Veranschaulichung einer Elko-Ladung (Exkurs für Elektronikinteressierte ;-)

[Ando]

Der aus dem Minolta Auto 132X ausgebaute und entladene Blitzelko fasziniert mich.



Siehe auch:

„Minolta Auto 132X: Sektion“

https://www.digicamclub.de/showthread.php?t=26717


Ich überlege, was ich damit - Ungefährliches - anstellen kann.

Zum Aufladen steht mir mein Labornetzgerät mit maximal 20 VDC (= Volt Gleichstrom)Ausgangsspannung zur Verfügung.

Das sollte eine noch ungefährliche Spannung sein.


Die Nennspannung des Elko beträgt 350 VDC.

Den Elko auf eine so hohe Spannung aufzuladen, ist nichts mehr für Versuche, sondern gefährlich!


Leuchtet die LED?

Mich interessiert, wie weit ich mit der erzielbaren Ladung komme.

Eine gute Vergleichsmöglichkeit - weil gewohnt - bietet eine LED.

Kann ich mit einer Ladung von

Q = C * U [Coulomb]

Q = 800 uF * 20 V

Q = 16 Millicoulomb


eine LED zum Leuchten bringen?

Das sollte funktionieren.

Denn die 16 Millicoulomb entsprechen immerhin 16 Milliampere, wenn sie in 1 Sekunde durch die LED fließen.

Das ergibt 1 Sekunde lang helles Leuchten.

Beschränke ich den Strom durch die LED auf 5 Milliampere, leuchtet die LED schwach, aber dafür länger, nämlich 3,2 Sekunden.


Die Spannung bändigen

Jetzt ist es beim Entladen eines Kondensators aber so, dass zu Beginn der meiste Strom fließt und die Spannung des Kondensators dabei rasch abnimmt.

Da meine LED nur 2 Volt verträgt, würden sie alles darüber an Spannung überfordern und ins elektronische Jenseits befördern ;-) Denn der Elko ist ja auf 20 VDC geladen.

Daher muss die Spannung für die LED geregelt werden. Nämlich so, dass sie maximal das an Spannung erhält, was ihr bekommt.

Am einfachsten sollte das mit einer Zenerdiode funktionieren, die hier 3 Volt Ausgangsspannung liefert und damit die LED passend versorgt.

Die LED bekommt noch einen Vorwiderstand, der die Eingangsspannung von 3 auf 2 Volt reduziert.


Eine Schaltung für die LED

Hier eine einfache Schaltung dafür, die in der Schaltungsimulation funktioniert:




(Simulation mit https://everycircuit.com/ )

• Links das Labornetzteil als Spannungsquelle mit 20 VDC.
• Über einen Schalter und einen Widerstand wird der Elko geladen. Das dauert 4 Sekunden.
• Über einen zweiten Schalter entlädt der Elko über einen Spannungsteiler mit Zenerdiode.
• Die Ausgangsspannung des Teilers versorgt schließlich die LED, die ca. 4 Sekunden abfallend leuchtet.
• Der Widerstand im Spannungsteiler ist so gewählt, dass durch die Zenerdiode kein Strom abfließt, der für die LED bleibt. Denn es ist ja nur die begrenzte Ladung des Elkos vorhanden.

Hier die Berechnungen dazu:




Aufladen des Elko




Spannungsbegrenzung mit Zenerdiode

(Berechnungen mit EE-ToolKit Pro https://ee-toolkit.com/ )

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Dabei interessieren mich folgende Fragen:

1. Kann ich die Ladung des Elkos so schalten, dass die LED gleichmäßig leuchtet und dann verlöscht? Also dass die LED von der Entladekurve herunterkommt und ein gleichmäßiger Strom fließt?
2. Abgesehen von einer LED - mit welcher Last könnte die Ladung des Elko ebenso anschaulich demonstriert werden? Ich möchte ein besseres Gefühl für Ladungswerte bekommen. Elkos sind ja zB in den Minolta-X-Kameras prominent vertreten.

[waldbeutler]

Hallo Andreas!

Kann ich die Ladung des Elkos so schalten, dass die LED gleichmäßig leuchtet und dann verlöscht?

Am einfachsten und billigsten geht das mit einem Festspannungsregler für 5 Volt, die gibt es wie Sand am Meer für ganz wenig Geld.
Sehen aus wie Transistoren mit drei Beinen:
Eingang > 5 < 30 Volt DC.
Masse / ground.
Ausgang + 5 Volt DC.
Vom Ausgang einen Widerstand zur LED legen, der so bemessen wird, dass die maximale Strombelastbarkeit der LED bei 5 Volt nicht überschritten wird.

Aufwändigere Methode: Eine Konstantstromquelle besorgen (so was gibt es wahrscheinlich auch schon in Drei-Beine-Bauform) oder selbst basteln, und die auf die maximale Strombelastbarkeit der LED einstellen.

[Ando]

Nimmt der Spannungsregler von meinen 17 Millicoulomb nicht einiges an Energie weg?

Immerhin ist das eine miniaturisierte Schaltung, die von der Ladung passiert werden muss auf dem Weg zur LED.

Dh für die Passage wird Spannung benötigt, damit entsteht Verlustleistung und es kommen zwar die Elektronen bei der LED an, aber an der LED liegt weniger Spannung. Somit leuchtet sie weniger hell.

Festspannungsregler wären damit eher bei konstanter Spannungsversorgung geeignet?

[waldbeutler]

Der Spannungsregler (ist ein Längsregler) nimmt eher weniger weg als deine aktuelle Schaltung mit Vorwiderstand, Z-Diode und Strombegrenzer-Widerstand vor der LED.

[Ando]

Der Spannungsregler (ist ein Längsregler) nimmt eher weniger weg als deine aktuelle Schaltung mit Vorwiderstand, Z-Diode und Strombegrenzer-Widerstand vor der LED.

Wie lässt sich die Verlustleistung am Regler berechnen bzw. ist das eine Datenblattangabe?

[Ando]

Es ist im Detail interessant, weil hier wieder Leistung und Energie vorkommen, die nicht ganz einfach zu fassen sind.

Die Ladung eines Kondensators ergibt sich, wie oben angeführt, aus Kapazität mal Spannung, die Einheit ist Coulomb.

1 Coulomb entspricht einer (astronomischen) Zahl an Elektronen. Dh. je größer die Ladung, desto größer die Zahl der Elektronen.

Entlädt sich der Kondensator nun über einen Widerstand nach Masse, wird seine ganze Spannung am Widerstand verbraucht.

Dh die Energie, die Spannung und Kapazität repräsentieren, schiebt die Elektronen durch den Widerstand auf die positiv geladene Platte/Scheibe/Folie des Kondensators. Dabei entsteht Wärme, die der Verlustleistung entspricht (Strom mal Spannung ergibt Watt/Sekunde).

Sind die Elektronen durch den Widerstand durch, ist keine Spannung mehr vorhanden. Das bedeutet, dass sich dieser Teil der Energie in Wärme gewandelt hat, die über dem Kondensator schwebt ;-)

Aber die Elektronen, der andere Teil der Energie, sind noch da, sie haben im Kondensator nur die Platte gewechselt.

Die Energie in einem Kondensator kann mit

0,5 * C * U^2 berechnet werden.

Die Einheit ist Joule.

Das sind bei 800 uF und 20 Volt 160 Millijoule die 160 Milliwatt entsprechen, wenn sie in 1 Sekunde umgesetzt werden.

All das hängt zusammen, bleibt aber doch ein Kreis mit Ecken, weil es von einem ins andere geht, und nicht direkt erfasst werden kann.

Daher nutze ich Gelegenheiten wie diese, um die Begrifflichkeiten zu ordnen und mir in der Diskussion die Mosaiksteine im Gesamtbild zu holen, die mir noch fehlen.

Dabei schnorchelt man über die Abgründe der Physik

Man kann das sicher alles auch praktisch lösen und sich Betrachtungen und Rechnen ersparen, indem man probiert, was in einer Schaltung funktioniert und was nicht.

Aber das ist Verschwendung von Zeit und ggf. Bauteilen. Und was ich nicht verstanden habe, beherrsche ich nicht, kann es daher auch nicht kontrollieren bzw. gezielt anwenden und darauf aufbauen.

Daher lohnt sich die unbeliebte und mühsame Tour durch die Bücher. Zumindest für mich ;-)

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Daher meine dritte Frage im Thread:

Stimmt diese Betrachtung des Kondensators so?

Insbesondere, was die Zusammensetzung der Energie betrifft, nämlich das Produkt aus Spannung und Kapazität nach der oben genannten Formel?

Und das folglich mit dem Entladen eines Kondensators ein Teil der Energie als Elektronen im Kondensator bleibt?

[Bessamatic]

Dabei schnorchelt man über die Abgründe der Physik

Nun ja, nicht so richtig.

[Ando]

Nun ja, nicht so richtig.

Ah, ein Vertreter des Abgrundes!

Sag, stimmt das so, was ich da oben geschrieben habe?

[Ando]

Hier ist das Thema erläutert:

„Elektrische Energie im geladenen Kondensator“

https://www.leifiphysik.de/elektrizi...en-kondensator


Ganz einfach ist das nicht.

Aber wer sich dafür interessiert, wird hier besser bedient als von mir

[Jan Böttcher]

Die Schaltung mit der Z-Diode mag in der Simulation "funktionieren", im richtigen Leben dürfte da aber jede Menge Saft abfließen.

Ich würde erstmal für "volle Ladung" (20V) einen Vorwiderstand für die LED berechnen und dann mal gucken, was passiert ;-)
und wenn es nicht so unendlich lang her wäre, würde ich auch mal nachrechnen, was man erwarten könnte wie lange die LED wohl leuchten oder zumindest glimmen mag.