Tech-Ecke / Elektronik Inhalt / Kondensator

 

     Kondensator

   Grundlegendes

 
Mittels einem Kondensator lässt sich elektrische Energie für kurze Zeit speichern bzw. puffern. Die Kapazität wird in Farad (F) gemessen, wobei Farad gleich AmpereSekunden durch Volt (F = As/V) ist. Je nach Anwendungsfall bzw. Kapazitätsvermögen gibt es verschiedene Bauarten. Relativ häufig

anzutreffen ist der Aluminium-Elektrolytkondensator, auch Folienkondensator oder einfach nur kurz Elko genannt. Die gängige Kapazitätseinheit ist Mikrofarad (μF). Bei weniger kapazitiven Typen wie beispielsweise dem Tantal-Elektrolyt- oder Keramikkondensator wird die Kapazität in Nano-  oder gar Picofarad angegeben. Oben rechts ist das Schaltungssymbol eines Elkos abgebildet. Elkos und auch Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren besitzen im Gegensatz zu Keramikkondensatoren eine Polung. Diese ist in der Schaltung entweder durch die direkte Angabe durch + und - zu erkennen, oder wie in der Darstellung hier, an dem Voll und Hohlstrich, wobei der Hohlstrich Plus ist. Am Teil selbst befindet sich in der Regel auch der Hohlstrich, welcher das Minus angibt. Zum teil besitzen Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren und Elkos auf der Plusseite einen längeren Draht. Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren sind auch häufig bedruckt. Geht daraus nicht eindeutig die Polarität hervor, so liegt der Pluspol in der Regel am rechten Draht mit Blick auf die Beschriftung. Neben der Polarität ist auch die maximale zulässige Voltzahl ein Kriterium bei der Auswahl des geeigneten Kondensators. Auf manchen Elkos sind mitunter zwei Voltangaben zu finden, z.B. 30/35 V. Dabei ist 30 Volt die Maximale Belastung im Betrieb.

Laden und Entladen

  Ladevorgang Entladevorgang

Laden (Kondensator wird über einen Widerstand [siehe Schaltung R1] geladen) :

Wie im dazugehörigem Ladediagramm zu erkennen, ist der Ladestrom zu Beginn des Ladevorgangs sehr hoch und fällt dann mit fortschreitender Ladung zunehmend langsamer ab. Die Spannung steigt zunächst sehr schnell und dann zunehmend langsamer an. Der Ladevorgang ist beendet, wenn die Ladespannung gleich der der Spannungsquelle ist, somit fällt auch der Ladestrom gegen Null.

Entladen (Kondensator wird über einen Widerstand [siehe Schaltung R2] entladen):

Wie im dazugehörigem Ladediagramm zu erkennen, ist der Entladestrom zu Beginn des Entladens am höchsten und fällt mit fortschreitender Entladung zunehmend langsamer ab. Mit der Spannung verhält es sich gleich. Der Kondensator ist entladen, wenn der Ladestrom und die Spannung gegen Null laufen.

 

   Berechnungen (Gleichstrom)

Ladezeit (Bei C = 22 μF und R = 1 kOhm):

Um die Ladezeit eines Kondensators zu bestimmen benötigt man zunächst die Zeitkonstante Tau (τ). Diese wird wie folgt berechnet:

  Einheiten:

Nach der eben berechneten Zeitkonstante (τ) besitzt der Kondensator 63% der Ladespannung.
nach 2
τ   86%
nach 3
τ   95%
nach 4
τ   98%
nach 5
τ   99%... (siehe Ladevorgangkurve)
Theoretisch wird der Kondensator nie voll geladen, jedoch geht man in der Praxis nach 5 Zeitkonstanten von 100% Ladung aus.

Demnach ist der Kondensator nach 110ms geladen.

 

Ladestrom beim Start (bei U = 13,8V, R = 1kOhm):

Die Ladezeit, so wie sie oben berechnet wurde haut allerdings nur dann hin, wenn während des Ladevorgangs auch genügend Strom (A) zur Verfügung steht. Da der Ladestrom zu beginn der Ladung am höchsten ist, reicht es für eine Prüfung diesen zu berechnen.

 

 

Entladezeit:

Um die Entladezeit eines Kondensators zu bestimmen benötigt man wie beim Laden zunächst die Zeitkonstante Tau (τ). Diese wird auch mit der gleichen Formel wie beim Laden berechnet, also:

Ist von dem angeschlossenen Verbraucher der Widerstand nicht bekannt aber stattdessen eine Ampereangabe, so rechnet man zunächst den Wiederstand mittels Ohmsches Gesetz aus:

Hat man nur eine Wattangabe, so berechnet man zunächst die Amperezahl aus:

und dann mit dem Ohmschen Gesetz den Widerstand R. So, damit sollten nun alle Eventualitäten erschlagen sein um die Zeitkonstante Tau (τ) zu ermitteln, aber...
Möchte man die Spannung nach Ablauf einer bestimmten Zeit bestimmen, die nicht durch die Zeitkonstante teilbar ist, so errechnet sich die Spannung wie folgt (U = 13,8V, Zeitkonstante
τ = 22ms, Zeitpunkt t = 8ms):

(e = Eulersche Zahl = 2,71828...)           Onlinerechner

Unter Umständen kann es auch mal nützlich sein zu wissen, nach welcher Entladezeit eine bestimmte Restspannung vorhanden ist. Dies lässt sich so berechnen (Restspannung Uc = 9V):

Onlinerechner

Möchte man z.B. mittels Kondensator ein Relais abfallverzögert schalten lassen, so ist dies zwar theoretisch machbar, doch würde die benötigte Kondensatorkapazität ganz schnell ins unermessliche steigen. Grund ist der relativ hohe Strombedarf der Relaisspule. Sinnvoll ist hier einen Transistor dazwischenzuschalten, da dieser nur einen minimalen Strombedarf hat und somit die benötigte Kapazität des Kondensators überschaubar bleibt. Wie das geht ist hier zu finden: Der Transistor als Schalter. Zum Schutz des Transistors bitte an eine Freilaufdiode denken!
Aber auch die Transistor-Variante hat irgendwo seine Grenzen wenn man größere und insbesondere genaue Zeiten benötigt. Hier sollte man zu einer Schaltung mittels Timer NE555 zurückgreifen.

Die Option Drucken funktioniert erst ab Netscape V4.0 bzw. I-Explorer 5.0 !

[letzte Aktualisierung 16.04.2013]