Elektrolytkondensator, Keramikkondensator, Aufbau, Funktion und Beschreibung finden sich auf Leifiphysik, in der Wikipedia. und sehr gut erklärt auch im Elektronik Kompendium.
Praktische Nachbau-Beispiele zur Einführung finden sich auf dieser Webseite zum Beispiel in einer sehr einfachen und anschaulichen Version mit „Kondensator im Gleichstromkreis mit LED“ und insbesondere auch mit der „Widerstandskennlinie und Kapazitätsmessung„, ein Beispiel, das hier weiter ausgeführt und mithilfe des Oszilloskops untersucht werden soll. Die Kapazitätsbestimmung im genannten Beispiel erfolgte über die Bestimmung der Zeitkonstanten der Ladefunktion. Interessant in diesem Zusammenhang ist die Beobachtung des Spannungsverlaufs über den verwendeten Kondensator in der Abbildung durch ein Oszilloskop (Rechtecksignal am Eingang im Vergleich zu Rechtecksignal unter Einfluss eines Kondensators, Aufbau Kapazitätsmessung mit dem Arduino, Modifikation des Sketches sodass der vollständige Lade- bzw. Entladevorgang zu sehen ist).
und als Steckplatinenaufbau mit dem Arduino UNO
Der Versuchsaufbau zur Bestimmung der Kapazität von Kondensatoren bricht den Ladevorgang nach Erreichen von 63% der Maximalspannung – also nach Ablauf der Dauer einer Zeitkonstanten – ab und beginnt unmittelbar mit dem Entladevorgang. Er eignet sich nach einigen Änderungen im Sketch sehr gut zur Darstellung der vollständigen Lade- und der Entladefunktion des zu prüfenden Kondensators. Nach Ablauf der Dauer von 5 Zeitkonstanten kann vom Erreichen des jeweils finalen Spannungswertes ausgegangen werden. Für den Ladevorgang ist dies die Betriebsspannung des Arduino (5 V) und für den Entladevorgang sind es 0 V. Der zur Kapazitätsbestimmung verwendete Sketch zur Bestimmung der Zeitkonstante und damit letztlich der Kapazität kann so verändert werden, dass der Entladevorgang nicht sofort sondern erst mit einer Verzögerung von 5 Zeitkonstanten einsetzt (also 4 weiteren Zeitkonstanten) und zusätzlich für 5 entladungsspezifische Zeitkonstanten (unter Berücksichtigung des Wertes des Entladewiderstandes) andauert.
a) Was sind die Ursacnhe für die Unterschiede der Zeitkonstanten in dem ursprünglichen Aufbau?
b) Woran lässt sich verifizieren, dass der Kondensator vollständig geladen wurde?
Der ursprüngliche Aufbau enthält einen kleinen Entladewiderstand (220 Ω).
c) Wie lässt sich die grafische Darstellung des Entladevorgangs beschreiben.
d) Warum ist auch der Wert des Entladewiderstandes für die korrekte Wiedergabe und Interpretation des entscheidend? Wie ändert sich die grafische Darstellung, wenn Ladewiderstand und Entladewiderstand den gleichen Widerstandswert besitzen?
Hauptaufgabe vor allem von Elektrolytkondensatoren, die meist eine deutlich höhere Kapazität als Keramik-, Kunststoff- oder Tantaltransistoren besitzen, ist die Spannungsstabilisierung. Keramikkondensatoren und ihre Geschwister spielen ihre Stärken eher im Zusammenhang mit Filtern (Hochpass / Tiefpass) in der Elektrotechnik aus.
In „Verifikation eines Spannungsreglers“ wurden die stabilisierenden Effekte großer Kapazitäten schon eingehend betrachtet, darum hier nur ein kruzer Abriss der ersten Stufe von der Wechselspannung zur Versorgungsspannung von IT-Systemen.
Spannungsstabilisierung in der Stromversorgung
In der heimatlichen Steckdose stecken 230 für IT-Systeme vollkommen unverträgliche Volt – und das auch noch als Wechselspannung. Die neuesten Normen sehen eine Umformung in einheitliche 12 V für den internen Gebrauch in IT-Systemen vor, die dann lokal bedarfsgerecht über Spannungswandler in die jeweils benötigten Spannungen gewandelt werden (siehe oben verlinkter Artikel). Generell muss in einem ersten Schritt die gefährliche Spannung von 230 V in eine Spannung von etwa 12 V transformiert werden. Viele Wege führen nach Rom in diesem Beispiel erledigt das ein Wechselspannungssteckernetzteil. Ein Brückengleichrichter macht aus der zappeligen Wechselspannung eine gepulste Gleichspannung. Falsche Polarität von Spannung ist ein echter Letalfaktor für IT-Elektronik.
Links die Steckdose mit den 230 V, die der Transformator im Steckernetzteil in verträglichere 12 V Wechselspannung mindert. Unbelastet ist die am Ausgang des Transformator messbare Spannung üblicherweise etwas höher als im Belastungsfall.Viele Angaben auf dem Handoszilloskop verwirren zunächst:
Behauptet es doch eine Vpp – also eine Peak to Peak-Spannung von beinahe 41 V. Die Effektivspannung (VRMS) zeigt jedoch die für das weitere Geschehen relevante Spannung von 15 V an. Es bleibt aber Fakt: Es treten Spitzenspannungen auf, denen das kleine Handoszilloskop nicht lange widerstehen kann / wird. Zum Glück hat ein netter Ingenieur den Spannungsteiler erfunden, der eine beliebige Teilung = Minderung der Spannungen speziell zum Messen ermöglicht. Der obige Schaltplan zeigt die Verwendung eines Spannungsteiler zur Messung mit dem Oszilloskop. Zunächst ist allerdings kein Kondensator und kein Brückengleichrichter eingebaut. Es ergibt sich das im Display des Handoszilloskops gezeigte Bild. Die niedrige Spannung ist gefahrlos auf in einer Steckplatine verwendbar. Dort wandelt sie ein Brückengleichrichter (keine Angst, es handelt sich um ein einzelnes, diskretes Bauteil) in eine gepulste Gleichspannung um.
Wird zunächst der Brückengleichrichter eingebaut stellt sich der Spannungsverlauf wie folgt dar:
Hier ist als Messmodus „AC“= alternating current also Wechselstrom eingestellt. In diesem Fall sind sowohl DC als auch AC nutzbar. Die Lage der Grafik im Display ändert sich nur.
Dies beschreibt nun die Ausgangslage und Aufgabe für den zwischen der positiven und negativen Leitung einzusetzenden Kondensator. Der weiße Streifen auf dem Elektrolytkondensator gibt dabei das Beinchen an, das mit der (-)-Leitung verbunden werden will. Wenn nicht, platzt dem Kondensator gerne mal der Kragen. Richtig eingebaut domptiert er die heftig oszillierende Gleichspannung aber auf ein sehr viel erträglicheres Maß.
Hier lohnt ein Blick auf den geänderten Spannungsbereich, den das Oszilloskop für die Anzeige erhalten muss. An die Stelle von 2 V treten nun 0,1 V. Der Abstand von Spitze zu Spitze schrumpft von 9,57 V auf 0,13 V. Die Qualität der Ausgangsspannung hat sich also ganz entscheidend durch die Verwendung des Kondensators verbessert.
Spannend bleiben Fragen wie:
Welchen Einfluss besitzt die Kapazität des verwendeten Kondensators auf die Glättung der Ausgangsspannung? Da kann man den Einfluss von Kondensatoren von 10 nF bis mehr als 200 µF testen. Warum einen teureren (größeren) Kondensator verwenden als nötig?
Für eine kompetente Bewertung braucht es aber zunächst einen sicheren Umgang mit dem Oszilloskop und eine kompetente Interpretation der Anzeige.
In Vorbereitung:
Kondensatoren und bei Überlastung deren Überreste finden sich in vielen Schrittmotorsteuerung und hier insbesondere in der Nähe von Schrittmotortreibern. Wie wirken sie sich beim RAMPS oder bei einem CNC-Shield für den Arduino aus? Mit einem Arduino lässt sich bekanntlich beinahe alles steuern und schalten. Wie verhält sich die Versorgungsspannung, wenn ein Schrittmotortreiber die hohen Ströme (0,7 A – 2 A bei 12 V bis 36 V) eines Schrittmotors schaltet?
In den kommenden Tagen werden hier noch viele Abbildungen und erläuterungen ergänzt. Wiederkommen lohnt sich bestimmt.