Spannung messen: Kondensator laden

Kondensatoren sind Bauelemente, die eine elektrische Ladung bzw. elektrische Energie speichern können. Legt man an einen Kondensator eine Spannung an, dann lädt er sich auf. Die Ladung bis zur anliegenden Spannung erfolgt aber nicht sofort, sondern ist zeitabhängig, wodurch sich zeitabhängige Funktionen in einer elektronischen Schaltung realisieren lassen.

Um die Funktion des Ladens eines Kondensators zu verstehen, müsste man dem Kondensator beim Laden zuschauen können. Wir wollen uns hier das Laden eines Kondensators genauer ansehen. Man kann das über die Beobachtung von Spannung oder Strom tun. Wir messen und beobachten hier die Ladespannung eines Kondensators.

Wie schnell ein Kondensator aufgeladen wird, hängt von einem Widerstand ab, der den Strom begrenzt. Wir wollen also auch herausfinden, wie sich ein Widerstand auf das Ladeverhalten auswirkt.

Liste

• 1 x Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun)
• 1 x Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot)
• 1 x Widerstand, 100 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Orange)
• 3 x Taster
• 3 x Elektrolyt-Kondensator, 100 µF

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

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

• Um alle Werte direkt miteinander vergleichen zu können, empfiehlt es sich mit drei Messgeräten gleichzeitig zu arbeiten und alle Taster gleichzeitig zu drücken. Du kannst die Taster auch weglassen und den Ladevorgang über das Einschalten der Betriebsspannung starten.
• Um den Vorgang zu wiederholen, kann der Kondensator über das Messgerät oder einen Widerstand entladen werden. Hierzu sollte der Taster gelöst oder die Betriebsspannung abgeschaltet sein.

Was messen wir? Wir messen die Spannung an den Kondensatoren beim Laden. Das heißt, der Wert ändert sich. Aber nur der Spannungswert am Ende des Ladevorgangs, wenn der Wert sich nicht mehr ändert, wird in der Tabelle dokumentiert. Der Ladevorgang ist abgeschlossen, wenn die gemessene Spannung nicht mehr weiter steigt.

Was erwarten wir? Das Laden eines Kondensators direkt an der Betriebsspannung erfolgt vergleichsweise schnell, wenn der Ladestrom nicht begrenzt wird. Der Ladestrom wird hier durch einen Widerstand begrenzt. Das heißt, der Ladezustand, repräsentiert durch die anliegende Spannung, erfolgt verzögert. So zumindest die Theorie. Das heißt, wir haben unterschiedlich schnell steigende Ladespannungen am Kondensator zu erwarten, die irgendwann die Betriebsspannung erreichen sollte.

• Messung mit Mini-Voltmeter
• Messung der Gesamtspannung (9 Volt): 8,80 Volt

Wir können zwei Dinge beobachten. Einmal werden die drei gleichen Kondensatoren unterschiedlich schnell aufgeladen. Das sieht man daran, dass die Spannungswerte unterschiedlich schnell steigen. Wie schnell sich der Kondensator C1 auflädt hängt vom Widerstand R1 ab. Offensichtlich erfolgt das Aufladen mit einem kleineren Widerstand schneller.

Die Idee ist, dass ein entladener Kondensator beim Aufladen eine Spannung von 0 Volt hat und über die Zeit des Ladens bis auf die Maximalspannung geladen wird. In diesem Fall die Gesamtspannung von ungefähr 9 Volt.

Die zweite Beobachtung ist aber, dass das nicht immer der Fall ist. Denn mit größerem Widerstand wird die Differenz zur vollen Gesamtspannung von etwa 9 Volt größer. Das ist dem Umstand geschuldet, dass das verwendete Messgerät einen vergleichsweise kleinen Innenwiderstand hat, weshalb sich die Gesamtspannung am Ladewiderstand und am Messgerät aufteilt. Das heißt, die Ladespannung am Kondensator wird durch den parallel liegenden Innenwiderstand des Messgeräts bestimmt. Bei der Parallelschaltung von Widerständen ist der Gesamtwiderstand kleiner als der kleinste Teilwiderstand. Je mehr ein Kondensator geladen ist, desto größer wird dessen Widerstand. Aber, desto mehr Einfluss hat dann auch der Innenwiderstand des Messgeräts.

Diese Messung verdeutlicht, dass die Spannungsmessung an einem Kondensator dazu führen kann, dass sich das Spannungsverhältnis durch das Messgerät verändern kann. Das Messergebnis wäre ohne Spannungsmessung ein anderes. Das verfälschte Messergebnis kann zu einer Fehlinterpretation führen.
Viel schlimmer ist aber, dass man mit einer solchen Messung (Spannungsmessung an einem Kondensator im laufenden Betrieb) eine Fehlfunktion der Schaltung auslösen kann, wenn an dem Kondensator eine bestimmte Spannung sein sollte, aber durch das Messgerät verringert wird.

Führe die Messung mit anderen Kondensatoren durch. Zum Beispiel mit 1 µF und/oder 10 µF.