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Python: Kondensatorladung mit UliEngineering berechnen

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Die in einem Kondensator gespeicherte Ladung lässt sich mit der UliEngineering-Python-Bibliothek einfach berechnen:

capacitor_charge.py
from UliEngineering.Electronics.Capacitors import capacitor_charge
from UliEngineering.EngineerIO import *

# Ladung für 100µF bei 5V berechnen
charge = capacitor_charge("100uF", "5V")
print(f"Ladung (100µF, 5V): {format_value(charge, 'C')}")

# Ladung für 1nF bei 12V berechnen
charge = capacitor_charge("1nF", "12V")
print(f"Ladung (1nF, 12V): {format_value(charge, 'C')}")

Beispielausgabe

capacitor_charge_output.txt
Ladung (100µF, 5V): 500 µC
Ladung (1nF, 12V): 12.0 nC

Die Kondensatorladung gibt die Menge der elektrischen Ladung an, die im elektrischen Feld des Kondensators gespeichert ist, wenn eine Spannung an seinen Anschlüssen anliegt. Diese Ladung ist direkt proportional zu Kapazität und angelegter Spannung. Das Verständnis der Kondensatorladung ist essenziell für Energiespeicherberechnungen, Zeitschaltungen und das Verständnis der Funktionsweise von Kondensatoren in elektronischen Schaltungen.

Kondensatorladung-Diagramm

Berechnet wird die Ladung nach der Formel $Q = C \times V$, wobei $Q$ die Ladung in Coulomb, $C$ die Kapazität in Farad und $V$ die Spannung in Volt ist. Ein Coulomb entspricht einer Amperesekunde und gibt die Ladung an, die durch einen konstanten Strom von einem Ampere in einer Sekunde transportiert wird.

Das obige Diagramm zeigt die Kondensatorladung in Abhängigkeit der Spannung für verschiedene Kapazitätswerte. Auffällig ist der lineare Zusammenhang: Die Ladung steigt proportional zur Spannung für eine gegebene Kapazität. Höhere Kapazitätswerte speichern bei gleicher Spannung mehr Ladung, weshalb größere Kondensatoren verwendet werden, wenn mehr Ladungsspeicherung für Anwendungen wie Netzteilfilterung oder Energiespeicherung benötigt wird.

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Diagramm-Estellungsskript

plot_capacitor_charge.py
#!/usr/bin/env python3
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import sys
sys.path.insert(0, '/home/uli/dev/UliEngineering')

from UliEngineering.Electronics.Capacitors import capacitor_charge

# Spannungsbereich für das Diagramm
V = np.linspace(0, 25, 100)  # 0 bis 25V

# Diagramm erstellen
plt.figure(figsize=(10, 6))

# Ladung für verschiedene Kapazitäten berechnen
capacitances = [
    (1e-6, '1 µF', 'blue'),
    (10e-6, '10 µF', 'green'),
    (100e-6, '100 µF', 'red'),
    (1e-3, '1 mF', 'purple'),
]

for C, label, color in capacitances:
    Q = C * V
    plt.plot(V, Q * 1e6, label=label, color=color, linewidth=2)

plt.xlabel('Spannung (V)', fontsize=12)
plt.ylabel('Ladung (µC)', fontsize=12)
plt.title('Kondensatorladung vs. Spannung', fontsize=14, fontweight='bold')
plt.legend(loc='upper left', fontsize=10)
plt.grid(True, alpha=0.3)

plt.tight_layout()
plt.savefig('capacitor_charge_plot.svg', format='svg', dpi=300)
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