Wozu dient ein Kondensator genau?
Ich weiß dass ein Kondensator Ladungen speichert, aber wozu ist das gut, d.h. welchen Effekt möchte man damit erzielen? Und was ist der Ansatz für die theoretische Herleitung der Formel? Danke im Voraus
5 Antworten
Ein Kondensator ist ein Spannungsspeicher. Ändert man die Spannung am Kondensator, so wird er entweder Ladung aufnehmen oder abgeben.
Es gibt sehr viele Anwendungen:
1) "Siebung". Die Netzwechselspannung ist ein Sinussignal. 100 mal pro Sekunde hat man einen Nulldurchgang wo keine Spannung anliegt. Bei einem einfachen Gleichrichten erhält man eine pulsierende Gleichspannung. Eine Stereoanlage würde um ein vielfaches lauter brummen als die Musik macht. Auch ein Computer könnte nicht funktionieren weil es ja 100x pro Sekunde "Stromausfall" gibt.
Schaltet man einen Kondensator parallel zum Ausgnag des Gleichrichters, so lädt der sich auf wenn gerade ein Impuls der Netzspannung kommt und entlädt sich wärend der Nulldurchgänge. So überbrückt der Kondensator die Pausen und das Sytsem wird Lückenlos mit Strom versorgt.
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2) Glättung von Spannungen. Ein Spannungsregler hat nur eine begrenzte Reaktionszeit. Steigt die Last sprunghaft an, so dauert es bis der Regler sich anpasst. Dann kommt es zu einer Unterspannung. Ist die Last plötzlich weg, so dauert es bis der Regler wieder schließt und die Spannung schnellt nach oben. Ein Kondensator dämpft die Spannungsänderung und gibt dem regler mehr Zeit zu reagieren ohne dass sich die Spannung deutlich ändert.
Gibt es plötzlich viel mehr Last, so sinkt die Spannung wodurch der Kondensator Ladung abgiebt und so versorgt er die Schaltung bis der Regler sich anpasst. Umgekehrt nimmt der Kondensator Ladung auf, belastet also die Spannung wenn diese versucht nach oben zu gehen wenn die Last plötzlich fehlt.
Da ein Computer getaktet arbeitet und bei jedem Takt eine Immense Leistung benötigt wird wärend zwischen den Takten aber nur sehr wenig Leistung gebraucht wird, sitzen auf einem PC Board unzählige Kondensatoren um diese Lastschwankungen auszugleichen.
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3) Zeitglied. Je nach Größe des Kondensators und dem Ladestrom, dauert es länger oder kürzer bis der Kondensator sich auf eine bestimmte Spannung aufgeladen hat. Diese Spannung kann man als Umschaltkriterium auffassen. So kann man z.B. ein Blinklicht bauen. Solange der Kondensator eine geringe Spannung hat, brennt das eine Licht und wenn der Kondensator geladen ist, wird umgeschaltet. Dann brennt das andere Licht wärend der Kondensator entladen wird. Ist er "leer", so wird wieder umgeschaltet und das Spielchen beginnt von neuem.
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4) Oszillatoren. Das Gegenteil eines Spannungsspeichers (Kondensator) ist ein Stromspeicher (Spule). Schaltet man einen kondensator mit einer Spule zusammen, so kommt es zu einer oszillation (Schwingung). Das funktioniert wie eine Schaukel wo der Kondensator die Höhenenergie und die Spuhle den Schwung der Schaukel darstellt. Höhe und Schwung wechseln sich ständig ab. Am höchsten Punkt der Schaukelbewegung gibt es keinen Schwung. Am tiefsten punkt gibt es den meisten Schwung.
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5) Frequenzabhängige Dämpfung. Ein Kondensator lädt sich mit einer e-Funktion auf. Je stärker er geladen ist, desto langsammer lädt er auf. Denn je mehr der Kondensator sich an die Spannungsquelle angenähert hat, desto geringer ist die Spannungsdifferenz die ja den ladestrom treibt.
Gibt man eine Frequenz drauf, so lädt und entlädt man den kondensator abwechselnd. Je höher die Frequenz, desto weniger Zeit gibt man den Kondensator sich an die momentan anliegende Spannung anzugleichen. Damit ist die Spannungsdifferenz zwischen Signal und Kondensator groß und es fließt ein starker Strom. Ist die Frequenz niedrig, so ist die Spannungsdifferenz sehr klein wodurch nur ein geringer Strom fliessen kann. Das Klangregelnetzwerk klassischer Radios funktioniert so. Um die höhen zu betonen werden den Bässen Kondensatoren in den Weg gelegt. Um die Bässe zu betonen lässt man die Höhen durch Kondensatoren nach Masse abfliessen.
6) Kopplung von Signalen mit Gleichstromsperre. Auf der Mikrofonbuchse im PC liegt eine Gleichspannung an um den im mikrofon eingebauten verstärker mit Strom zu versorgen. Die Soundkarte an sich darf diese Spannung nicht abkriegen. Also muss man die Gleichspannung entfernen. Legt man einen kondensator in Reihe, lädt der sich mit der Gleichspannung auf und verhindert dass weiterer Strom fliessen kann. Die Gleichspannung kann also nicht durch den kondensator (wenn der erst mal aufgeladen ist). Die Wechselspannung des Sprechsignals ist aber eine stetige Änderung der Spannung und die kann passieren da diese einen Strom durch den kondensator treiben kann.
Ladungen speichern ist nur eine Anwendung des Kondensators. Der theoretische Ansatz für die Formel "Q=C*U", besteht (vereinfacht dargestellt) darin, dass scheinbar im Augenblick des Anlegens einer Gleichspannung ein Strom durch den Kondensator fließt, was ja aber gar nicht möglich ist, da ja keine elektrische Verbindung besteht (die "Platten" eines Kondensators berühren sich ja nicht!).
Man kann sich das bildlich so vorstellen, dass die eine Platte mit Ladungsträgern vollgepumpt wird, während sie der anderen abgesaugt werden. Bei Kondensatoren mit geringer Kapazität sind es wenige und bei Kondensatoren mit hoher Kapazität viele Ladungsträger.
Dieser Zustand bleibt auch nach dem Abklemmen der Spannungsquelle bestehen und kann dann, wenn man die Anschlussdrähte des Kondensators mit einem Leiter (z. B. eine Glühlampe etc.) verbindet, sozusagen umgekehrt werden. Der Kondensator entlädt sich über den Leiter (die Glühlampe), die Ladungsträger der vollgepumpten Platte fließen zur leergesaugten und es findet wieder ein Ausgleich statt, deshalb leuchtet die Glühlampe kurze Zeit und wird dann allmählich dunkler.
Weitere Eigenschaften des Kondensators sind:
Frequenzabhängigkeit. Ein Kondensator stellt für hohe Frequenzen (genauer für Wechselspannungen/ströme mit hoher Frequenz) einen geringeren Widerstand dar, als für niedrige.
Zeitverschiebung/verzögerung durch Phasenverschiebung. Ein durch einen Kondensator fließender Wechselstrom erscheint in seinem Spannungsverlauf hinter dem Kondensator zeitlich verschoben.
Messwertaufnehmer, sogenannte "Sensoren", z. B. in den "schicken" iPads und iPods von Apple für die Touchscreens.
usw.
Ich weiß, dass alle meine Ausführungen wissenschaftlich gesehen sehr grob vereinfacht sind, aber ich glaube, dass sie als Einstieg zu gebrauchen sind.
Mithilfe eines Kondensators kann man verschiedenste Dinge machen, mann kann z.B. einen Wechselrichter bauen, also das Gegenteil eines Gleichrichters, damit kann man dann aus Gleichstrom Wechselstrom machen. Man könnte mit Kondensatroen auch eine Fernbedienung betreiben, müsst man halt dann nur öfters mal aufladen.
Man kann ihn aber auch als Widerstand für Niederfrequenzen benutzen, da er einen umso größeren Widerstand hat um so geringer die Frequenz ist.
Man kann mit Kondensatoren dafür sorgen das die ströme der Spannung bei Wechselströmen voreilen
Das ist übersichtlicher
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0205141.htm
Rainer