Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad (F) gemessen. Übliche Kondensatoren haben z.B. einige Nanofarad (1 nF = 0,000 000 001 F) oder Mikrofarad (1 µF = 0,000 001 F). Die Scheibenkondensatoren im Lernpaket verwenden einen keramischen Werkstoff. Sie vertragen hohe Spannungen bis 500 V, haben aber relativ geringe Kapazitäten von 10 nF und 100 nF. Eintausendfach größere Kapazitäten bei geringeren Spannungsgrenzen bieten Elektrolytkondensatoren. Sie enthalten eine leitende Flüssigkeit. Die eigentliche Isolierschicht besteht aus Aluminiumoxid an der Folienoberfläche. Elektrolytkondensatoren dürfen nur in einer Richtung an eine Spannung gelegt werden, da sich ihre Isolierschicht sonst zersetzt.

Energiespeicher

Das Prinzip der Ladung und Entladung eines Kondensators wird hier vorgestellt. Ein Umschalter legt den Kondensator abwechselnd an die Batterie und an den Verbraucher aus Vorwiderstand und LED. Ähnlich wie ein Akku nimmt der Kondensator jedes mal einen gewissen Energiebetrag auf und gibt ihn dann an den Verbraucher wieder ab. Der Vergleich hinkt allerdings in Bezug auf die Anschlussspannung. Ein guter Akku behält während der Entladungszeit relativ lange eine stabile Spannung. Ein Kondensator dagegen gibt nur Ladung ab, wenn sich gleichzeitig seine Spannung verringert.

Laden und Entladen eines Kondensators

Der Umschalter bewirkt je nach Stellung ein Aufladen oder eine Entladung des Kondensators. Der Tastschalter im Lernpaket ist kein Umschalter sondern hat einen einzelnen Schließerkontakt. Für den praktischen Aufbau muss daher der Umschalter durch eine Drahtbrücke ersetzt werden. Bei jeder Entladung des Kondensators sieht man einen deutlichen Lichtblitz an der LED.

Laden und Entladen über eine Drahtbrücke

Der Versuch erlaubt auch eine längere Pause zwischen dem Aufladen und Entladen des Elkos. Die Ladung bleibt einige Stunden lang erhalten. Ein Elko hat eine geringe Selbstentladung, die sich nach längerem Gebrauch im geladenen Zustand noch verringert.

Lange und kurze Zeiten

Die Schaltung nach Abb. 3.3 hilft bei der Untersuchung der Vorgänge beim Entladen. Über den großen Widerstand von 100 kOhm lädt sich der Elko nur langsam auf.

Laden über einen großen Widerstand

Für die Entladung und das Aufladen eines Kondensators über einem ohmschen Widerstand kann man eine Zeitkonstante T = R * C berechnen. In dieser Zeit erreicht der Kondensator bei Aufladen 63 % der Endspannung..

T = R * C
T = 100 µF * 100 kOhm
T = 10 s

Die Zeitkonstante von 10 s bedeutet in diesem Fall, dass man immer etwa 10 s warten sollte, bevor man den Taster betätigt. Die gespeicherte Energie entlädt sich dann in einem LED-Lichtblitz. Drückt man in schnellerer Folge auf den Taster, sind die Blitze entsprechend schwächer, weil der Kondensator nur zu einem geringen Teil geladen wurde.

Versuchsaufbau mit Entladetaster

Die Richtung wechseln

Beim Laden und Entladen ändert sich die Stromrichtung. Mit der Schaltung nach Abb. 3.5 kann daher ein Wechselstrom erzeugt werden. Ein zusätzlicher Widersand erlaubt es, die Spannung über den Schalter kurzzuschließen. Bei geöffnetem Schalter lädt sich der Elko auf, bei geschlossenem Schalter entlädt er sich. Lade- und Entladestrom fließen über die beiden antiparallel geschalteten LEDs und den gemeinsamen Vorwiderstand. Betätigt man den Schalter, treten nacheinander positive und negative Spannungen am Verbraucher auf. Es entsteht also eine Wechselspannung.

Laden und Entladen über zwei LEDs

Im praktischen Versuch sieht man nun bei jedem Drücken und Loslassen des Schalters abwechselnd rote und grüne Lichtblitze. Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ist damit gelungen.

Abwechselnde Lichtblitze

Literatur: Grundwissen Elektronik