Kondensator Laden und Entladen Mindmap

Das Thema verstehen

Beim Laden eines Kondensators über einen Widerstand steigt die Spannung am Kondensator nach einer e-Funktion an, während der Ladestrom abklingt. Beim Entladen über einen Widerstand fällt die Spannung ebenfalls exponentiell. Die Geschwindigkeit beider Vorgänge beschreibt die Zeitkonstante τ = R·C, nach etwa 5τ gilt ein Kondensator in der Praxis als nahezu vollständig geladen oder entladen. Diese Vorgänge sind Grundlage vieler Schaltungen, etwa Blinker, Zeitglieder und Glättungsstufen in Netzteilen.

Ablauf des Ladevorgangs
Schließt man eine Spannungsquelle über einen Widerstand an einen ungeladenen Kondensator an, fließt zunächst ein hoher Strom, begrenzt nur durch den Widerstand. Mit wachsender Ladung auf den Platten steigt die Kondensatorspannung und verringert die treibende Spannungsdifferenz, wodurch der Strom abnimmt. Die Spannung am Kondensator folgt einer e-Funktion und nähert sich der Quellspannung asymptotisch an. Nach der Zeit τ sind etwa 63 Prozent der Quellspannung erreicht, nach etwa 5τ gilt der Kondensator in der Praxis als voll geladen, obwohl der theoretische Endwert erst nach unendlich langer Zeit exakt erreicht wird.

Ablauf des Entladevorgangs
Wird ein geladener Kondensator über einen Widerstand entladen, dient die gespeicherte Feldenergie als Quelle. Der Strom fließt nun in umgekehrter Richtung, und die Spannung fällt exponentiell: Nach einer Zeitkonstante τ sind noch etwa 37 Prozent der Anfangsspannung vorhanden. Die gesamte gespeicherte Energie E = ½·C·U² wird im Widerstand in Wärme umgesetzt. Wichtig ist, dass die Entladung mathematisch nie vollständig abgeschlossen ist; in technischen Zusammenhängen wählt man jedoch etwa 5τ als praktisches Ende. Auch ein als abgeschaltet geltendes Gerät kann Restladung halten, weshalb große Kondensatoren vorsichtig behandelt werden.

Die Zeitkonstante τ
Die Zeitkonstante τ = R·C verbindet Widerstand und Kapazität zu einer charakteristischen Zeit. Sie entspricht der Zeit, nach der beim Laden 63 Prozent bzw. beim Entladen noch 37 Prozent der Spannung erreicht sind. Verdoppelt man den Widerstand oder die Kapazität, verdoppelt sich auch τ, die Vorgänge verlangsamen sich also proportional. Für Vergleiche zwischen verschiedenen RC-Kombinationen ist die Halbwertszeit t½ = τ·ln 2 nützlich, da sie angibt, wann die Spannung auf die Hälfte gefallen ist. In Messprotokollen lässt sich τ aus der Steigung einer logarithmisch aufgetragenen Spannungskurve bestimmen.

Typische Anwendungen und Versuche
Im Schulversuch wird der Lade- und Entladevorgang oft mit einem Elektrolytkondensator, einem Widerstand und einem Spannungsmesser oder Oszilloskop untersucht. Technisch nutzt man RC-Glieder als Zeitglieder, etwa bei Blinkern oder Verzögerungsschaltungen, und zur Glättung der gleichgerichteten Wechselspannung in Netzteilen, wo der Kondensator Spannungseinbrüche überbrückt. Auch in der Sensorik dienen RC-Kombinationen der Tiefpassfilterung. Beim Experimentieren sollte man die Polung von Elektrolytkondensatoren beachten und Entladekondensatoren nicht kurzschließen, da der hohe Strom Komponenten beschädigen kann.