Praktische Veranstaltungskunde

Elektrokapazität: Kondensatoren und elektrische Felder

Der Gegenspieler der Induktivitäten ist die Kapazität. Welchen technischen Einfluss nimmt sie in der Veranstaltungstechnik?

PA-Endstufe Kondensatorbatterie
PA-Endstufe Kondensatorbatterie um für Peaks genügend Energie bereit zu halten (Bild: Herbert Bernstädt)

Übersicht:

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Elektrische Feldstärke – formelsprachlich
Etwas analoge Nostalgie
Bauteil Kondensator
Ladevorgang im Kondensator
EVG und Funktion von Schaltnetzteilen
Kondensator-Bauformen
Kondensator-Alterung
Kleiner Elektronik-Appetitanreger


Analog dazu, wie fließender Strom ein Magnetfeld zur Folge hat, baut sich zwischen zwei Potentialunterschieden ein elektrisches Feld auf: Wenn auf einem elektrischen Leiter wie z.B. einer Metallplatte ein Elektronenüberschuss herrscht, und auf einem anderen elektrischen Leiter bzw. einer zweiten Metallplatte deutlich weniger Elektronen – so wie wir es bereits bei der Definition der elektrischen Spannung kennengelernt haben – so besteht zwischen den unterschiedlichen Potentialen auch ein Feld: das elektrische Feld. Es bilden sich also Feldlinien zwischen den unterschiedlich aufgeladenen Platten aus. Die Festlegung der Feldlinienrichtung ist definiert worden mit der Richtung der Kraft, die auf ein positives Teilchen wirkt. Stehen die Platten symmetrisch gegenüber, so ist das Feld direkt zwischen den Platten gleichmäßig verteilt, sprich: es bilden sich Feldlinien mit gleicher Dichte und verlaufen parallel zueinander. Wir sprechen dann von einem homogenen (gleichmäßigen) Feld. Ist der eine Pol statt einer Plattenform als Kugel ausgeführt, so treten die Feldlinien aus der Kugel an der Oberfläche senkrecht aus und beugen sich zum anderen Pol hin. Das Feld ist folglich inhomogen. Ändert sich der Potentialunterschied nicht, so sprechen wir auch von einem statischen Feld. Elektrisch geladene Teile, die sich in einem elektrischen Feld befinden, werden entlang der Feldlinie beschleunigt.

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Elektrische Feldstärke – formelsprachlich

Die elektrische Feldstärke ist ein Maß für die Kraft auf eine Ladung im elektrischen Feld. Daraus folgt die Formel:

E = F ÷ Q

mit
E = Elektrische Feldstärke (Vm-1) Volt pro Meter
F = Kraft (N) Newton
Q = elektrische Ladung (As) Amperesekunde

sowie

E = U ÷ d

mit
E = Elektrische Feldstärke (Vm-1) Volt pro Meter
U = Spannung (V) Volt
d = Plattenabstand (m) Meter

Schaubild: Elektrisches Feld
Elektrisches Feld Zwischen zwei unterschiedlich geladenen Leitern bildet sich ein elektrisches Feld (Bild: Herbert Bernstädt)

Eine Folge davon, dass freie Ladungsträger durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, ist die Influenz. Darunter versteht man, dass in einem elektrisch leitenden Körper, wie z. B. einer Hohlkugel, Ladungsträger verschoben werden und damit die Hohlkugel ebenfalls elektrisch polarisiert wird. Die Stärke der Polarisation wirkt genau dem Feld entgegen.

Die Folge ist, dass das Feld innerhalb der Kugel demnach gleich Null ist.

W = F × s

mit
W = Arbeit (Nm) Newtonmeter
F = Kraft (N) Newton
s = Weg (m) Meter

 

Damit haben wir den Fall des sogenannten „Faradayschen Käfigs“, ähnlich wie ein Auto, weshalb wir im Auto im Gewitter recht sicher vor Verletzungen durch den Blitzschlag geschützt sind. In der täglichen Arbeit begegnet uns dieses Prinzip bei allen Abschirmungen von Leitern, dem Drahtgeflecht zwischen Aderisolation und Leitungsmantel.

Schaubild: Faradayscher Käfig
Faradayscher Käfig Durch Influenz verschieben sich die Ladungsträger entgegengesetzt zum elektrischen Feld. Der Raum dazwischen ist feldfrei. (Bild: Herbert Bernstädt)

Im Gegensatz zu magnetischen Feldern lassen sich elektrische Felder sehr gut abschirmen – so werden auch amtliche EMV-Messungen in abgeschirmten Räumen durchgeführt.

EMV-Messraum mit Abschirmung
Drahtgeflecht zur Abschirmung der Signalleitung

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Etwas analoge Nostalgie

Die moderne Halbleitertechnik hat die Bedeutung der elektrischen Felder aus vielen Bereichen verdrängt. Allerdings war bzw. ist die Beschleunigung der Elektronen durch elektrische Felder die Grundlage der ganzen Röhrentechnik, auf die heute die Halbleitertechnik zurückgreift. So wurden im Fernseher Elektronenstrahlen generiert und entsprechend der Positionierung auf der Phosphorschicht (also der Mattscheibe) hin abgelenkt. Die braun‘sche Röhre als Grundlage auch für Oszilloskope dient heute noch dazu, schnellste Spannungspotentialverschiebungen zeitlich darzustellen. Aufgrund der typischen Eigenschaften findet man heute in hochwertigen Verstärkerschaltungen auch noch Röhren, angewendet für den „warmen, lebendigen“ Klang. Aber auch die Elektrostaten-Lautsprecher basieren auf den Eigenschaften der elektrischen Felder.

Schaubild: Braunsche Röhre
Braunsche Röhre Grundprinzip zur Strahlablenkung (z. B. Oszilloskop):
A: Die Heizspirale emittiert freie Elektronen
B: Der Wehneltzylinder stößt mit seiner negativen Ladung die Elektronen ab, um sie in der Mitte der Bahn zu fokussieren.
C: Das Gitter wird mit Elektronen geladen, um den Strahl zu „dimmen“ bzw. zu verdunkeln.
D: Die Ringanode sorgt mit der positiven Polarität für eine Beschleunigung der Elektronen. Die Höhe der Geschwindigkeit hängt dabei von der  Beschleunigungsspannung und der Entfernung zwischen A und D ab.
E: Der Ablenkkondensator lenkt den Elektronenstrahl entsprechend der Höhe der angelegten Spannung ab.
F: Die Elektronen treffen auf eine Phosphorschicht am luftleeren Kolbenglas, welche dadurch angeregt Licht emittiert.
Bei einem Oszilloskop sorgt ein zweiter Ablenkkondensator für den zeitlichen Verlauf, indem dort eine Sägespannung aufgelegt wird. Der Rücklauf des Lichtstrahls wird durch eine Steuerspannung am Gitter C verdunkelt. Nun kann der zeitliche Verlauf der Spannung, die am Ablenkkondensator E anliegt, sichtbar gemacht werden.
(Bild: Herbert Bernstädt)

Auch Halbleiter nutzen das elektrische Feld, wie z. B. der Feldeffekttransistor. Natürlich hat das Feld auch weiterhin in allen elektronischen Bauteilen einen Einfluss, welchen wir aber dann unter dem Kapitel Kondensator noch genauer betrachten werden.

Aber auch in der Fertigung kommen elektrische Felder zum Einsatz, zum Beispiel beim Galvanisieren oder auch Lackieren, damit die vorher aufgeladenen Pigmente zu den entsprechend geladenen, zu beschichtenden Objekt hingezogen werden. So verhindert man unnötigen Verlust und kommt auch besser an die sonst schlechter erreichbaren Stellen (z. B. um Ecken herum). Nebenbei: mit diesem Verfahren kann auch Staub aus der Luft herausgefiltert werden.

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Bauteil Kondensator

Wie wir aus der Beschreibung des elektrischen Feldes sehen konnten, bewirken zwei gegenüberliegende Metallplatten mit unterschiedlichem Potential ein elektrisches Feld. Dieses Feld speichert Energie analog wie bei der Spule das Magnetfeld, die Kapazität durch den Aufbau des Kondensators festgelegt. Bei Vergrößerung der Plattenoberfläche steht ja auch eine größere Fläche für die Ladungen zur Verfügung. Je näher die Platten gegenüberliegen, desto mehr Ladungsträger ziehen sie auch an, da die gegenüberliegenden Ladungen sich ebenfalls anziehen.

Das elektrische Feld sorgt auch für die Ausrichtung der molekularen Dipole im Dielektrikum, was man dielektrische Polarisation nennt. Je nach isolierendem Stoff kann dadurch noch mehr Ladungen aufgenommen werden, was damit ebenfalls die Kapazität eines Kondensators bestimmt. Das erfolgt wie im Gegenspiel zum magnetischen Feld, bei dem ferromagnetische Materialien Magnetfelder mehr oder weniger gut leiten können. Beim Kondensator ist das Medium zwischen den gegenüberliegenden Belägen (wie z. B. Metallfolien) ein Isolator – genannt Dielektrikum (im einfachsten Fall Luft) – von Bedeutung. Je nach Isolierstoff werden durch die dielektrische Polarisation stoffabhängig eine bestimmte Menge der ursprünglich vorhandenen Kondensatorladung gebunden. Deshalb kann die Kondensatorplatte weitere Ladungen aufnehmen als ohne Dielektrikum. Die Permittivitätszahl (früher Dielektrizitätszahl) gibt das Verhältnis an, wievielmal größer die Kapazität mit dem Stoff anstatt mit Luft wird. Demnach ist ɛr für Luft 1 und z. B. für Hartpapier 4-8, Polysterol 2,5 und Keramik 10-10.000.

Folienkondensator
Metall-Papier Kondensator
Keramik-, Elektrolyt- und Metall-Papier-Kondensatoren

Einmal möchte man die Platten so dicht wie möglich gegenüberlegen um die Kapazität zu erhöhen, auf der anderen Seite sorgt eine hohe Spannung oder zu geringe Isolation für ein Durchschlagen der Spannung durch das Dielektrikum, wodurch der Kondensator zerstört wird. Hier nehmen wir einfach schon mal vorweg: Es gibt auch selbstheilende Kondensatoren. Dort wo der Durchschlag erfolgt, verdampft durch den Kurzschluss am Lichtbogen der dünne Metallbelag in der Umgebung, wodurch sich die Schadstelle selbst wieder isoliert.

 

C = ɛ0 × ɛr × A ÷ d

mit
C = Kapaziät (F=As/V) Farad
A = Plattenoberfläche (m2)
d = Plattenabstand (m)
ɛ0 = Elektrische Feldkonstante = 8,85 * 10-12 As/Vm
ɛr = Permittivitätszahl

und

W = ½ × C × U2

mit
W = Elektrische Energie (Ws) Wattsekunde
C = Kapazität (F=As/V) Farad
U = Spannung (V) Volt

und

Q = C × U

mit
C = Kapaziät (F=As/V) Farad
Q = elektrische Ladung (As) Ampere Sekunden
U = Spannung (V) Volt

und

τ = R × C

mit
C = Kapaziät (F=As/V) Farad
R = Widerstand (Ω) Ohm
τ = Zeitkonstante (s) Sekunden

 

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Ladevorgang im Kondensator

Schließt man den Kondensator an eine Gleichspannung an, so fließt sofort ein Strom, um einen Belag mit Elektronen zu fluten, während am anderen Belag entsprechend Elektronen abgesaugt werden. Dabei baut sich eine Spannung zwischen den Belägen – das elektrische Feld – auf. Mit Anlegen der Spannung folgt ein Anstieg der Spannung bis das Potential der anliegenden Spannung erreicht wird. Mit Erreichen des gleichen Potentials hört auch der Stromfluss auf. Der Kondensator sperrt nach dem Aufladen den Gleichstrom. Die Kapazität, die ein Kondensator aufnimmt, wird mit 1 Farad definiert, wenn er von der Ladung 1 As um 1 V aufgeladen wurde. Umgangssprachlich wird deshalb ein Kondensator auch Kapazität genannt.

Schaubild: Anlegen einer Spannung
Kondensator Beim Anlegen einer Spannung schnellt der Strom kurzschlussmäßig in die Höhe. (Bild: Herbert Bernstädt)

Für das Aufladen benötigt der Kondensator Zeit: Im ersten Moment schießt der Strom in die Höhe um dann immer weiter in einer E-Funktion kleiner zu werden. Dabei wurde 63% als Ladungs- oder Entladungszeit als eine Zeitkonstante Tau τ definiert. Nach fünf Zeiteinheiten ist kaum noch eine Entladung bzw. Aufladung vorhanden, denn nach der E-Funktion nähert sich die Kurve der X-Achse zwar immer weiter an, kommt aber dort nicht zum Erliegen. Die Zeitkonstante τ ist das Produkt aus Widerstand und Kapazität.

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EVG und Funktion von Schaltnetzteilen

Betrachten wir moderne Schaltnetzteile oder elektronische Vorschaltgeräte (EVG), so wissen wir, dass diese für Ihren Zwischenkreis eine hohe Kapazität besitzen. Deshalb betrachtet man auch die elektronischen Vorschaltgeräte und Schaltnetzteile als Kapazitive Last (CLast) im Gegensatz zu den zu den magnetischen Vorschaltgeräten und Transformatoren. Die hohe Kapazität der Schaltung hat – typisch Kondensator eben – zur Folge, dass der Einschaltstrom extrem hoch sein wird. Die Höhe des Einschaltstromes lässt sich zwar durch einen vorgeschalteten Widerstand begrenzen, damit raubt man aber die Eigenschaft, schnell wieder viel Energie in den Zwischenkreis bereit zu stellen zu können, nachdem viel Energie abgerufen wurde.

Schaubild: Grundprinzip eines Schaltnetzteils
Grundprinzip eines Schaltnetzteils Die Kapazität im Zwischenkreis sollte so groß sein, dass genügend Energie gespeichert werden kann, damit immer genügend Spannung für eine konstante Ausgangsspannung vorhanden ist – egal wie stark die Eingangsspannung schwankt. Deshalb können moderne Schaltnetzteile auch Eingangsspannungen im Bereich von 90-240 V gut verarbeiten. Mit dem Zerhacken wird eine höhere Frequenz erzielt, so dass (wie wir von den Induktivitäten bereits wissen) der Transformator sehr klein gehalten werden kann. Dann erfolgt noch einmal ein Gleichrichten und eine Siebung, dann steht die konstante Ausgangsspannung zur Verfügung. Man erkennt durch den hohen C- und den geschrumpften L-Anteil, dass Schaltnetzteile in der Regel kapazitive Lasten sind. (Bild: Herbert Bernstädt)

Nehmen wir an, wir wollen in der Decke des Saales alle Halogenlampen mit LEDs ersetzen. Dann würden beim Anschalten des Putzlichts alle LED-Vorschaltgeräte auf einmal einen hohen Strom ziehen. Deshalb weisen hochwertige elektronische Netzteile – z.B. von Scheinwerfern oder aktiven Lautsprechern – auch von sich aus eine Art Zufallszeitverzögerung auf, damit beim Einschalten mehrere Geräte an einer Phase mit einem Schalter zugeschaltet werden können. Deshalb findet man auch bei einigen Anleitungen den Hinweis, wie viele Geräte dieses Typs an einer Zuleitung maximal angeschlossen werden dürfen, obwohl die Gesamtleistung noch weit unterhalb des Maximalwertes steht. Andere Hersteller geben auch an, um wie viel höher der Einschaltstrom gegenüber dem Betriebsstrom ist und manchmal sogar, wie lange dieser gezogen wird.

Manual
Manual Die Berücksichtigung des Einschaltstromes sollte in jeder Anleitung mit Schaltnetzteilen vorhanden sein (Bild: Herbert Bernstädt)

In der Bühnenmaschinerie lassen sich auch Frequenzumrichter für die Drehzahlregelung der Antriebe finden, welche nach einem sehr ähnlichen Prinzip wie die Schaltnetzteile arbeiten. Nur wird hier im Sekundär-Kreis aus dem Energiespeicher Gleichspannung nun eine neue Wechselspannung entsprechend der gewünschten Frequenz generiert bzw. geschaltet. Bei Frequenzwandlern sind aufgrund der anzuschließenden Maschinen natürlich hohe Energiedichten vorhanden, welche dementsprechend auch von der Umrichterkapazität bewältigt werden müssen. Nun kommt ein weiterer Effekt zum Tragen: Schließen wir den Umrichter wie gewohnt auf unserer Bühne über die Unterverteilung mit Fehlerstromautomaten an, so wird der RCD auslösen, obwohl kein Kriechstrom oder Isolationsleck vorhanden ist. Was ist passiert? Der Kondensator des Umrichters füllt erst einmal seine Kondensatorplatten mit Elektronen. Ein RCD vergleicht den hinfließenden Strom mit dem zurückfließenden Strom. Sind beide Ströme unterschiedlich groß, so wird auf einen Fehler rückgeschlossen – doch dazu an anderer Stelle mehr. Ein RCD mit 30 mA löst dann schon gerne aus, wenn die Elektronen den Kondensator laden, aber so kein Rückfluss von Strom auf der anderen Leitung vorhanden ist. Deshalb findet man in der Anleitung von Umrichtern oft den Hinweis, dass diese nicht über RCD angeschlossen werden sollen.

Frequenzumrichter
Zwei Frequenzumrichter für Prospektzüge RCD vertragen keine Frequenzumrichter wegen des hohen kapazitiven Anteils (Bild: Herbert Bernstädt)

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Kondensator-Bauformen

Kondensatoren gibt es in den verschiedenen Bauformen und Kapazitäten. Ähnlich wie Widerstände mit Ihren Serien E6 oder E12 gibt es auch hier Wertenormierungen von picofarad (pF), das sind 10-12 Farad bis hin zu Microfarad (μF) was 10-6 Farad sind. Die Werte werden oft ohne Einheit angegeben oder können genauso gut als Farbcodierung aufgebracht sein.

Innenleben Röhrenradio
Variable Kapazität Die Platten werden durch Drehung in die Stator-Platten hineingedreht um damit die Kapazität zu ändern. So hatte man einen Schwingkreis auf eine bestimmte Frequenz gedreht (aus einem alten Röhrenradio) (Bild: Herbert Bernstädt)

Weitere wichtige Kennzahlen bei der Wahl von Kondensatoren ist die Nennspannung, die bei 40° C angegeben wird. Hier reichen die Spannungen von 30 bis 1000 V. Der Verlustfaktor wird für 800 Hz oder 1 kHz angegeben und ist natürlich nur bei Wechselspannungen interessant. Auch bei Kondensatoren hat die Umgebungstemperatur Einfluss auf die Kapazität und wird analog (wie bei den Widerständen) mit dem Temperaturkoeffizient angegeben. Vom Prinzip her können Kondensatoren unabhängig von der Polarität und mit Wechselspannung betrieben werden. Nur bei Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren und Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren muss auf die richtige Polung geachtet werden, bzw. dürfen diese nicht mit Wechselspannung betrieben werden. Denn die positive Anode besteht aus einer Aluminiumfolie, auf die eine Oxidschicht aufgebracht wurde. Zusammen mit dem Elektrolyt haben diese Kondensatoren sehr hohe Kapazitäten wegen der sehr dünnen Oxidschicht. Nachteil dabei ist, dass bei falscher Polung die Oxidschicht abgebaut wird und damit der Kondensator zerstört wird, was sich mitunter mit einem lauten Knall kund tut und im Raum kleinste Papierfetzen verteilt heruntersinken. Der Vorteil von Tantal ist zusätzlich die große Temperatur- und Spannungsunabhängigkeit.

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Kondensator-Alterung

Insbesondere Elektrolytkondensatoren unterliegen mit ihrem Elektrolyt schnell einem Alterungsprozess. Bei höherer Temperatur wird der Elektrolyt dünner in der Viskosität und entweicht leichter. Mit höheren Temperaturen steigt der innere Druck, so dass ein Entweichen des Elektrolyten zusätzlich gefördert wird. Wie bei den Halogenlampen kann man sagen, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10°C die Lebensdauer um das Doppelte verringert. Die Erfahrung zeigt, dass das Verlieren eines Arbeitspunkts einer Schaltung oder kurz gesagt das Schaltnetzteil sehr oft im Alter durch die Kapazitätsänderung von Elektrolytkondensatoren stirbt. Oft sind es nicht die LEDs, die den plötzlichen Tod erleiden, sondern der Tod wird durch fehlerhafte Treiberelektroniken verursacht, wenn das Schaltnetzteil nicht selber stirbt. Natürlich gibt es aufgrund dessen auch verschiedene Güteklassen: Für die Güteklasse 85°C/2000 h ergibt sich eine Lebensdauer von 8.000 Stunden bei einer Betriebstemperatur von 65°C.

Jetzt kann sich jeder ausrechnen, wie lange das Bauteil am Leben bleibt bei einem 8-Stunden-Tag und fünf Tagen in der Woche: Da ist nach 3,8 Jahren Schluss, vorausgesetzt andere Einflüsse sorgen nicht für eine schnellere Alterung. Eine Gewährleistung nach VOB (fünf Jahre) ist im Design so nicht zu verantworten.


»Der Tod lauert in der Kondensatorklasse.«

Herbert Bernstädt | über den Alterungsprozess von Kondensatoren


Bei der Güteklasse 105°C/2000 h sind das schon 32.000 Stunden. Noch besser ist die Klasse 105°C/5000 h, welche dann schon 80.000 Stunden erlaubt. Jetzt darf man sich ruhig einmal die Frage stellen, welche Güteklasse von Kondensatoren in welche Art von Geräten eingebaut wird. Wahrscheinlich werden die günstigen Geräte auch die einfachsten Kondensatoren beinhalten. So ist es nicht verwunderlich, wenn nach einem Jahr die ersten LED-Strahler das Zeitliche segnen, egal ob die LED nun eine mittlere Lebensdauer von 50.000 Stunden aufweist oder nicht. Erschwerend kommt hinzu, dass bei vielen Geräte durch die kompakte Bauform im Gehäuse sehr schnell die 65° überschritten werden, weil der Lüfter die heiße Luft auf die Elkos bläst oder der Einsatz unter der Zeltdecke von sich aus schon hohe Umgebungstemperaturen mit sich bringt und die Luftfilter vor dem Lüfter nicht gereinigt werden und kein Luftdurchsatz erfolgt. Der Tod lauert in der Kondensatorklasse.

Umgebungstemperatur

Güteklasse

85°C / 2.000 Std. 105°C / 2.000 Std. 105°C / 5.000 Std.
105°C

 –

2.000 Std. 5.000 Std.
95°C

 –

4.000 Std.

10.000 Std.

85°C

2.000 Std.

8.000 Std.

20.000 Std.

75°C

4.000 Std.

16.000 Std.

40.000 Std.

65°C

8.000 Std.

32.000 Std. 80.000 Std.
55°C

16.000 Std.

64.000 Std.

160.000 Std.

45°C

32.000 Std. 128.000 Std.

320.000 Std.

Übersicht der Güteklassen Bei welcher Temperatur sind wie viele einwandfreie Betriebsstunden zu erwarten?

Benutzt man die Geräte nicht, ist das auch nicht unbedingt gut für das Gerät. Ähnlich wie ein Auto, das versauert wenn es lange steht, haben die Elektrolytkondensatoren (ELKO) auch die Eigenschaft, dass sich die Oxidschicht verändert, wenn kein Strom fließt. So wie man einen Benzinmotor wieder gängig machen kann, so regenerieren sich die ELKOs selbst, wenn sie wieder in Betrieb gehen. Aber nach der langen Pause fließt dann ein sehr hoher Anfangsstrom, der einem Kurzschluss gleicht. Der ELKO erhitzt sich übermäßig und weiterer Elektrolyt geht verloren. Die Lebensdauer verkürzt sich dabei dramatisch. Bei preisgünstigen Typen sollte darum spätestens nach sechs Monaten das Gerät mal eingeschaltet werden, um weiterhin die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Bei guten Kondensatoren sind zwei Jahre Stillstand dagegen kein Problem.


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Grundlagenartikel über Induktivitäten: Weil Induktivitäten sich verspäten 

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Kleiner Elektronik-Appetitanreger

Ein Kondensator C1 wird mit einem Konstantstrom aufgeladen. Der Strom fließt über R4 und P1 zum Kondensator. Die Höhe des Stromes wird durch P1 einstellbar, denn je höher der Strom ist, desto schneller ist der Kondensator mit seiner Spannung auf dem gewünschten Maximalwert angestiegen. Da sich aber mit Änderung der Spannung an C1 auch der Stromfluss zu C1 ändern könnte, wird ein konstanter Stromfluss benötigt, damit die ansteigende Spannung eine Gerade bildet. Dazu wird mit dem Feldeffekttransistor T1 zusammen mit R4 und P1 eine Konstantstromquelle gebildet (über die Funktionsweise einer Konstantstromquelle berichtete PRODUCTION PARTNER in Ausgabe 11|16 in dem Artikel „Noch mehr Widerstand“).

Schaubild: Aufladen eines Kondensators
Anwendungsbeispiel Das Aufladen eines Kondensators wird hier zur Erzeugung einer Sägezahnspannung genutzt (Bild: Herbert Bernstädt)

Wenn nun der Kondensator C1 mittels Konstantstrom bis zur Betriebsspannung aufgeladen ist, was könnte nun den Kondensator dazu bewegen wieder Null Volt anzunehmen, so wie wir es für einen Sägezahn (periodisch wiederkehrend) benötigen? Dazu nutzen wir einen Impuls (a) und steuern damit den Transistor T3 an. Wenn die Basis von T3 mit dem Impuls versorgt wird, ist die Kollektor-Emitter leitend und der Kondensator C1 wird kurzgeschlossen. Der Kondensator wird entladen und die Spannung an C1 ist wieder 0. Der Impuls (a) an Transistor T3 währt nicht lange und eine erneute Aufladung des C1 beginnt. Es entsteht die Sägezahnspannung (c).

Nun betrachten wir einen Sägezahn und rufen uns die obigen Formeln noch einmal ins Gedächtnis. Die Energie, die der Kondensator aufgenommen hat, entspricht der Fläche des Dreiecks: W = (Q × U) ÷ 2. Statt Q setzen wir jetzt C × U ein und schon finden wir unsere obige Formel W = ½ × C × U2 wieder. Jetzt kann man sich auch vorstellen, dass bei Kurzschluss des Kondensators sehr hohe Ströme innerhalb kürzester Zeit fließen können – insbesondere wenn ein Kondensator mit großer Kapazität bei hoher Spannung vorliegt. Kurzschlussströme großer Kapazitäten lassen auch mal einen Gabelschlüssel verdampfen.

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