Wie funktioniert ein Kondensator?


Unter den Bauteilen in Elektro plus befindet sich zwar kein Kondensator, aber man hat hier ein vollständiges kleines Elektro-Labor, um auch besondere Bauteile zu untersuchen. Hier sollen Versuche mit den relativ neuen Supercap-Kondensatoren durchgeführt werden. Diese Kondensatoren speichern so viel elektrische Ladung, dass man damit eine Glühlampe für längere Zeit betreiben kann.

Der Supercap als Energiequelle

Im Elektrozauber wird die Funktion des Kondensators erklärt: Zwei isolierte Metallpatten laden sich gegenpolig auf und speichern so elektrische Ladung und damit auch Energie. Die selbst gebauten Kondensatoren speichern allerdings nur wenig Ladung, dafür aber bei hohen elektrischen Spannungen. In einem Supercap stehen sich sehr viel größere Flächen sehr eng gegenüber.

Ein Plattenkondensator

Laden und Entladen

Die Kapazität eines Kondensators misst man in der Einheit Farad (F). Der Name kommt von den großen Forscher Faraday. Lange Zeit gab es nur Kondensatoren, deren Kapazität man in Mikrofarad (Millionstel-Farad) angeben konnte. In letzter Zeit werden immer größere Kapazitäten erreicht. Kondensatoren übernehmen heute Aufgaben, sie bisher von Batterien und Akkus erledigt wurden. Der verwendete Kondensator hat eine Kapazität von 10 Farad und eine erlaubte Ladespannung von 2,3 V.

Der erste Versuch soll die Wirkung des Kondensators zeigen. Beim Aufbau der Schaltung musst du unbedingt die Polung beachten, Plus und Minus dürfen nicht vertauscht werden. Wenn du den linken Schalter schließt, beginnt die Aufladung. Die Spannung steigt langsam an. Bei 2,3 V musst du den linken Schalter öffnen, weil dieser Kondensator keine höheren Spannungen verträgt. Schließe dann den rechten Schalter, nun wird die Lampe allein durch den Kondensator versorgt. Sie leuchtet zuerst normal hell und wird dann langsam schwächer. Insgesamt 2 Minuten lang versorgt der Kondensator die Lampe mit Energie. Das zeigt dieser erste Versuch, aber man kann es auch leicht ausrechnen.

Die Einheit Farad ist so definiert:
Ein Kondensator hat eine Kapazität von einem Farad, wenn sich bei einem Lade- oder Entladestrom von einem Ampere seine Spannung in einer Sekunde um ein Volt ändert. Bei einem Strom von 0,2 Ampere dauert es 50 Sekunden, bis die Spannung des Kondensators mit 10 Farad sich um ein Volt ändert. Eine Änderung um 2 Volt dauert daher bei gleichem Strom 100 Sekunden. Weil die Lampe bei geringerer Spannung weniger Strom braucht, leuchtet sie noch etwas länger. Auch nach 120 Sekunden (zwei Minuten) ist sie noch nicht ganz aus.


Messung der Kapazität

In einem zweiten Versuch soll die Kapazität des Kondensators möglichst genau gemessen werden. Über zwei Lampen mit je 6V/100mA wird er dazu von einer Batterie mit 6 V aufgeladen. Gleichzeitig wird die Stromstärke und die Spannung am Kondensator gemessen. Wie lange dauert es, bis der Kondensator sich auf 2 V aufgeladen hat?

Während der Messung wird auch die Stromstärke abgelesen. Sie beträgt zu Anfang 0,2 A und nimmt wegen der gekrümmten Kennlinie der Lampen nur geringfügig ab. Hier die Messergebnisse des Probeaufbaus: Nach 70 s erreichte der Kondensator eine Spannung von 1 V und die Stromstärke betrug noch 0,18 A. Nach insgesamt 140 s wurden 2 V gemessen, und die Stromstärke betrug 0,16 A. Für die gesamte Ladezeit floss also ein durchschnittlicher Ladestrom von 0,18 A. Nun kann die Kapazität des Kondensators berechnet werden.

Kapazität = Ladezeit * Stromstärke / Spannungsänderung
Kapazität = 140s * 0,18 A / 2V
Kapazität = 12,6 F

Die Kapazität ist also etwas größer als der aufgedruckte Wert von 10 F. Man muss aber beachten, dass gewisse Ungenauigkeiten auch schon beim Ablesen der Messgeräte entstehen. Der Hersteller gibt für den Kondensator mögliche Abweichungen zwischen -10% und +30% an. Das Ergebnis der Messung ist also im Rahmen der Messgenauigkeit korrekt.

Nun kannst du dir überlegen, wozu der Kondensator praktisch eingesetzt werden könnte. Möglich sind kleine, extrem leichte Taschenlampen oder Spielzeuge mit kleinen Elektromotoren. Wie wäre es mit einem Wettbewerb kleiner Spielzeugautos? Wer legt die längste Strecke mit einer Kondensatorladung zurück?

Die Ladungspumpe

Mit Kondensatoren kann man die unterschiedlichsten Aufgaben lösen. Eine übliche Anwendung ist die Erhöhung einer Spannung. Das funktioniert ähnlich wie bei einer Pumpe, die sich erst mit Wasser voll saugt und dieses dann wieder abgibt.

Der Kondensator wird hier zunächst bei geöffnetem Schalter über zwei Lampen aufgeladen. Die beiden Lampen leuchten nach einiger Zeit immer schwächer, die rechte immer heller. Der Kondensator lädt sich bis auf etwa 2,2 V auf. Schließe nun den Schalter. Für einige Zeit leuchten nun alle Lampen mit voller Helligkeit. Vielleicht erscheint es dir zunächst seltsam, dass auch die 6-V-Lampe hell leuchtet. Es funktioniert deshalb, weil durch den geschlossenen Schalter der geladene Kondensator in Reihe zur Batterie gelegt wird. So erhält man für einige Zeit eine Gesamtspannung von über 5 V. Wenn du immer wieder den Schalter öffnest und schließt, wird Ladung aus der Batterie durch die rechte Lampe gepumpt.

Übrigens, Ladungspumpen mit Kondensatoren sind häufig eingesetzte Schaltungen in modernen elektronischen Geräten. Wenn eine höhere Spannung, aber nur relativ wenig Strom benötigt wird, verwendet man gern kleine Kondensatoren und elektronische Schalter mit hoher Schaltfrequenz für kleine Ladungspumpen.