Modellbahn-Elektrotechnik
Kondensatoren
Kondensatoren sind Spannungsspeicher für den Moment. Als Bauteile warten sie mit einer enormen Vielfalt auf, auch bei der Beschriftung.
Kurz speichern mit Kondensatoren
Der Kondensator ist ein Speicher für elektrische Energie, doch er funktioniert nach einem grundlegend anderen Prinzip als Batterien und Akkus und ist nur für kurzzeitige Spannungsbedarfe zu gebrauchen.
Kondensatoren bestehen aus zwei sich gegenüberstehenden Flächen, den Elektroden. In dieser Konstruktion baut sich zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld auf. Das heißt, beim Anlegen einer Gleichspannung an die beiden Elektroden wird die eine Elektrode positiv aufgeladen, die andere negativ. Dieser Ladevorgang läuft so lange, bis das elektrische Feld im Kondensator dieselbe Spannung erreicht hat wie die Ladespannung.
Wie der Vorgang des Ladens und Entladens abläuft, wird an einem Experiment deutlich.
Steigt die Versorgungsspannung, baut der Kondensator ein stärkeres Feld auf; sinkt sie, schwächt sich auch das Feld im Kondensator ab. Dieses Verhalten lässt sich mit dem Prinzip der kommunizierenden Röhren vergleichen.
Verbindet man die geladenen Elektroden elektrisch miteinander, entsteht ein Stromfluss, den man für den Betrieb eines Verbrauchers nutzen kann.
Der Vorgang des Ladens und Entladens lässt sich durch einen Experimentalaufbau visualisieren (Bild rechts).
- Im ersten Bild ist der Kondensator entladen und es liegt keine externe Spannung an; es passiert selbstverständlich nichts.
- In der nächsten Phase wird die Spannungsversorgung eingeschaltet und durch die linke Lampe fließt ein Strom, der den Kondensator auflädt.
- Dieser Stromfluss bleibt allerdings nur so lange bestehen, bis die Ladespannung des Kondensators den Wert der externen Spannung erreicht hat; danach fließt kein Strom mehr, die Lampen bleiben dunkel.
- Wird der Umschalter umgelegt, ist ein Stromkreis zwischen den Elektroden des Kondensators über die rechte Lampe geschaltet. Der Kondensator entlädt sich über diese Lampe, die externe Stromversorgung hat darauf keinerlei Einfluss mehr.
Hinweis: Zu den Abbildungen gibt es eine animierte PowerPoint-Präsentation, die die Vorgänge noch besser visualisiert. (Physiklehrer dürfen diese Präsentation gern kostenlos für den Unterricht nutzen.)
Kapazität und Farad
Die Möglichkeit, Ladung zu speichern, wird Kapazität genannt und in Farad, abgekürzt F, gemessen.
Eine Kapazität von 1 F ist schon eine ganze Menge, in der Anwendung kommt man meist mit sehr geringen Kapazitäten aus, meist Millionstel Farad oder noch weniger, weshalb auch der Einheit F regelmäßig ein Präfix vorangeht: µF für Mikrofarad und nF für Nanofarad (1 F = 1.000.000 µF = 1.000.000.000 nF) sind die gängigen Größenordnungen für unsere Anwendungen. In Formeln werden Kapazitäten mit dem Buchstaben C bezeichnet.
Die Ladezeit und Entladezeit lässt sich nach einer einfachen Formel berechnen, siehe rechts, wobei ∆U die Differenz der ursprünglichen Spannung des Kondensators zur angelegten Spannung ist, also UB – UC. Ist der Kondensator zu Beginn des Ladevorgangs vollständig entladen, ist ∆U identisch mit der angelegten Spannung.
Vorsicht!
Beim Überschreiten eines Spannungsgrenzwertes schlägt der Kondensator durch und ist nicht mehr zu gebrauchen. Es kann bei größeren Kapazitäten durchaus auch zu Mini-Explosionen kommen! Auf jedem Kondensator neben der Kapazität auch ein Höchstwert für die Spannungsfestigkeit angegeben. Für Modellbahn-Anwendungen sind Sie mit Kondensatoren für 25 V regelmäßig auf der sicheren Seite.
Der Kondensator als frequenzabhängiger Widerstand
Solange ein Kondensator nicht völlig geladen ist, fließt durch ihn ein Strom, um ihn zu laden. Erst wenn er seine Kapazität erreicht hat, sperrt er den Stromfluss und wird damit zum unendlichen Widerstand. (In der Theorie unendlich, denn irgendwelche Leckströme lassen sich in der Praxis nie ganz ausschließen.
Liegt am Kondensator jedoch eine Wechselspannung an, lässt er einen alternierenden Stromfluss zu, weil er immer bestrebt ist, die innere Ladung der außen anliegenden Spannung anzupassen. Er ist somit kein unendlich hoher Widerstand mehr. Je höher die Frequenz des Spannungswechsels, desto geringer ist der kapazitative Widerstand. Er lässt sich nach der nebenstehenden Formel berechnen, in der XC für den kapazitativen Widerstand steht, f für die Frequenz und C für die Kapazität in Farad. Für den Term 2π·f ist in dieser und ähnlichen Formeln auch häufig ein kleines Omega ω zu sehen.
Dynamische Ambivalenz des Kondensators
So ein Kondensator verhält sich ambivalent: Ist er entladen, verhält er sich beim Anlegen einer Spannung wie ein guter Leiter, obwohl zwischen den beiden Elektroden keine elektrische Verbindung besteht. Dennoch findet ein reger Stromfluss statt. In die der negativen Betriebsspannung zugewandte Elektrode (Kathode) fließen Elektronen hinein und die gleiche Anzahl Elektronen wird vom positiven Pol der anderen Elektrode (Anode) abgezogen. Dieser Stromfluss hält so lange an, bis die interne Spannung des Kondensators das Niveau der Betriebsspannung erreicht hat.
Ein geladener Kondensator dagegen verhält sich wie ein Isolator, allerdings nur solange sich die Betriebsspannung nicht ändert. Ändert sich diese, tritt erneut ein Stromfluss auf, dessen Richtung abhängig ist von der Relation der beiden Spannungen zueinander – der Kondensator entlädt sich oder lädt sich weiter auf, bis das neue Niveau der externen Spannung erreicht ist.
Kathode und Anode stellen sich dabei Ihrer Umgebung unterschiedlich dar, abhängig vom Zustand des Kondensators. Wird er geladen, erscheint die Anode negativ, was auf den ersten Blick paradox erscheint, aber es findet ein Quasi-Stromfluss durch den Kondensator statt und die Anode spendet dabei negative Elektronen. Ebenso, aber mit umgekehrten Vorzeichen, sieht es an der Kathode aus: Sie saugt Elektronen vom Minuspol der Betriebsspannung, erscheint nach außen also positiv.
Ist der Kondensator aber geladen, sind ganz eindeutig Anode positiv und Kathode negativ, denn sie besitzen nun das Potential der Betriebsspannung. Auch während des Entladens bleibt diese Zuordnung, denn nun spendet die Kathode Elektronen und die Anode nimmt Elektronen auf.
Dieses Gedankenexperiment bitte ich Sie zu verinnerlichen, denn es ist wichtig zum Verständnis vieler Schaltungen auch im Hobbybereich, bei denen Kondensatoren eine Rolle spielen, speziell bei den Kippschaltungen. Deshalb zum Abschluss noch einmal als Merksätze:
Beim ungeladenen und aufladenden Kondensator wirkt die Anode nach außen negativ und die Kathode positiv.
Beim geladenen und entladenden Kondensator wirkt die Anode nach außen positiv und die Kathode negativ.
Ein geladener Kondensator ist ein unüberwindlicher Widerstand für Gleichstrom – allerdings nur ein geladener! Solange die Spannung im Kondensator sich von der Spannung der an ihn angeschlossenen Bauteile und Versorgungseinrichtungen unterscheidet, findet ein Stromfluss statt, bis der Ausgleich hergestellt ist.
Damit kommt dem Kondensator die Eigenschaft eines temporären Leiters für Gleichstrom zu. Er lässt sich immer dann einsetzen, wenn es darum geht, einen Stromfluss nur kurze Zeit aufrecht zu erhalten, bis zum Abschluss des Ladevorgangs.
Der Kondensator als Bauteil
Kondensatoren geringer Kapazitäten begegnen uns in sehr vielfältigen Bauformen: in Quader‑, Scheiben‑, Zylinder- und Röhrenform. In den Beschreibungen der Kataloge finden sich Bezeichnungen wie Metallpapierkondensator, Keramikkondensator, Plastikkondensator und mehr. Diese Bezeichnungen haben mit dem Material, aus dem der Kondensator gefertigt ist, zu tun.
Die sich gegenüberstehenden Platten kann man an einigen industriegefertigten Kondensatoren noch erkennen, meist sind die Elektroden aber extrem dünne Folien, mit einer isolierenden Schicht, dem Dielektrkum dazwischen aufgewickelt sind und so viel Fläche auf engstem Raum bieten.
Die Größe eines Kondensators ist von der Kapazität abhängig, aber auch vom Typ und von der Spannungsfestigkeit; deshalb gibt die Größe keinen Aufschluss über die Werte.
Den Wert eines Kondensators können Sie in den meisten Fällen im Klartext als Aufdruck ablesen; allerdings sind die Leseregeln etwas gewöhnungsbedürftig und für Einsteiger mehr als verwirrend.
So finden Sie auf Kondensatoren häufig zwei Zahlenangaben, von denen die erste die Kapazität und die zweite die maximale Betriebsspannung angibt. Auf die Angabe von Einheiten wird oft verzichtet; die Hersteller gehen davon aus, dass die Verwender dieser Bauteile fachkundig genug sind.
Fehlt nicht nur das F, sondern auch das Präfix, bezieht sich die Zahlenangabe auf Pikofarad, also 10-12 F. Ein Aufdruck 10000, gefolgt von 250, kennzeichnet einen 10 nF-Kondensator (10.000 pF = 10 nF), der bis zu 250 V verträgt.
Das Präfix ersetzt auf Kondensatoren, deren Wert mit einer Dezimalstelle anzugeben ist, das Komma bzw. den Punkt. Das hat sehr pragmatische Gründe, denn erstens kann das kleine Dezimalzeichen leicht abgekratzt oder übersehen werden, außerdem ist die Verwendung von Punkt und Komma zur Zahlengliederung im angelsächsischen Sprachraum der hiesigen genau entgegengesetzt. Ein Aufdruck 2n2 auf einem Kondensator dagegen weist eindeutig auf einen 2,2 nF-Kondensator hin, ebenso könnte dort aber auch 2200 stehen.
Taucht ein M als Präfix auf, so ist damit eine Million Pikofarad gemeint, also µF. Auf ostasiatischen Prokukten findet man häufig auch ein u für µ.
Es gibt auch Farbcodes, ähnlich wie bei den Widerständen. Bei röhrenförmigen Kondensatoren gilt dieselbe Lesart wie bei den Widerständen. Für scheiben- und quaderförmige Kondensatoren sind die Farben von oben nach unten, also zu den Anschlussdrähten hin abzulesen. Basiswert ist auch hier Pikofarad (pF).
Als Mischform aus Zahlenangabe und Farbcode muss man die „internationale Schreibweise“ sehen. Bei ihr werden zwar Zahlen aufgedruckt, die Nullen aber durch den Exponenten ersetzt, wobei dieser in keiner Weise von den anderen Ziffern zu unterscheiden ist. So bedeutet die Angabe 223 nicht etwa 223 pF, sondern 22000 pF, also 22 nF.
Elektrolyt-Kondensatoren
Für hohe Kapazitäten – dazu zählen jene von 1 µF aufwärts – würden normale Kondensatoren zu voluminös werden. Abhilfe schafft der Elektrolyt-Kondensator, kurz Elko. Bei ihm besitzt das Dielektrikum in Form eines Elektrolyts besondere elektrische Eigenschaften, die zu einer drastischen Steigerung der Kapazität führen.
Der Elektrolyt-Kondensator (Elko) bedarf besonderer Aufmerksamkeit, weil er im Gegensatz zu seinen einfachen Kollegen eine Polarität aufweist, das heißt, einer seiner Anschlüsse muss immer gegen Plus, der andere immer gegen Minus weisen. Ein verpolt angeschlossener Elko hindert nicht nur die Schaltung am Funktionieren, sondern er würde darüber hinaus auch sehr schnell zerstört.
Die Miniaturisierung der elektronischen Schaltungen führte auch bei Kondensatoren zu neuen Techniken, die kleinere Bauteile ermöglichen. Der Tantal-Elko kommt in Form eines ca. 5 bis 10 mm durchmessenden Tropfens daher, deshalb auch Tantal-Perle genannt. Er erreicht die Kapazität eines wesentlichen größeren herkömmlichen Elkos, allerdings nur im Bereich geringer Spannungen. Da auch die Modellbahn-Elektronik mit geringen Betriebsspannungen aufwartet, ist er hier gut einzusetzen, doch aus Kostengründen nur dann zu empfehlen, wenn es wirklich eng wird, also zum Beispiel in elektronischen Schaltungen, die ins Rollmaterial eingebaut werden sollen.
Wahre Speichergiganten sind GoldCap-Elkos, deren Kapazität die herkömmlicher Elkos bei gleicher Größe um einige Zehnerpotenzen übertrifft. Die geringste handelsübliche Kapazität liegt bei 0,1 F und geht bis in vierstelllige Farad-Dimensionen nach oben. Im Modellbahnbereich sind Gold Caps als mittelfristiger Spannungsspeicher zu gebrauchen, denn sie schaffen es, Leuchtdioden mehrere Minuten am Leuchten zu halten, und das bei Gehäusegrößen, die noch zur Unterbringung in Rollmaterial geeignet sind. Typischer Modellbahn-Einsatzzweck für Gold Caps ist deshalb die Zugbeleuchtung, wenn der Zug ohne Fahrspannung im Bahnhof anhält. Auch Gold Caps sind nur für sehr geringe Betriebsspannungen ausgelegt, was aber angesichts unseres Verwendungszwecks als Energiespeicher für Leuchtdioden kein Problem darstellt.
Die Kennzeichnung von Elkos
Die liegende Bauform besitzt an der Plusseite eine rundum laufende Einkerbung, auf der Minusseite einen umlaufenden schwarzen oder weißen Ring.
An der stehenden Bauform finden Sie auf der Seite des Minus-Anschlusses einen über die volle Höhe reichenden Balken; zusätzlich kann das Minuszeichen auch noch angegeben und der Anschlussdraht auf der Plusseite etwas länger sein.
Elkos und GoldCaps tragen ihre Daten in lesbarer Form auf dem Gehäuse, jedoch wird gern auf jeglichen Hinweis zur Zehnerpotenz verzichtet. Da steht dann nur 22/40 und ein Pluszeichen. Letzteres weist den Weg zum Anoden-Anschluss. Die 22 steht für 22 µF. Etwas anderes als µF kommt bei Elkos ja auch gar nicht in Frage. Die zweite Zahl gibt die Spannungsfestigkeit an.
Für die Beschriftung von Tantal-Perlen gibt es abenteuerliche Kodierungen, siehe Grafik und Tabelle oben, gelegentlich aber auch Klartext. Der positive Anschluss ist immer dort, wo der Schutzlack etwas weiter auf den Draht ragt.
SMD-Elkos
der stehenden Form tragen ihre Daten auf der Oberseite. Dabei steht eine Zahlenangabe für die Kapazität in µF.
Die Spannungsfestigkeit erkennen Sie am Kennbuchstaben (siehe Tabelle), wobei sowohl Zahl und Kennbuchstabe unterschiedlich angeordnet sein können. Also 220 µF und 25 V im oberen Beispiel. 100V im zweiten Beispiel steht nicht für 100 Volt, sondern für 100 µF und 35 V.
Die weiteren Angaben (♦) sind herstellerspezifisch.
Die dunkle Markierung gibt an, auf welcher Seite die Kathode zu finden ist.
