Kondensator an Wechselspannung
Einleitung
Schließt man einen Kondensator an eine Wechselspannung an, so wird der Kondensator fortwährend periodisch geladen und wieder entladen. Daher fließt auch ständig ein Strom.
Nun gibt es, wie bereits bekannt, verschiedene Formen der Wechselspannung. Die wohl bekannteste ist die Sinusförmige Wechselspannung.
In diesem Artikel wird nun Schritt für Schritt das Verständnis zum Verhalten eines Kondensators an Wechselspannung nähergebracht.
Grundschaltung
Stromstärke
Teilt sich auf
Spannung
Bleibt gleich
Widerstand
Rückblick – Gleichspannung
In einem anderen Artikel wurde bereits ausführlich das Verhalten eines Kondensators an Gleichspannung erklärt.
⇨ Kondensator an Gleichspannung
Da dies die Grundlagen zum Verhalten eines Kondensators bildet, wird hier kurz nochmal darauf eingegangen.
Wird der leere Kondensator an die Gleichspannung angeschlossen, wird dieser anfangs wie ein Kurzschluss. Es fließt ein sehr hoher Strom. Je voller der Kondensator wird, desto niedriger wird der Strom. Bis der Kondensator vollgeladen ist und der Strom auf 0 geht. Der Kondensator wird nun wie eine Unterbrechung
Bei der Entladung des Kondensators, fließt der Strom in die andere Richtung wieder heraus. Dabei ist der Strom ebenfalls anfangs maximal und sinkt dann immer mehr ab, je geringer die Ladung im Kondensator ist.
Rechteckspannung
Beobachtet man eine Rechteckspannung verhält sich diese wie eine Gleichspannung welche ständig umgepolt wird. -> Rechteckspannung
Daher ist das Verhalten eines Kondensators zunächst wie bei Gleichspannung. Es wird schlagartig eine bestimmte Spannung an den Kondensator angelegt (1). Hierdurch fließt ebenfalls schlagartig ein hoher Strom, welcher aber schnell wieder absinkt. Wie eben beim anlegen einer Gleichspannung.
Plötzlich wird die Spannung mit entgegen gesetzter Polarität angelegt (2).
Die Spannungsdifferenz ist nun wieder maximal. Dadurch ist auch der Strom maximal. Der Kondensator wird entgegengesetzt zu seiner Ursprünglichen Ladung geladen. Dadurch gleicht sich die Spannung des Kondensators an die Spannung der Quelle an. Dadurch nimmt die Spannungsdifferenz und so auch die Stromstärke ab. Durch den abnehmenden Strom ändert sich die Spannung am Kondensator auch immer langsamer. Dadurch wiederum nimmt der Strom immer langsamer ab.
Schritt für Schritt
→ Schritt 1
→ Schritt 2
Gestufte Spannung
Um das Verhalten eines Kondensators mit anderen Wechselspannungen zu verstehen, hilft es sich das Verhalten an einer Gestuften Spannung anzuschauen.
Springt die Spannung auf die erste Stufe, verhält sich der Kondensator im ersten Moment wie an Gleichspannung. Der Strom springt auf den Maximalwert. D.h. eine große Menge an Elektronen fließen auf die Platte. Je voller der Kondensator wird, desto weniger Elektronen fließen. Der Strom nimmt ab (2). Folgende wird die Spannung wieder um eine Stufe erhöht (3). Dadurch fließen wieder mehr Elektronen zur Platte. Dieser Vorgang wiederholt sich entsprechend bis zur Spitze (4).
Schlussendlich ergibt sich eine Stromkennlinie welche wie unten gezeigt aussieht. Werden nun die Stufen der Spannung durch eine Gerade ersetzt, wird klar das aus dem Strom-Zick-Zack ein Rechteck wird.
Bei den Abfallenden Stufen passiert das gleiche nur anders rum. Die Spannung sinkt ab und die Elektronen auf der Platte werden abgezogen. Der Strom fließt also in die andere Richtung raus. Beim runterschalten (5) fließt also kurzzeitig viel Strom, welcher dann wieder abnimmt (6). Dann wird die Spannung wieder um eine Stufe herunter geschaltet wodurch schlagartig wieder mehr Elektronen fließen (7). Auch hier wiederholt sich der Vorgang entsprechend.
Ersetzt man hier ebenfalls die Stufung durch eine Gerade, entsteht auch hier ein Rechteck, entsprechend aber natürlich in die negative Richtung.
Dreieckspannung
Nun wird an den Kondensator eine Dreieckspannung angelegt. Konkret bedeutet, dass das die Spannung mit konstanter Steigung ansteigt bis zum positiven Scheitelwert. Dann sinkt sie mit konstantem Gefälle ab.
Wie zuvor, bei der gestuften Spannung ausführlich beschrieben, verhält sich der Strom dann wie ein Rechteck.
Besonders interessant ist es nun wenn man die Frequenz der Dreieckspannung ändert. Bezieht man die Dreieckspannung bzw. derer Frequenzänderung auf die gestufte Spannung, entspricht dies einem ändern der Stufenlänge.
Bei dem höheren der Frequenz entspricht dies dem verkürzen der Stufen. Dadurch sinkt der Strom weniger ab d.h. auch schon bei den Stufen erkennt man das die Verkleinerung der Stufenbreite einen höheren Strom zur Folge hat.
Zusammengefasst kann man auch sagen: Je größer die Spannungsänderung in einer bestimmten Zeit ist, desto höher ist der Strom.
Sinus
Bevor das Verhalten eines Kondensators an einer sinusförmigen Wechselspannung betrachtet wird, soll der Spannungsverlauf bezogen auf Steigung genauer betrachtet werden.
Am Scheitelwert, an den Spitzen der Spannung ist die geringste Spannungsänderung, die geringste Steigung vorhanden.
Deshalb ist der Strom in diesen Punkten 0A (1).
An den Schnittpunkten mit der X-Achse ist die größte Steigung also der größte Spannungsunterschied. Dadurch fließt auch der höchste Strom (I=Max) (2).
Dreieck vs Sinus
Der Vergleich zwischen Dreieck- und Sinusförmiger Wechselspannung, verdeutlicht das Prinzip auch nochmal besser. Der der positiven Halbwelle nimmt die Steigung immer mehr ab. D.h. die Spannung am Kondensator ändert sich immer weniger z.B. am Punkt 4 sieht die Spannung ähnlich wie eine Dreieckspannung aus.
Der Strom sieht entsprechend wie ein Rechteck aus.
Fazit
Schlussendlich steht Strom und Spannung wie im dargestellten Bild aus. Der Strom hat die gleiche Form wie die Spannung ist aber Phasenverschoben. Man soricht davon das der Strom der Spannung voreilt.
Merke: Beim Kondensator eilt der Strom vor.
Bei Induktivitäten ist dieses Verhalten genau andersrum mehr dazu aber im Kapitel zur Spule/Induktivität