Ein Glättungskondensator reduziert die Restwelligkeit einer zuvor gleichgerichteten Spannung. Dieser Artikel beschreibt die Funktionsweise eines Glättungskondensators. Neben der Berechnungsformel findest du ebenfalls einen praktischen Online Rechner zur Dimensionierung des Kondensators.
Allgemeine Infos zum Glättungskondensator
Das deutsche Stromnetz liefert eine sinusförmige Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz. Viele Geräte werden allerdings mit einer Gleichspannung betrieben. Beim Anschluss dieser Geräte muss die Spannung also vorher gleichgerichtet werden.
Am häufigsten wird die Gleichrichterschaltung mit einem Brückengleichrichter aufgebaut, der aus vier Dioden besteht. Diese Schaltung hat allerdings einen großen Schwachpunkt: Sie klappt lediglich die untere Halbwelle nach oben und hinterlässt eine pulsierende Gleichspannung. Fachleute sprechen von einer hohen Welligkeit.
Ein Glättungskondensator, auch Siebkondensator oder Ladekondensator genannt, wird eingesetzt, um diese Spannungen zu „glätten“. Er schwächt deren Welligkeit ab. Der Kondensator produziert zwar keine perfekte Gleichspannung, aber er reduziert die Schwankungen auf ein Niveau, mit dem die meisten Geräte problemlos arbeiten können. Die nun noch bleibende Restwelligkeit wird als Brummspannung bezeichnet.
Damit eine Spannung mit möglichst wenig Restwelligkeit bleibt, muss der Kondensator die richtige Größe haben. Er darf allerdings auch nicht unendlich groß gewählt werden, da andernfalls die Dioden zur Gleichrichtung Schaden nehmen könnten. Wir wollen erklären, wie sich ein Glättungskondensator dimensionieren lässt und wie genau er funktioniert. Unser Online Rechner erleichtert zudem die Berechnung des Kondensators.
Funktion des Glättungskondensators
Der Kondensator zum Spannung glätten wird parallel zum Verbraucher hinter der Gleichrichterschaltung platziert. Oftmals werden auch zwei kleinere Glättungskondensatoren anstelle eines Großen eingesetzt. Dabei befindet sich ein Kondensator möglichst nah an der Gleichrichterschaltung und der zweite möglichst nah am Verbraucher. Die Kondensatoren helfen dabei, die Lücken in der gleichgerichteten Spannung aufzufüllen und zu verkleinern.
Während die Spannung ihre höchsten Werte erreicht wird der Kondensator aufgeladen. Wenn sie unter ein bestimmtes Niveau absinkt, entlädt er sich wieder. Er kann seine Ladung allerdings aufgrund der Gleichrichterschaltung nicht zur Spannungsquelle zurückschicken, sondern entlädt diese über den Verbraucher. Am Verbraucher kommt deshalb die Welligkeit der Eingangsspannung nur noch geringfügig an, weil der Kondensator die Spannung aufrechterhält.
Ein richtig dimensionierter Kondensator kann nicht nur eine Sinusspannung, sondern auch eine Pulsweitenmodulation (PWM) glätten. Wird der Kondensator zu klein gewählt, glättet er die Spannung zu wenig und es bleibt eine hohe Restwelligkeit übrig. Diese kann die Funktion der Verbraucher beeinträchtigen oder sogar für Schäden sorgen. Ist der Kondensator hingegen zu groß, kann sein großer Ladestrom die Dioden zur Gleichrichtung zerstören oder Leitungen überlasten.
Polarität beim Glättungskondensator
Bei vielen Bauteilen der Gleichstromtechnik ist die Polarität wichtig, damit diese reibungslos funktionieren. Einige Geräte bleiben einfach funktionslos, wenn sie mit falscher Polarität angeschlossen werden, andere hingegen nehmen sogar Schaden. „Normale“ Kondensatoren gehören hier zu den weniger empfindlichen Bauteilen und können meist in beide Richtungen angeschlossen werden.
Doch aufgepasst: Der häufig verwendete Elektrolytkondensator, kurz Elko, reagiert empfindlich auf einen verkehrten Anschluss. Er verfügt über eine Oxidschicht zwischen den Platten, die nur für den Stromfluss in eine Richtung ausgelegt ist. Wird er verkehrt herum angeschlossen, löst sich diese Schicht ab und der Kondensator wird niederohmig. Auch wenn er mit einer Spannung weit unterhalb seiner Spannungsfestigkeit angeschlossen wird, tritt dieser Effekt zeitverzögert auf. Nach dem Ablösen der Oxidschicht steigt der Strom an und der Elektrolytkondensator explodiert!
Glättungskondensator Schaltungsaufbau
Im ersten Schaltbild befindet sich der Glättungskondensator hinter der Einweggleichrichtung.
Im zweiten Schaltbild befindet sich der Glättungskondensator hinter der Brückengleichrichtung.
Glättungskondensator berechnen – Formel
Die wichtigste Formel zur Berechnung des Glättungskondensators lautet:
$$ C = I \cdot \frac{\Delta t}{\Delta U} $$
Die Formel zum Spannung glätten kann auch nach anderen Größen umgestellt werden:
$$ I = C \cdot \frac{\Delta U}{\Delta t} $$
Dabei gilt:
$C$ = Kapazität des Kondensators in μF
$I$ = Ladestrom in mA
$\Delta t$ = halbe Periodendauer in ms
$\Delta U$ = Brummspannung in V
Erklärung – Glättungskondensator berechnen
Die Stromaufnahme $\mathbf{I}$ der Schaltung kann über das ohmsche Gesetz berechnet werden. Eine hohe Stromaufnahme des Verbrauchers vergrößert die benötigte Kapazität des Kondensators enorm.
Die halbe Periodendauer $\mathbf{\Delta t}$ kann aus der Frequenz der Spannung berechnet werden. Dabei gilt die Formel: $\Delta t = \frac{1}{2} \cdot T$. Bei der Netzspannung von 50 Hz erhalten wir mit $\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{50}$ also ein Ergebnis von $\Delta t = 10ms$.
Die Brummspannung $\mathbf{ \Delta U}$ ist die Restwelligkeit der Spannung. Hier bestimmt die Art des Verbrauchers, wie weit die Spannung absinken darf. Je geringer die Brummspannung ausfallen darf, umso größer müssen wir den Glättungskondensator dimensionieren. Beim Betrieb von LED’s beispielsweise dürfen keine großen Schwankungen vorliegen.
Die Kapazität des Glättungskondensators $\mathbf{C}$ ist unser gewünschtes Ergebnis in Mikrofarad. Es sollte auch darauf geachtet werden, dass der Kondensator für die entsprechende Spannungshöhe ausgelegt ist. Hier darf er ruhig großzügig ausgelegt werden. Ein 18 V Kondensator kann problemlos an einer 12 V Schaltung betrieben werden.
Glättungskondensator Rechner
Der Online Rechner hilft dir bei der Berechnung eines Glättungskondensators. Gib einfach die Werte anhand der zuvor beschriebenen Formel ein, um die gewünschte Größe zu berechnen.
Anwendungsbereiche – Spannung mit Kondensator glätten
Beim Umbau von Kondensatorschaltungen ist immer Vorsicht geboten. Aufgrund der Ladungsspeicherung im Kondensator kann auch nach dem Abschalten noch einer großer Teil der Betriebsspannung in der Schaltung verbleiben. Er verfügt zwar im Vergleich zu einer Batterie über eine sehr geringe Kapazität, aber kurzgeschlossen reicht diese aus, um Bauteile zu zerstören.
Der wohl meistgenutzte Einsatzbereich von Glättungskondensatoren ist der Bau von Netzteilen. Egal mit welcher Frequenz die Eingangsspannung angelegt wird, nach der Gleichrichtung wird ein Kondensator eingesetzt, um die Restwilligkeit zu senken. Je nach der Leistung des Netzteils wird der Glättungskondensator hier mit weiteren Schaltungen kombiniert.
Frequenzumrichter und andere digital arbeitende Bauteile produzieren eine Wechselspannung häufig über die Pulsweitenmodulation PWM. Dabei wird die Spannung in periodischen Abständen für unterschiedliche Intervalle an- und abgeschaltet. Viele Verbraucher arbeiten mit einer PWM wie mit einer normalen Wechselspannung. Mit einem Glättungskondensator lässt sich auch die Spannung einer PWM glätten, damit wir am Ausgang eine Gleichspannung mit niedriger Restwelligkeit erhalten.
