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Koppelkondensator in Verstärker Schaltungen

Wie funktioniert ein Koppelkondensator

Koppelkondensatoren findet man bei der Niederfrequenztechnik vor allem in diversen Verstärkerschaltungen aller Art. Ebenso findet man Koppelkondensatoren im Bereich der Rundfunktechnik bei Sendeanlagen und Empfangsgeräten. In diesem Artikel geht es allgemein um Koppelkondensatoren und deren Funktion.


Was macht ein Koppelkondensator?

In vielen Schaltungen dient der Koppelkondensator als Verbindungsglied zwischen verschiedenen Segmenten einer Schaltung. Ein einfaches Beispiel wäre ein Audioverstärker, wo der Koppelkondensator das analoge Audiosignal von der Vorstufe in die nächste Verstärkerstufe überträgt. Der Koppelkondensator lässt nur Wechselspannungen (AC) passieren, während eine Gleichspannung gesperrt wird. Gelegentlich wird der Koppelkondensator auch als Sperrkondensator bezeichnet. Koppelkondensatoren können folgende Aufgaben haben:

  • DC-Anteile von der Wechselspannung trennen
  • Störungen kompensieren
  • Frequenzen dämpfen (Hochpass)
  • Kurzschließen von HF-Signalen gegen Masse

  • Arbeitsweise des Koppelkondensators

    Um die Funktion des Koppelkondensators leicht zu verstehen, kann man diesen mit einem Wasser-Modell gut vergleichen. Vorerst wird das Verhalten des Koppelkondensators nur unter Gleichstrom betrachtet:

    Koppelkondensator Wasser Modell mit DC Gleichspannung

    Die erste Abbildung (Fig. 1) zeigt einen Behälter, der nach oben hin auf beiden Seiten offen ist. In der Mitte befindet sich der Kondensator in Form eines Kolben (Gelb), der auf jeder Seite mit einer Feder verbunden ist. Ist der Behälter auf beiden Seiten leer, so ist der Kolben genau in der Mitte. Wird jetzt der linke Teil mit Wasser gefüllt, so wird der Koben nach rechts gedrückt, bis die Feder gut gespannt ist und den Kolben zurückhaltet. Der Füllstand beträgt jetzt ein "Volt". Anschließend wird die andere Seite auch mit Wasser befüllt. Allerdings wird hier auf bis zu zehn "Volt" befüllt. Der Kolben wird dadurch jetzt nach links gedrückt, wodurch der Pegel auf der linken Seite ansteigt.

    In der zweiten Abbildung (Fig. 2) ist das Wasser-Modell als elektrischer Schaltplan dargestellt. In der Mitte befindet sich der Kondensator mit seinen Kondensatorplatten. Die zwei Spannungsquellen sind mit dem Pluspol jeweils an eine Kondensatorplatte angeschlossen und mit dem Minuspol zusammengeschlossen. Wie im Wasser-Modell steht zwar ein Druckunterschied zwischen den Kondensatorplatten an, aber es findet auch hier kein Stromfluss zwischen den Gleichstromquellen statt. Den Kondensator interessiert es grundsätzlich nicht, welche DC-Spannungen an den Platten anliegen. Das nächste Bild zeigt die Übertragung von Schwingungen:

    Koppelkondensator Wasser Modell mit DC Gleichspannung und AC Offset

    Wird der Wasserstand auf der linken Seite immer wieder nach unten gedrückt (Fig. 3), so entstehen Schwingungen. Über den Kondensator (Kolben) wird diese Schwingung weitergegeben, sodass letztendlich auch der rechte Pegel im gleichen Verhältnis zum linken Pegel anfängt zu schwingen. Liegt nach dem Koppelkondensator keine DC-Spannung an, so schwingt das Signal um 0 Volt herum.

    Bei der richtigen Dimensionierung der Kapazität, welche anhand der Frequenz gewählt wird, gibt der Koppelkondensator ein Wechselstromsignal nahezu unverändert weiter. Auch die Amplitudenhöhe und Periodendauer können unverändert übertragen werden. Gleichspannungsanteile hingegen lässt der Koppelkondensator nicht passieren. Egal wie hoch der DC-Anteil am Eingang ist, er wird nicht weitergegeben. Befindet sich der Koppelkondensator am Ausgang einer Verstärkerschaltung, wird hier ebenfalls wieder nur der AC-Anteil mit der entsprechend durch die Schaltung verstärkten Amplitude weitergeben.

    Im letzten Bild (Fig. 4) gibt es links zwei Spannungsquellen. An der Gleichspannungsquelle liegen 3 Volt an und in Serie dazu befindet sich noch eine Wechselspannungsquelle mit 0,5 Volt Spitze-Spitze-Spannung. Gesamt schwingt die Spannung auf der linken Seite daher zwischen 3 und 3,5 Volt. Auch hier lässt der Koppelkondensator wieder nur die Wechselspannung durch. Schießt man auf der rechten Seite ein Oszilloskop an, so wird dort nur die Spitze-Spitze-Spannung von 0,5 Volt dargestellt. Die Ausgangsspannung schwingt daher zwischen -0,25 und +0,25 Volt.

    Die richtige Kapazität

    Die richtige Kapazität wird in erster Linie anhand der Frequenz gewählt. Der Koppelkondensator arbeitet mit dem Eingangswiderstand der Verstärkerschaltung bzw. mit der Last der nachfolgenden Schaltung wie ein Hochpass, wodurch seine Kapazität mit steigender Frequenz niedriger gewählt werden muss. Der Kondensator wird so definiert, dass die niedrigste Frequenz noch nicht zu stark gedämpft wird und über der Grenzfrequenz liegt.

    Berechnen kann man den Kondensator wie ein CR-Glied. Alternativ kann man auch auf Erfahrungswerte zurückgreifen. Koppelkondensatoren im NF-Bereich haben meist eine Kapazität von 1 - 10 Mikrofarad. In der Hochfrequenztechnik sind die Kapazitäten deutlich kleiner, sodass diese Kondensatoren oft nur einige wenige Pikofarad haben.



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