In diesem Kapitel werden Kondensatoren und Spulen behandelt, die in der Elektronik eine wichtige Rolle einnehmen. Beide gibt es in diversen Formen und Größen, die jeweils für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. Kondensatoren und Spulen besitzen im Gegensatz zum Widerstand ein unterschiedliches elektrisches Verhalten beim Einsatz von Gleich – und Wechselspannung. Auf die Wechselwirkung bei Wechselspannung wird aber in diesem Kapitel nicht näher eingegangen, weil sie im Umfeld des Physical Computing eine untergeordnete Rolle spielt.
Kondensator
Kondensatoren werden in Gleichstromkreisen häufig zur Energiespeicherung eingesetzt. Sie bestehen im Grunde aus zwei parallel gegenüberliegenden Leitern. Die anliegende Spannung lädt dabei den Kondensator auf und dieser speichert entsprechend die geladene Spannungsenergie. Dabei muss die angelegte Spanungsquelle nicht mehr vorhanden sein. Der Kondensator selbst kann jetzt als Spannungsquelle eingesetzt werden.
Die Spannungsquelle könnte dabei stellvertretend als Wasserpumpe aufgefasst werden, die Wasser in Richtung des Kondensators pumpt. Der Kondensator wird hier als leeres Gefäß betrachtet, das über die Pumpe gefüllt werden kann. Die Wassermenge im Innerem des Gefäßes erzeugt dabei einen Druck, der stellvertretend für die elektrische Spannung stehen würde. Die folgenden Abbildungen visualisieren den Sachverhalt.
Die linke Pumpe (Spannungsquelle) treibt dabei Wasser durch den Schlauch in das Gefäß (Kondensator) und erzeugt dadurch einen inneren Druck (Spannungsenergie) im Inneren des Gefäßes.
Die obere Visualisierung schematisiert ein volles Gefäß. Das Gefäß wäre hier voll mit Wasser aufgepumpt und könnte kein Wasser mehr aufnehmen. In Anlehnung an den Kondensator wäre dessen Kapazität erschöpft und er wäre voll aufgeladen. Die Spannung des Kondensators wäre identisch mit der der Spannungsquelle. Da sich die Spannungen ausgleichen, fließt jetzt kein Strom mehr.
Der Kondensator kann jetzt selbst zur Spannungsquelle werden, auch wenn die eigentliche Spannungsquelle entfernt werden würde (vgl. Abb. Spannung).
Die Kondensatoraufladung darf die Maximalspannung des Kondensators nicht überschreiten, da das Bauteil sonst beschädigt bzw. explodieren würde.
Neben der Spannung hat ein Kondensator noch einen weiteren charakterisierenden Wert – die Kapazität. Diese gibt an wie viel Ladung der Kondensator speichern könnte (Amperesekunden pro Volt). Die Kapazität wird in Farad (F) angegeben und Werte zwischen wenigen Pikofarad bis zu einigen Millifarad sind üblich. Werte über dieser Grenze gelten als große Kapazitäten. Ein voll aufgeladener 1F Kondensator würde bei einem Volt zum Beispiel für eine Sekunde einen Strom von einem Ampere liefern.
Entsprechend den Widerständen gibt es auch hier sowohl konstante als auch flexibel einstellbare Kondensatoren. Die folgende Abbildung visualisiert und nummeriert dabei konstante gängige Kondensatoren (1-12) und flexibel einstellbare Kondensatoren (13-16).
Kondensatoren leiten keinen Strom bei Gleichstrom. Wird ein Kondensator in einem Gleichstromkreis eingesetzt, so wird der Stromkreis unterbrochen. Es kann kein Strom mehr fließen kann. In Gleichstromkreisen werden Kondensatoren hauptsächlich parallel verschaltet. Die folgende Abbildung des Schaltungssymbols eines Kondensators deuten darauf hin.
Ein Kondensator könnte dabei polarisiert sein. Ein Kondensator, der nicht polarisiert ist, kann unabhängig des anliegenden Spannungspotentials angeschlossen werden. Es spielt also keine Rolle an welcher Seite des Kondensators das positive bzw. das negative Potenzial anliegt. Die Kapazität von nicht polarisierten Kondensatoren ist in der Regel aber deutlich geringer als die des polarisierten. Die folgende Abbildung visualisiert einen nicht polarisierten Kondensator.
Polarisierte Kondensatoren, zu denen die auf der unteren Abbildung visualisierten Elektrolytkondensatoren zählen, weisen in der Regel eine deutlich höhere Kapazitätsaufnahme auf. Die Potentialrichtung muss beim Einbau unbedingt beachtet werden, weil das Bauteil ansonsten beschädigt oder explodieren könnte.
Der obere dargestellte Elektrolytkondensator weist eine Markierung für seine Anschlusspotentiale auf. Die Kathode liegt dabei am negativen und die Anode am positiven Potential an. Um in Schaltplänen zwischen polarisierten und nicht polarisierten Kondensatoren unterscheiden zu können, gibt es für polarisierte Kondensatoren ein eigenes Schaltbild, das die Lager der Polarität des Kondensators im Schaltungsentwurfs angibt.
Spule
In Gleichstromkreisen spielen Spulen keine große Rolle, trotzdem soll in knapper Form auf diese elektrischen Bauelemente eingegangen werden.
Die folgende Abbildung visualisiert eine Spule. Sie besteht aus einem Wickelkörper, um den ein isolierter Draht aufgewickelt wurde.
Entsprechend den Widerstände und den Kondensatoren existieren unterschiedliche Formen und Größen. Die untere Abbildung visualisiert verschieden gängige Spulentypen.
Was macht diese Bauform so besonders? Wieso gibt es ein eigenes Bauteil für aufgewickelte Drähte?
Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt immer ein Magnetfeld, der proportional zur Stromstärke ist. Wird die Stromstärke erhöht, so erhöht sich auch die elektrische Feldstärke. Dieses Magnetfeld ist in der Regel sehr gering, aber immerhin so stark, dass es Auswirkungen auf eine Kompassnadel hätte.
Das Spulenmagnetfeld kann allerdings um ein Vielfaches verstärkt werden durch die Wicklungsart des Drahtes.
Mit Hilfe einer großen Spule wäre es z.B. möglich einen Elektromagneten zu bauen. Der Elektromagnet wäre magnetisch bei Stromfluss und nicht magnetisch, wenn der Strom nicht mehr fließen würde. Besitzen die Spulen einen Eisenstab im Inneren, so kann der Magnetismus nochmals verstärkt werden.
Die obere Abbildung visualisiert zwei Spulen durch denen ein identischer Strom fließt (Reihenschaltung). Die Spule ohne Eisenkern weist ein wesentlich kleineres Magnetfeld auf, als die Spule mit einem Eisenkern bei gleicher Wicklungsart der Spulen.
Die folgende Abbildung visualisiert gängige Schaltzeichensymbole der Spule, wie sie in gängigen Schaltplänen vorkommen.
