert ist. Durch den Isolator selbst fließt kein Gleichstrom.

Wie viel Ladung ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung aufnimmt, gibt seine Kapazität an. Die Einheit ist das Farad (F), benannt nach Michael Faraday.

Kleine Kondensatoren tragen oft einen Zahlencode in Pikofarad: Die ersten beiden Ziffern sind der Wert, die dritte die Anzahl der Nullen. „104“ bedeutet 10 mit vier Nullen, also 100.000 pF = 100 nF. Auf Elkos stehen Kapazität, maximale Spannung und die Kennzeichnung des Minuspols als Streifen.

Wird ein Kondensator über einen Widerstand an eine Spannung gelegt, lädt er sich nicht sofort, sondern nach einer e-Funktion auf. Anfangs fließt ein großer Strom, der immer kleiner wird, je voller der Kondensator ist. Wie schnell das geht, bestimmt die Zeitkonstante:

Tippe auf eine Karte, um die wichtigsten Aufgaben von Kondensatoren im Fahrzeug kennenzulernen.

Bei Kondensatoren verhalten sich die Formeln genau umgekehrt wie bei Widerständen.

Das lässt sich anschaulich erklären: Parallel geschaltete Kondensatoren wirken wie ein einziger Kondensator mit größerer Plattenfläche, die Kapazität steigt. In Reihe geschaltete wirken wie ein Kondensator mit größerem Plattenabstand, die Kapazität sinkt. Dafür verteilt sich in der Reihenschaltung die Spannung auf mehrere Kondensatoren.

Genau das nutzt man bei Superkondensatoren: Eine Zelle verträgt nur etwa 2,7 V. Für ein 12-V-Bordnetz werden deshalb mehrere Zellen in Reihe geschaltet, und eine Ausgleichsschaltung sorgt dafür, dass sich die Spannung gleichmäßig verteilt.

1. SichtprüfungAufgeblähte Deckel, ausgelaufener Elektrolyt oder braune Rückstände auf der Leiterplatte zeigen defekte Elkos.
2. EntladenVor jeder Messung und vor dem Berühren große Kondensatoren über einen passenden Widerstand entladen und die Spannungsfreiheit messen.
3. Kapazität messenViele Multimeter haben einen Kapazitätsmessbereich. Das Bauteil muss dafür ausgelötet oder zumindest einseitig getrennt sein.
4. KurzschlusstestEin intakter Kondensator zeigt im Ohmbereich zuerst einen kleinen Wert, der beim Aufladen durch das Messgerät ansteigt. Bleibt der Wert dauerhaft bei 0 Ω, ist der Kondensator durchgeschlagen.

5 Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Die Kapazität eines Plattenkondensators hängt von der Plattenfläche A, dem Abstand d und dem Material dazwischen ab:

Kapazitive Sensoren

Jede der drei Größen kann sich ändern und damit zum Messprinzip werden:

• Abstand d: In MEMS-Beschleunigungs- und Drehratensensoren bewegt sich eine winzige Masse zwischen feststehenden Elektroden. Die Kapazitätsänderung zeigt die Auslenkung. Auch keramische Drucksensoren arbeiten so.
• Dielektrikum ε_r: Füllstandssensoren erkennen, wie weit eine Elektrode in Flüssigkeit eintaucht. Weil Wasser eine sehr hohe Permittivität hat, lassen sich so auch Wasser im Diesel oder die Qualität einer Harnstofflösung erkennen.
• Fläche und Umgebung: Elektroden im Lenkradkranz erkennen, ob der Fahrer das Lenkrad umfasst, weil die Hand die Kapazität gegen Masse verändert.

Beim Laden wird Arbeit verrichtet, um immer weitere Ladungen gegen das wachsende Feld auf die Platten zu bringen. Die gespeicherte Energie ist:

Beim Laden über einen Widerstand geht übrigens genauso viel Energie im Widerstand als Wärme verloren, wie im Kondensator gespeichert wird, unabhängig vom Widerstandswert. Leistungselektronik lädt große Kondensatoren deshalb beim Einschalten über einen Vorladewiderstand und schaltet erst danach den Hauptschütz zu, damit kein riesiger Einschaltstrom fließt.

Für Wechselstrom ist ein Kondensator keine Unterbrechung: Er wird ständig umgeladen, und es fließt ein Wechselstrom. Sein Widerstand für Wechselstrom, der kapazitive Blindwiderstand, sinkt mit steigender Frequenz:

Deshalb eignet sich ein Kondensator zum Entstören: Parallel zur Versorgung geschaltet, schließt er hochfrequente Störungen kurz, während die Gleichspannung unbeeinflusst bleibt. Und er glättet pulsierende Spannungen: Er lädt sich auf den Spitzen auf und liefert in den Lücken Strom nach.

Superkondensatoren, auch Doppelschichtkondensatoren genannt, erreichen Kapazitäten von vielen Farad. Möglich wird das durch zwei Tricks: Die Elektroden bestehen aus Aktivkohle mit einer riesigen inneren Oberfläche, und der „Plattenabstand“ ist nur die Dicke einer Ionenschicht im Elektrolyten, also wenige Nanometer.

Superkondensatoren eignen sich deshalb für kurze, kräftige Stromstöße: das Stützen des Bordnetzes beim Motorstart, damit Radio und Navigation nicht neu starten, das kurzzeitige Speichern von Bremsenergie oder als Notstromversorgung für elektrische Türschlösser und Notrufsysteme.

Im Wechselrichter eines Elektroantriebs sitzt zwischen Hochvoltbatterie und Leistungshalbleitern ein großer Zwischenkreiskondensator, meist in Folientechnik. Er hat zwei Aufgaben: Er liefert die sehr schnellen Stromimpulse, die beim Schalten der Transistoren entstehen, weil die Batterie und ihre Leitungen dafür zu träge sind. Und er hält die Spannung stabil, damit die Schaltvorgänge sauber ablaufen.

Vorladen und Entladen

• Vorladen: Beim Einschalten schließt zuerst ein Schütz mit Vorladewiderstand. Erst wenn der Kondensator nahezu auf Batteriespannung geladen ist, schließt der Hauptschütz. Ohne diesen Schritt würden die Kontakte durch den Einschaltstrom verschweißen.
• Entladen: Nach dem Abschalten entlädt die Steuerung den Kondensator aktiv, etwa über die Motorwicklungen oder einen Entladewiderstand, innerhalb weniger Sekunden auf eine ungefährliche Spannung. Ein passiver Entladewiderstand ist als Rückfallebene zusätzlich vorhanden.

Elektrolytkondensatoren sind die Bauteile mit der kürzesten Lebensdauer in vielen Steuergeräten. Ihr flüssiger Elektrolyt trocknet mit der Zeit aus, besonders bei hohen Temperaturen. Die Kapazität sinkt, und der innere Verlustwiderstand, der ESR, steigt. Ein Kondensator kann im Kapazitätsmessbereich noch fast normal aussehen und trotzdem wegen zu hohem ESR bei hohen Frequenzen kaum noch glätten.

Profitipps

• Für die Bewertung von Elkos ist ein ESR-Messgerät aussagekräftiger als die reine Kapazitätsmessung.
• Beim Tausch von Kondensatoren gleiche oder höhere Spannungsfestigkeit, gleiche Kapazität und eine ausreichende Temperaturklasse wählen, im Motorraum mindestens 105 °C.
• Steuergeräte werden in der Werkstatt normalerweise nicht auf Bauteilebene repariert. Die Kenntnis der typischen Schwachstellen hilft aber bei der Diagnose sporadischer Fehler.

6 Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.