Kondensator im Gleichstromkreis
Jeder Kondensator besteht aus zwei metallischen Flächen. Dazwischen liegt ein Isolierstoff, das Dielektrikum. Zwischen den metallischen Flächen kann der Kondensator eine elektrische Ladung speichern.
Ladung: Ladevorgang des Kondensators
Im Einschaltaugenblick springt der Strom von Null auf den Maximalwert. Ab diesem Augenblick wird der Strom nach einer e-Funktion immer kleiner. Die Spannungsquelle zieht die Elektronen der oberen Kondensatorfläche an und drückt sie auf die untere Kondensatorfläche. Bei diesem Vorgang wird der Kondensator aufgeladen. Die Verschiebung der Elektronen erzeugt einen Stromfluss. Das ist der Ladestrom, der sehr hoch ist.
Je länger der Ladevorgang dauert, desto weniger Strom fließt. Die Elektronen auf der oberen Fläche werden weniger. Während der Strom in Richtung Null sinkt, steigt die Spannung von Null auf den Maximalwert. Je größer die Spannung wird, umso größer wird der Widerstand des Kondensators. Ein Kondensator kann nur bis zu einer bestimmten maximalen Spannung aufgeladen werden. Eine höhere Spannung zerstört den Kondensator.
Hat die Kondensatorspannung UC die Ladespannung Uges erreicht, fließt kein Strom mehr und der Kondensatorwiderstand ist unendlich groß. Der Kondensator wirkt wie eine Sperre für den Gleichstrom.
Wenn man das Strommessgerät während des Ladevorgangs beobachtet, so hat es einen kurzzeitigen Ausschlag gegeben, bei dem der Zeiger langsam wieder auf Null zurück gegangen ist. Die Ladung bleibt auch dann erhalten, wenn die Ladespannung Uges entfernt wird. Allerdings entlädt sich der Kondensator trotzdem.
Entladung: Entladevorgang des Kondensators
Der Kondensator wirkt wie eine Spannungsquelle mit einem geringen Innenwiderstand. Ab dem Entladezeitpunkt sinkt die Spannung vom Maximalwert auf Null ab. Der Strom wechselt seine Flussrichtung (Polarität) und sinkt vom Maximalwert auf Null ab. Er fließt also in entgegengesetzter Richtung zum Ladestrom.
Die Spannung UC verhält sich wie der Strom. Sie sinkt vom Maximalwert auf Null. Die Polarität bleibt erhalten. An dem Punkt, wo keine Strom mehr fließt, ist der Kondensator entladen (5 Zeitkonstanten).
Man sollte es vermeiden einen Kondensator zu schnell zu entladen. Zum Beispiel durch einen Kurzschluss. Durch den kurzzeitig sehr hohen Strom können vor allem Kondensatoren mit hoher Kapazität zerstört werden. Kondensatoren sollten immer über einen Widerstand entladen und auch geladen werden.
Wenn man das Strommessgerät während des Entladevorgangs beobachtet, dann kann man einen kurzen Ausschlag des Zeigers erkennen, der allerdings in die gegengesetzte Stromrichtung wirkt und schnell gegen Null zurück geht. Vorsicht bei der Falschpolung von analogen Zeigermessgeräten.
Lade- und Entladezeit des Kondensators berechnen
Um Schaltungen eine zeitliche Komponenten hinzuzufügen werden Kondensatoren über Widerstände geladen und entladen. Zum Berechnen der Lade- bzw. Entladezeit des Kondensators wird der Wert des Widerstands, der den Kondensator auflädt und der Wert des Kondensators benötigt. Die angelegte Spannung hat dabei keinen Einfluss auf die Ladezeit!
Die Aufladung erfolgt umso schneller, je kleiner die Kapazität des Kondensators C und je kleiner der Widerstand R ist.
Die Ladezeit ist nur von den Größen des Kondensators C und des Widerstandes R abhängig. Daher wird das Produkt aus Kondensator C und Widerstand R als Zeitkonstante τ (tau) festgelegt.
Innerhalb jeder Zeitkonstante τ (tau) lädt oder entlädt sich ein Kondensator um 63% der angelegten bzw. geladenen Spannung.
Nach nur 0,69 τ hat ein Kondensator 50% seiner endgültigen bzw. ursprünglichen Spannung erreicht.
Nach 5 Zeitkonstanten ist ein Kondensator fast aufgeladen bzw. fast entladen.
Die Lade- bzw. Entladezeit beträgt 5 τ (tau) bzw. 5 mal Widerstand mal Kapazität.
Möchte man die Höhe der Spannung des Kondensators zu einem bestimmten Lade- bzw. Entladezeitpunktes wissen, dann errechnet man aus der Ladespannung Uges den Prozentwert der Zeitkonstante.
