Experimente: Laden und Entladen eines Kondensators

Bei der dargestellten Schaltung handelt es sich um ein RC-Glied. Das ist eine Schaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator. Mit diesem Kondensator kommt eine Zeitabhängigkeit in die Schaltung. Zusammen mit einem Widerstand können Vorgänge zeitlich verzögert oder verlängert werden. Typische Anwendungen sind Einschalt- und Ausschaltverzögerungen. Oder das Erzeugen von sich wechselnden Signalen. Zum Beispiel Taktsignalen.

Wir wollen uns diese Zeitabhängigkeit und die Funktion dieser Schaltung, dem RC-Glied, genauer ansehen.

Zur Funktion der Schaltung:

• Der Taster S1 dient zum Aufladen des Kondensators C1.
• Über den Widerstand R1 wird der Kondensator C1 aufgeladen. Beim Laden steigt die Spannung im Kondensator bis zum höchsten Wert an.
• Der Widerstandswert von R1 und die Kapazität von C1 bestimmen wie lange es dauert, bis der Kondensator geladen ist.
• Der Taster S2 dient zum Entladen des Kondensators C1.
• Über den Widerstand R2 und die Leuchtdiode wird der Kondensator entladen.
• Durch die Leuchtdiode kann der Lade- und Entladevorgang sichtbar gemacht werden.
• In dieser Schaltung gilt generell, ein Widerstand in Reihe mit dem Kondensator wirkt auf die Ladezeit, also verzögert den Anstieg der Spannung am Kondensator. Ein Widerstand parallel zum Kondensator wirkt auf die Entladezeit, also verzögert den Abfall der Spannung am Kondensator.

Liste

• S1: Taster
• S2: Taster
• R1: Widerstand, 0 Ohm (Drahtbrücke)
• R2: Widerstand, 5,1 kOhm (Grün-Braun-Schwarz-Braun)
• C1: Elektrolyt-Kondensator, 100 µF
• LED1: Leuchtdiode, rot

Zusätzlich zum Experimentieren:

• Elektrolyt-Kondensator, 10 µF
• Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun-Braun)
• Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot-Braun)

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Taster / Schalter
• Widerstand
• Leuchtdiode (LED)
• Kondensator
• Elektrolyt-Kondensator (Elko)
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Ein Kondensator wird typischerweise über einen Festwiderstand aufgeladen. Die Ladekurve (nicht linear) beginnt bei 0 Volt und nähert sich dem Endwert, hier 9 Volt, an. Diese Spannung hat aber keinen Einfluss auf die Zeit!
In einem RC-Glied ist die Ladezeit nur von den Größen des Kondensators (C) und des Widerstands (R) abhängig. Das Produkt aus Kondensator und Widerstand ist als Zeitkonstante τ (tau) festgelegt. Innerhalb einer Zeitkonstante τ (tau) lädt oder entlädt sich ein Kondensator um 63% der angelegten bzw. geladenen Spannung. Nach 5 Zeitkonstanten gilt ein Kondensator als fast aufgeladen bzw. fast entladen. Die Lade- bzw. Entladezeit beträgt also 5 τ (tau) bzw. 5 mal Widerstand mal Kapazität.

Baue die Schaltung auf und nehme für die Experimente die entsprechenden Änderungen vor. Beachte dabei bitte folgende Hinweise.

• Der Taster S1 dient zum Aufladen des Kondensators. Wenn Du dem Kondensator beim Aufladen „zuschauen“ möchtest, muss der Taster S2 zusätzlich gedrückt oder mit einem Kabel überbrückt sein.
• Der Taster S2 dient zum Entladen des Kondensators. Dafür darf der Taster S1 nicht mehr gedrückt sein.
• Wenn Du in dieser Schaltung den Kondensator gegen einen anderen tauschst, dann kann es sein, dass der neue eine Restladung aufweist, wodurch die Beobachtung verfälscht werden kann. Führe deshalb jedes Experiment (Drücken der Taster) mehrmals hintereinander durch.
• Ein Widerstand von 0 Ohm bedeutet, dass an der Stelle ein Verbindungskabel und kein Widerstand gesteckt werden muss. Ein Verbindungskabel hat nahezu 0 Ohm.

Mit den folgenden Versuchen wollen wir herausfinden, wie sich unterschiedliche Kondensatoren grundsätzlich verhalten und was dabei passiert. Das Leuchtverhalten der Leuchtdiode ist dabei ausschlaggebend.

1. C1: 100 µF, R1: 0 Ohm, R2: 5,1 kOhm, S1: kurz drücken und loslassen, S2: drücken
2. C1: 10 µF, R1: 0 Ohm, R2: 5,1 kOhm, S1: kurz drücken und loslassen, S2: drücken

Mit den folgenden Versuchen wollen wir herausfinden, wie sich die Schaltung bei unterschiedlichen Ladewiderständen verhält.

3. C1: 100 µF, R1: 0 kOhm, R2: 5,1 kOhm, S2: drücken und halten, S1: kurz drücken und loslassen
4. C1: 100 µF, R1: 1 kOhm, R2: 5,1 kOhm, S2: drücken und halten, S1: kurz drücken und loslassen
5. C1: 100 µF, R1: 10 kOhm, R2: 5,1 kOhm, S2: drücken und halten, S1: kurz drücken und loslassen

Mit den folgenden Versuchen wollen wir herausfinden, wie wir das Leuchtverhalten der Leuchtdiode verbessern können.

6. C1: 100 µF, R1: 10 kOhm, R2: 1 kOhm, S2: drücken und halten, S1: kurz drücken und loslassen

1. Durch Drücken von S1 wird C1 aufgeladen. Durch Drücken von S2 wird C1 über die Leuchtdiode entladen. Dabei leuchtet die LED kurz auf und glimmt vergleichsweise langsam aus.
2. Durch Drücken von S1 wird C1 aufgeladen. Durch Drücken von S2 wird C1 über die Leuchtdiode entladen. Dabei leuchtet die LED kurz auf. Allerdings glimmt sie schneller aus.

Fazit: Durch die kleinere Kapazität des Kondensators steht ein geringerer Strom für die Leuchtdiode bereit. Die Leuchtdauer verkürzt sich.

3. Durch Drücken und Halten von S2 wird der entladende Stromkreis aktiviert. Dadurch wird der Ladevorgang sichtbar. Durch Drücken von S1 geht die LED sofort an. Nach dem Loslassen von S1 geht die LED vergleichsweise langsam aus.
4. Durch Drücken und Halten von S2 wird der entladende Stromkreis aktiviert. Durch Drücken von S1 geht die LED nicht sofort an, sondern wird vergleichsweise schnell heller. Aber nicht ganz so hell wie davor. Nach dem Loslassen von S1 geht die LED vergleichsweise langsam aus.
5. Durch Drücken und Halten von S2 wird der entladende Stromkreis aktiviert. Durch Drücken von S1 wird die LED langsam heller. Aber noch weniger hell als davor.

Fazit: Ein Kondensator wird mit Strom geladen. Am Anfang ist dieser Strom sehr hoch, weshalb sein Widerstand sehr klein und die abfallende Spannung auch sehr klein ist. Der Ladestrom wird durch den Widerstand R1 zusätzlich begrenzt. Steigt die Ladung, wird der Ladestrom geringer, der Widerstand des Kondensators größer und somit die abfallende Spannung auch größer. Irgendwann erreicht die Kondensatorspannung eine Schwelle, die für den Entladestromkreis mit der Leuchtdiode groß genug ist, dass die LED zu leuchten beginnt. Ihre Helligkeit ist jedoch vom Strom abhängig, der größer wird je kleiner der Ladestrom des Kondensators wird. Je voller der Kondensator wird, desto mehr Strom bekommt die Leuchtdiode und leuchtet heller.
Je größer der Ladewiderstand R1 ist, desto stärker wird der Ladestrom begrenzt und desto langsamer wird der Kondensator aufgeladen, und desto langsamer wird die LED heller. Aber ein größerer Ladewiderstand begrenzt auch den Strom für die Leuchtdiode.

6. Durch Drücken und Halten von S2 wird der entladende Stromkreis aktiviert. Durch Drücken von S1 wird die LED langsam heller und leuchtet im Endzustand auch heller. Nach dem Loslassen von S2 glimmt die Leuchtdiode schnell aus.

Fazit: Mit dem Entladewiderstand R2 kann man den Strom im Entladestromkreis aktiv beeinflussen. Die Leuchtdiode leuchtet heller, geht aber auch schneller aus.
In dieser Schaltung erfolgt die Entladung durch einen Laststrom. Der Nachteil davon ist, dass die Last, in dieser Schaltung eine LED mit Vorwiderstand, den Laststrom bestimmt. Für Experimente ist das sicherlich in Ordnung. In der Praxis versucht man den Entladestrom vom Laststrom zu entkoppeln. Typischerweise arbeitet man dann mit einer Transistor-Schaltung.