0127-1 Booklet+Impressum 11.11.
10127-1 Booklet+Impressum 11.11.13 09:22 Seite 2 Liebe Kunden! Dieses Produkt wurde in Übereinstimmung mit den geltenden europäischen Richtlinien hergestellt und trägt daher das CE-Zeichen. Der bestimmungsgemäße Gebrauch ist in der beiliegenden Anleitung beschrieben. Bei jeder anderen Nutzung oder Veränderung des Produktes sind allein Sie für die Einhaltung der geltenden Regeln verantwortlich. Bauen Sie die Schaltungen deshalb genau so auf, wie es in der Anleitung beschrieben wird.
Inhaltsverzeichnis 1 Vertraut machen mit den Komponenten des Lernpakets ................................................................. 5 1.1 Das Experimentierbrett............................................... 6 1.2 USB-Anschlusskabel.....................................................7 1.3 Solarmodul ................................................................. 8 1.4 Dioden......................................................................... 9 1.5 Leuchtdioden ................................
10 Nickel-Zink-Zelle laden ....................................................38 11 Lithium-Akku Laden .........................................................42 12 Laden überwachen ......................................................... 48 12.1 Akkutankanzeige....................................................... 48 13 Akkus testen ................................................................... 50 13.1 Test mit niedrigem Strom ......................................... 52 13.
1 Vertraut machen mit den Komponenten des Lernpakets Stück Komponente Spezifikation 1 SYB 46, 270 Kontakte Steckbrett 1 Solarmodul 1 USB-Stecker mit Kabel und Enden fürs Steckbrett 1 Transistor 2N3904 1 Transistor 2N3906 1 Schottky-Diode, blau BAT 42 2 Siliziumdioden 1N4001 1 LED, rot 5 mm 1 LED, orange 5 mm 1 Blink-LED, rot 5 mm 1 Kohlewiderstand 1W 8 Kohlewiderstände ¼W 1 Elektrolytkondensator 1.
1.1 Das Experimentierbrett Mit dem Experimentierbrett, auch als Laborsteckbrett oder einfach nur Steckbrett bezeichnet, können die Experimente ohne Lötkolben aufgebaut werden. Es besteht im Inneren aus Kontaktfedern, die in einem Reihensystem miteinander verbunden sind. Die elektronischen Bauteile und Verbindungsdrähte können wiederholt in die Kontakte eingesteckt werden und ermöglichen somit einen Schaltungsaufbau ohne Löten oder Schrauben.
1.2 USB-Anschlusskabel Das USB-Anschlusskabel des Lernpakets hat auf der einen Seite einen USB-A-Stecker und auf der anderen Seite einen Stiftstecker für das Steckbrett. Damit ist es möglich, die 5 V (Volt) Stromversorgung einer USB-Quelle (USB-Netzteilstecker) mit dem Steckbrett zu verbinden. Wichtig! Beim Anschluss des Stiftsteckers an das Steckbrett unbedingt auf die Polarität achten! Das rote Kabel zum Stiftstecker ist der Pluspol, der schwarze der Minuspol. Abb.
Der Grund: Im Prinzip dürfen High power Devices an der Computer-USB-Buchse einen Stromverbrauch von 500 mA haben, Low power Devices maximal 100 mA. Leider sind nicht alle USB-Buchsen (abhängig vom Computertyp) kurzschlussfest! Oft ist nur eine Sicherung an der Buchse eingelötet, manchmal auch ein entsprechender Widerstand. Bei einigen Geräten gibt es eine Sicherung, die sich von selbst zurückstellt, bei anderen Geräten muss sie nach einem Kurzschluss ausgetauscht werden.
a) Abb. 003: a) Solarmodul mit Schutzfolie, b) Schaltsymbol b) 1.4 Dioden Dioden lassen den Strom nur in eine Richtung durch. Sie werden deshalb unter anderem zum Gleichrichten von Wechselspannungen und zur Abblockung unerwünschter Polarität bei Gleichspannung eingesetzt. Die Funktion einer Diode können Sie sich im Normalbetrieb am einfachsten sinnbildlich als Rückschlagventil (Wasserinstallation) vorstellen.
a) b) Abb. 004: a) Siliziumdiode Typ 1N 4001; die Kathode der Diode ist an dem aufgedruckten Strich zu erkennen, der andere Anschlussdraht ist die Anode. Die technische Stromrichtung geht von der Anode zur Kathode. b) Schaltsymbol der Diode In Durchlassrichtung (Schaltsymbol Pfeil) beginnt bei der Siliziumdiode wie z. B. der 1N 4001 erst ab einer Spannung von ca. 0,6– 0,7 V oder 700 mV (Millivolt) nennenswert Strom zu fließen. a) b) Abb.
taik-Module bei fehlendem Sonnenlicht entlädt. Die Bypass-Dioden schützen Solarzellen und das Paneel vor möglichen Schäden, die durch partielle Verschattungen verursacht werden könnten. 1.5 Leuchtdioden Die LED (light emitting diode = Licht emittierende Diode) hat neben den Eigenschaften einer normalen Diode noch eine weitere Eigenschaft: Sie leuchtet, wenn Spannung angelegt wird. LEDs sollten normalerweise immer mit einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung betrieben werden.
grierten Schaltkreises, der die LED – sobald die richtige Spannung angelegt wird – zum Blinken bringt. 1.6 Transistoren Transistoren sind aktive Bauelemente, die in elektronischen Anwendungen zum Schalten und Verstärken von Strom und Spannung eingesetzt werden. Die dem Lernpaket beigelegten bipolaren Transistoren haben die Typenbezeichnung 2N 3904 und 2N 3906.
So funktioniert der Transistor Ein kleiner an der Basis-Emitter-Strecke angelegter Strom kann einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern. D. h., fließt ein geringer Basisstrom (bei NPN-Transistoren positiv, bei PNP-Transistoren negativ), leitet der Transistor den Strom vom Kollektor zum Emitter, bzw. umgekehrt. Fließt über die Basis kein Strom oder ist der Basisanschluss auf negativem (NPN) bzw. positivem Potenzial (PNP), sperrt der Transistor. Abb.
a) Abb. 009: a) Widerstand, b) Schaltsymbol b) Die Widerstandswerte sind codiert und in Form von farbigen Ringen aufgedruckt. Im Lernpaket befinden sich Kohleschichtwiderstände mit folgenden, in der Tabelle angegebenen Werten und Farbringen: Anzahl Widerstandswert 1. Ring 2. Ring 1. Ziffer 2. Ziffer 3. Ring 4.
1.8 Elektrolytkondensatoren Elektrolytkondensatoren (Elkos) haben im Vergleich zu normalen Kondensatoren eine hohe Kapazität. Aufgrund des Elektrolyts ist ein Elko polungsabhängig, und die Anschlüsse sind mit einem Pluspol und einem Minuspol bezeichnet. Wird das Bauteil über längere Zeit »falsch herum« angeschlossen, wird dadurch der Elektrolyt des Kondensators zerstört. Die aufgedruckte maximale Spannungsangabe sollte nicht überschritten werden. Andernfalls kann die Isolierschicht zerstört werden.
a) b) Abb. 011: a) Akkuhalter; b) Schaltsymbol des Akkus 1.10 Experimentierkabel Mit den roten und schwarzen Experimentierkabeln, an deren Enden jeweils Krokodilklemmen angeschlossen sind, können Sie schnell und einfach einzelne Teile elektrisch anschließen und verbinden – ohne Lötkolben und ohne Schraubendreher. Sinnvoll ist, die roten Anschlusskabel für den Pluspol und die schwarzen für den Minuspol zu verwenden.
Abb. 012: Experimentierkabel mit Krokodilklemmen 1.11 Schaltdraht Drahtbrücken können Sie mit dem beiliegenden Schaltdraht herstellen. Dazu ist die ungefähre Länge der Drahtbrücke abzuschätzen oder abzumessen (zuzüglich der Länge für die Drahtenden, die in die Steckkontakte eingesteckt werden sollen). Die Enden sind dann ca. 8 mm lang abzuisolieren. Schräg mit dem Seitenschneider abgezwickte Anschlussdrähte lassen sich leichter stecken.
2.1 USB-Kabel am Steckbrett anschließen Versuchsaufbau: Steckbrett, Kabel mit USB-A-Stecker und Pins, Widerstand 1 k, Widerstand 1,5 Ω, rote LED Für die folgenden Ladeexperimente kann das USB-Kabel am Steckbrett angeschlossen bleiben. Den Stiftstecker des USB-Kabels in die Kontakte des Steckbretts stecken. Darauf achten, dass der Pluspol des Stiftsteckers zur oberen Stromversorgungsschiene führt.
c) Abb. 013: a) und b): Stiftstecker mit dem Steckbrett verbinden; an den Pluspol den 1,5-Ω-Schutzwiderstand stecken. c): Die LED und den 1-k-Widerstand hinzufügen. Im nächsten Schritt die rote LED stecken. Hier ist zu beachten, dass der längere Anschlussdraht zum Pluspol kommt. Zusätzlich den Widerstand 1 k in das Steckbrett stecken. Wenn nun der USBStecker mit der USB-Stromquelle verbunden wird, sollte die LED leuchten.
Abb. 014: Schaltbild mit USB-Anschluss und roter LED 3 Energie speichern Das mit unseren Sinnen nicht wahrnehmbare Prinzip der Energiespeicherung mit elektrischem Strom lässt sich mit einem Prinzip, das wir beim Wasser beobachten können, vergleichen und erklären: Über einen Wasserhahn wird ein Wasserbehälter mit Wasser gefüllt. Das Wasser kann zu einem späteren Zeitpunkt wieder entnommen werden. Abb.
Der »Energiespeicher« hat in der elektronischen Welt unterschiedliche Ausbildungsformen. Dem Lernpaket liegt ein Elektrolytkondensator bei. Die Speicherwirkung kann man damit gut nachvollziehen. Der Vorteil des Kondensatorspeichers liegt darin, dass er eine sehr lange Lebensdauer hat. Im Vergleich zum Akku ist die Speicherkapazität aber nur gering, was für die Experimente den Vorteil hat, dass das Prinzip der Speicherung in einer überschaubar kurzen Zeitspanne abläuft.
Abb. 016: Steckbrett mit Speicherelko Abb. 017: Schaltbild 4 Vertraut machen mit den Akkutypen Die gebräuchlichsten und im Alltag verwendeten Akkutypen: 1. Bleiakkus (Bleisäure, Bleigel), z. B. Starterbatterie im Kfz.
2. Nickel-Kadmium (NiCa; nicht mehr im Handel), oft in Akkuschraubern verwendet. 3. Nickel-Metallhydrid (NiMH) 4. Nickel-Zink (NiZn; neu auf dem Markt) 5. Lithium (Li) in unterschiedlichsten Ausführungen Den Bleiakku kennt man vom Auto als sog. »Starterbatterie«. Dieser Akkutyp ist preiswert, langzeitstabil und sehr robust, aber schwer. Er hat, bezogen auf das Gewicht, nur einen geringen Energiegehalt. Blei ist ein Schwermetall. Alte Akkus müssen zurückgegeben werden und werden dann recycelt.
einer der roten LEDs und die schwarze mit dem kürzeren Anschlussdraht verbinden. Wenn etwas Licht auf das Solarmodul fällt, kann man sehen, dass die angeschlossene LED entweder blinkt oder mit Dauerlicht leuchtet. Abb.
Abb. 019: Schaltbild, links das Symbol für das Solarmodul Normalerweise sollten LEDs mit einem Vorwiderstand betrieben werden. Da das Solarmodul nur einen begrenzten Strom liefert und es sich hier um ein Kurzzeitexperiment handelt, kann man eine Ausnahme machen, um herauszufinden, welches die dauerhaft leuchtende LED und welches die Blink-LED ist. Die Blink-LED dann mit einem Stück Klebeband für die weiteren Experimente markieren. Abb.
6 Akkus mit der USB-Quelle laden USB ist im Computerbereich Standard und ist weit verbreitet. Elektronische Geräte, Computerzubehör wie z. B. externe Festplatten, aber auch kleine Lampen, Ventilatoren usw. können damit betrieben werden. Die meisten Mobiltelefonanbieter bieten inzwischen Mikro-USB als Standardgerätebuchse für den Ladekontakt des Mobiltelefons an.
Die USB-Quelle eignet sich hervorragend für Ladeexperimente mit kleineren Akkuzellen. Die Nutzung setzt aber Elektronikschaltungen voraus, die das spezielle Ladeverhalten der jeweiligen Akkutypen berücksichtigen. Abb. 022: USB-Cell-NiMH, Mignonzelle mit eingebautem USB-Adapter Abb.
7 NiMH- und NiCd-Akkus laden Versuchsaufbau: Steckbrett, Kabel mit USB-A-Stecker, Widerstand 100 Ω, LED orangefarben, Akkuhalter, Akku AA oder AAA, wenn vorhanden: Multimeter Die Akkus wie z. B. die NiMH-Akkus und die NiCd-Akkus sind Alternativen zu Einwegbatterien. Der zuletzt aufgeführte Akkutyp wird nicht mehr verkauft. Nickel-Metallhydrid-Akkus sind derzeit der häufigste Akkutyp und in mehreren Formaten erhältlich.
Abb. 024: Aufbau Steckbrett; geladen wird ein Mignonakku. Abb. 025: Schaltplan Zusatzversuch (wenn ein Multimeter vorhanden ist): Multimeter im Bereich Milliampere in Reihe zum Akku verdrahten. Dann kann man den aktuellen Ladestrom ablesen.
Abb. 026: Messaufbau Abb. 027: Schaltbild Mit einem Multimeter kann man den Ladestrom überprüfen und natürlich auch die Akkuspannung messen. Zum Messen der Akkuspannung sind die Kabel des Multimeters direkt an den Akkuhalter anzuschließen (parallel zum Akku).
8 Konstantstromladen Versuchsaufbau: USB-Kabel, Steckbrett, 1 Widerstand 1,5 Ω, 2 Widerstände 1 k, 1 Widerstand 1,2 Ω, LED orangefarben, SchottkyDiode BAT 42, Akkuhalter, Akku Mignon AA oder Mikro AAA Konstantstromladen ist bei einfachen Ladegeräten eine verbreitete Möglichkeit, Akkus zu laden. Abhängig von der Akkukapazität wird mit einem konstanten Strom der leere Akku eine definierte Zeit lang aufgeladen. Abb.
Beispiel Akkukapazität: 800 mAh, Ladestrom: 80 mA, Ladezeit: 14 Stunden. Sind die 14 Stunden Ladezeit vorbei, besteht die Möglichkeit, dass eine zeitgesteuerte Elektronik auf Erhaltungsladung umschaltet. Die Ladeerhaltung kann mit 1/20 der Akkukapazität oder weniger erfolgen, dementsprechend mit gleich oder weniger 40 mA. Auch gibt es Ladegeräte mit einer thermischen Überwachung und Abschaltung (z. B. bei Akkus von preiswerten Akkuschraubern).
Die Lademethode mit Konstantstrom ist zwar sehr einfach, hat aber auch einige Nachteile: Der Akku sollte vor dem Ladevorgang vollständig entladen sein, und der Ladestrom sollte in etwa von C/10 der Akkukapazität sein, um Ungenauigkeiten durch leichtes, aber schadloses Überladen auszugleichen. Wenn der Akku schnellladefähig ist, kann der Ladestrom bei entsprechend kürzerer Ladezeit auch höher sein. Bei den älteren NiCd-Akkus kann, wenn der Akku nicht vollständig entladen wurde, der sog.
Abb. 030: Steckbrettaufbau: Laden mit Konstantstrom Den Spannungsteiler, bestehend aus R2 und D2, sowie den Basiswiderstand R4 kann man auch verändern. Dadurch wird sich der konstante Ladestrom verändern. So kann man zunächst mit R4 experimentieren, d. h. den 1-k-Widerstand (R4) durch den 2,2-kWiderstand des Lernpakets austauschen, und erhält damit einen geringeren Ladestrom zum Akku.
Abb. 031: Schaltbild des Konstantstromladers 9 Impulsladen Versuchsaufbau: USB-Kabel, Steckbrett, Blink-LED, LED orangefarben, Diode 1N 4001, Transistor T1 2N3904, Transistor T2 N3906, Widerstand 10 Ω, 2 Widerstände 1 k, Akkuhalter, Akku AA Mignon oder AAA Mikro Durch die Impulsladung wird der Memoryeffekt auch bei älteren Akkuzellen weitgehend verhindert. Kurze Stromstöße laden die Akkuzelle.
Abb. 032: Versuchsaufbau für die Impulsladung; beide Transistoren sind so eingesteckt, dass die Typenbezeichnung vom Betrachter aus gesehen lesbar ist. Der obere Transistor ist T2 (2N3906), die linke LED ist die Blink-LED. Die Blink-LED bildet zusammen mit dem Widerstand R2 einen Spannungsteiler und gibt die Impulse an die Basis von Transistor T1. T1 steuert über die Kollektor-Emitter-Strecke den Basiseingang des Transistors T2. Dieser gibt als Längstransistor den Stromfluss zum Akku frei.
Abb. 033: Schaltbild Impulsladung Wenn ein Multimeter zur Hand ist, kann man die pulsierende und ansteigende Akkuspannung beobachten. Wird die Diode D2 überbrückt, geht der Ladevorgang schneller (mehr Ladestrom), allerdings auf Kosten der Lebensdauer der orangefarbenen LED.
Abb. 034: Anordnung zum Messen der Impulsladung mit einem Multimeter 10 Nickel-Zink-Zelle laden Versuchsaufbau: USB-Kabel, Steckbrett, rote LED, orangefarbene LED, Widerstand 100 Ω, Akkuhalter, Akku AA Mignon oder AAA Mikro. Eine ganz alte und gleichzeitig neuere Entwicklung auf dem Akkumarkt ist die Nickel-Zink-Zelle (NiZn). Der Vorteil dieses Zellentyps ist eine höhere Zellspannung von ca. 1,6 V. Somit ist sie als Ersatz von Einwegbatterien (1,5 V) besser nutzbar.
Interessant ist, dass die Kapazität beim NiZn-Akku nicht mehr in Milliampere, sondern in Milliwattstunde angegeben wird. Die Spannung einer frisch geladenen NiZn-Zelle liegt bei ca. 1,8 V und die Entladeschlussspannung, je nach Strombelastung, bei etwa 1,2 V. Da die Zellenart noch jung ist, gibt es bisher wenig Erfahrungen mit der Zyklenzahl. Akkuzyklen bedeutet, wie oft die Akkuzelle vollständig be- und entladen werden kann, bevor sie unbrauchbar ist. Abb.
Die erforderliche Ladetechnik für die NiZn-Akkus ist im Prinzip einfach und ähnelt der Ladetechnik von Bleiakkus. Prozessorgesteuerte Ladegeräte bieten einen höheren Sicherheitsstandard und einen bessern Ladewirkungsgrad mit mehr Möglichkeiten bei der Lade- und Entladetechnik. Das Ladeprinzip Es wird mit einer Strombegrenzung geladen, die etwa das 0,5bis 1-fache der Akkukapazität beträgt (0,7 A bis 1,5 A beim AATyp). Die Ladeschlussspannung, d. h. die Spannung, wenn der Akku voll ist, beträgt ca. 1,9 V.
Auf den Akkuverpackungen und dem Akkugehäuse der NiZn-Akkus gibt es die Ladeempfehlung: AA Mignon: 12–15 Stunden mit 150 mA, schnellladefähig AAA Mikro: 12–15 Stunden mit 55 mA, schnellladefähig Bei der vorgestellten Ladeschaltung wird die Ladeendspannung durch die orangefarbene LED realisiert. Diese LED zeigt gleichzeitig auch den Ladezustand an. Wenn der Akku leer ist, leuchtet die LED nicht, wenn er mehr Ladung hat, leuchtet sie hell. Der Strom wird durch den Widerstand R1 und die rote LED geregelt.
Abb. 037: Schaltbild Die Selbstentladung der NiZn-Zellen findet abhängig von der Umgebungstemperatur statt, erfahrungsgemäß im Bereich von ca. 5–7 %. 11 Lithium-Akku Laden Versuchsaufbau: USB-Kabel, Steckbrett, rote LED, 2 Dioden 1N 4001, Widerstand 1 k, Kabel mit Krokodilklemmen rot und schwarz, Lithium-Akku. Die meisten Mobiltelefone und Smartphones, Notebooks und Tablet-PCs arbeiten mit Lithium-Polymer(LiPo)- oder LithiumIonen(Li-Ion)-Akkus.
wieder teilweise entladen, wird die Anzahl der möglichen Ladezyklen stark erhöht. Gleichzeitig sinkt dadurch die nutzbare Energiedichte. Die Ladungsart ist weniger kompliziert als oft angenommen und sieht im Prinzip wie folgt aus: Wenn der Akku sehr tief entladen wurde, sollte mit einem sehr niedrigen Ladestrom begonnen werden. Im normalen Ladevorgang kann die Zelle aber mit konstantem maximalen Strom im Bereich von 0,5–1 C geladen werden.
Will man ein Ladegerät selbst bauen, ist die exakte Regelung der Ladeendspannung zwingend erforderlich. Eine stabilisierte Spannungsversorgung wird man normalerweise mit Festspannungsreglern aufbauen. Gleichzeitig gibt es auf dem Markt fertige Lade-ICs zur komfortablen und sicherheitstechnisch guten Ladung der Lithium-Akkus. Wichtig Für die folgenden Ladeexperimente wird dringend empfohlen, ausschließlich Lithium-Akkus mit integrierter Schutzelektronik zu verwenden.
So kann man mit Akkus aus Mobiltelefonen problemlos experimentieren, solange die obere und untere Temperaturgrenze und der Maximalladestrom (1C) nicht überschritten werden. Die Ladeschaltung zum Laden eines Lithium-Akkus mit der USBQuelle wird mit einfachsten Komponenten auf dem Steckbrett aufgebaut. Es gilt, die Spannung, die durch die USB-Quelle auf 5 V stabilisiert ist, auf eine verträgliche Ladeendspannung von knapp 4 V zu reduzieren.
Abb. 039: Klemmverbindung mit den Akkukontakten Abb. 040: Schaltbild einfacher Lithiumlader Wenn ein Multimeter zur Hand ist, kann man entweder die steigende Akkuspannung oder den Ladestrom messen.
a) b) Abb. 041: a) Akkuladung und Überwachung durch das Multimeter.
12 Laden überwachen Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Leistungswerte rund um den zu ladenden Akku feststellen: Anzeige mit LEDs Messungen mit einem Multimeter LCD-Anzeigen Messung und Auswertung mit dem PC Mit Leuchtdioden lassen sich einfache Messaufgaben (z. B. die Polaritätsanzeige) oder grundsätzliche Funktionsanzeigen (z. B. ob Ladestrom fließt oder nicht) gut erledigen. Wenn detaillierte Messangaben erwünscht sind, ist ein Multimeter eine gute Hilfe.
Mit den Teilen Ihres Lernpakets können Sie eine einfache Ladezustandsanzeige aufbauen, um das Grundprinzip zu erfahren. In Abb. 042 sehen Sie den Versuchsaufbau einer sehr einfachen Ladezustandsanzeige. Nach dem Aufbau der Komponenten zuerst den Lithium-Akku mit den Krokodilklemmen an das Steckbrett anschließen. Dann leuchtet die orangefarbene LED. Sobald der USBStecker in das USB-Netzgerät gesteckt wird, wird der Akku mit ca. 200 mA geladen.
Abb. 043: Schaltbild der Ladezustandsanzeige Die einfache Akkutankanzeige wird nach wie vor über die Spannungsmessung des Akkus realisiert. Ein Fortschritt wäre, die Spannungsmessung unter Last (Stromentnahme aus dem Akku) durchzuführen. Die Last sollte dabei einen Stromverbrauch von etwa 10 % der Kapazität des Akkus haben und könnte im Moment der Messung durch einen Taster aktiviert werden.
Als Alternative zur Glühbirne kann auch ein Belastungswiderstand von 10 Ω verwendet werden. Der Belastungsstrom für den Akku beträgt dann ca. 150 mA. Abb. 044: Einfacher Akkuprüfer (Selbstbautestgerät) für AA- und AAA-Akkuzellen mit Drehspulinstrument und Glühbirne (1,5 V) als Belastungswiderstand Nachfolgend werden Akkuzustands-Testschaltungen für Nickel-ZinkZellen vorgestellt.
13.1 Test mit niedrigem Strom Versuchsaufbau: Steckbrett, rote LED, Widerstand 100 Ω, Akkuhalter, NiZn-Akku, Mikro AAA. Die Tests können auch mit anderen Akkutypen durchgeführt werden, sofern ein Multimeter zur Hand ist, mit dem die Akkuspannung unter Last angezeigt werden kann. Der Test mit niedriger Strombelastung ist auch für ältere Akkus, die frisch aufgeladen wurden, meist kein großes Problem.
Abb.
Abb. 046: Schaltbild Den Akku in den Batteriehalter einlegen; wenn die Akkuzelle voll geladen ist, leuchtet die LED. Nun den Taster drücken. Die LED wird geringfügig dunkler. Mit dem 100-Ω-Widerstand fließen etwa 15 mA Belastungsstrom. Das ist für den Akku mit Leichtigkeit zu leisten, daher sinkt die Akkuspannung auch nur geringfügig. 13.
einen maximalen Strom von 1,5 A und für die kleinere AAA-Zelle etwa 550 mA maximalen Entladestrom. Nun wird der Widerstand R1 ausgetauscht. Anstatt des 100-ΩWiderstands kommt nun der 1,2-Ω-Widerstand in das Steckbrett. Wenn jetzt der Draht-Taster gedrückt wird, geht die LED aus. Der Belastungsstrom beträgt, wenn man ihn mit der Formel R = U / I errechnet, ca. 1 A und mit dem Multimeter gemessen um die 0,5 A. Das praktische Messergebnis kann von vom errechneten Wert abweichen.
Abb. 047: Steckbrettaufbau Abb.
Abb. 049: Messaufbau mit Multimeter Akkuwirkungsgrade Der Akkuwirkungsgrad sagt aus, wie viel reingeladen wurde und wie viel davon man wieder aus dem Akku entnehmen kann. Die Wirkungsgrade der unterschiedlichen Akkutypen schwanken stark im Bereich von ca. 70–90 %. 14 Akku und Solarmodul Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Steckstifte, Widerstand 100 Ω, rote LED Die Vorderseite des ungebrauchten Solarmoduls ist mit einer Folie geschützt. Diese zuerst abziehen.
Auf der Rückseite des Moduls befinden sich zwei Lötanschlüsse mit angelöteten Kabeln. Das Modul liefert Gleichstrom. Somit gibt es wie bei einer Batterie ein rotes Kabel, den Pluspol, und ein schwarzes Kabel, den Minuspol. Schieben Sie die Kabel durch die Bohrungen des Steckbretts (Zugentlastung) und schließen Sie dann das schwarze und das rote Kabel an das Steckbrett an. Es wird empfohlen, in die untere Schiene den schwarzen Anschluss und die obere Schiene den roten Anschluss einzustecken.
b) Abb. 050: a) Die Anschlussleitungen des Solarmoduls an das Steckbrett anschließen. b) Mit den Steckstiften können die Kabel zusätzlich gesichert werden. Positionieren Sie das Solarmodul so, dass ausreichend helles Licht, bevorzugt Sonnenlicht, darauffällt. Für den Fall, dass während der Experimente die Sonne nicht scheint, geht als Ersatz eine helle Schreibtischleuchte z. B. mit einer Halogenbirne (mindestens 30 W). Energiesparlampen und LED-Lampen sind nicht geeignet.
Blinkt die Leuchtdiode, haben Sie versehentlich die blinkende LED verwendet. Abb. 051: Steckbrettaufbau; einfacher Funktionstest mit der roten Leuchtdiode Abb.
Diesen Versuch können Sie mit unterschiedlichen Lichtquellen durchführen, z. B. mit der direkten Sonne, einer Halogenlampe, einer Glühlampe, einer Taschenlampe, einer Energiesparlampe, einer Leuchtstofflampe usw. Man kann an der Helligkeit, in der die LED leuchtet, erkennen, dass es geeignete und weniger geeignete Lichtquellen gibt. Dieses Experiment ist wichtig, damit Sie für die nachfolgenden Experimente über die geeignete Beleuchtung Bescheid wissen. 14.
Die Verhältnismäßigkeit von Solarmodul und Akku ändert sich bei »größeren« (leistungsfähigeren) Solarmodulen, die mehr Strom und höhere Spannung liefern können. Dann ist eine Ladestrombegrenzung und/oder eine Ladeelektronik dringend erforderlich, andernfalls wird der Akku geschädigt oder zerstört. Abb.
Abb. 054: Schaltplan; Ladestromanzeige mit einer LED Im Ladestromkreis kann sowohl die rote als auch die orangefarbene LED verwendet werden. Bei der orangefarbenen LED ist der Ladestrom etwas höher. 14.2 Solarlader – was es zu beachten gilt Versuchsaufbau (wie zuvor): Solarmodule, Steckbrett, LED, Akkuhalter, Akku Je nach Akkutyp gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, die Solarmodule so zu konfektionieren, dass der Akku optimal geladen wird.
Bei kleineren NiCd- und NiMH-Akkus ist es eine einfache Möglichkeit, dies über den maximalen vom Solarmodul kommenden Ladestrom zu regeln. Bleisäure- und Bleigelakkus hingegen werden in einfachster Variante über die Höhe der Ladeendspannung geregelt. Ein »großer« Solarbleiakku mit 12 V Akkuspannung kann somit ohne Probleme an einem Solarmodul mit einer maximalen Zellenspannung (Leerlaufspannung) von 15 V geladen werden. Die Ladekurve regelt sich dann von selbst.
Abb. 055: Experiment mit der Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle 15 Rückstromsperre verwenden Experimentieraufbau: Solarmodul, Steckbrett, Elko 1.000 µF, Schottky-Diode, Widerstand 100 Ω, LED rot Beim solaren Laden eines Akkus würde sich ohne Schutzdiode die Ladung nachts wieder über das Solarmodul »rückwärts« entladen.
den. Die Diode funktioniert wie ein Ventil, das den Energiestrom nur in die eine Richtung zulässt und in die andere Richtung verhindert. Um das Prinzip verdeutlichen, machen Sie das Experiment mit dem Elko 1.000 µF (den Akku dazu aus der Halterung entnehmen). Zusätzlich zum Stromspeicher Elko stecken Sie eine LED und einen Vorwiderstand in das Steckbrett. So kann man den Speichereffekt abhängig von der Rückstromdiode erforschen. Abb.
Sperrdioden verhindern die Entladung des Energiespeichers über die unbeleuchtete Solarzelle. a) b) Abb. 057: a) Steckbrettaufbau, b) Detail.
16 Laderegler einsetzen Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, rote LED, Elko 1.000 µF, Transistor T1 2N3906, Widerstand 2,2 k, Tastschalter, Akkuhalter, Akku Bei Photovoltaik-Inselanlagen wird die gesamte Stromversorgung regenerativ gewonnen. Mithilfe des Akkuspeichers wird diese Energie für die spätere Nutzung aufbewahrt. Wichtig bei der Akkuladung ist ein Laderegler, der dafür sorgt, dass der Akku so voll wie möglich ge-, aber nicht überladen wird. Abb.
Abb. 059: Schaltbild Laderegler Mit dem auf dem Steckbrett aufgebauten Laderegler können Sie das Prinzip des seriellen Shunt-Reglers (Längsregler) nachvollziehen. Der für die Ladereglung verwendete Längstransistor regelt den vom Solarmodul zum Akku fließenden Strom und die Spannung. Die Regelung wird im Versuchsaufbau durch manuelles Takten (von Hand) des zugeführten Stroms (Taktlänge und Frequenz) mit dem Schalter S1 erreicht. Bei den automatischen Reglern findet dieses Takten elektronisch statt.
17 Solare Ladeüberwachung des LithiumAkkus Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Blink-LED, rote LED, orangefarbene LED, Schottky-Diode BAT 42, Elko 1.000 µF, Widerstand 1 k, Krokodilklemmen, Lithium-Akku In Abb. 060 sehen Sie den Versuchsaufbau einer einfachen Ladeüberwachung beim solaren Laden des Lithium-Akkus. Die obere rote LED zeigt den fließenden Ladestrom an und leuchtet, solange der Lithium-Akku geladen wird.
LED, rot Abb. 061: Schaltbild der Ladezustandsanzeige Die einfache Akkuladeüberwachung wird durch die Spannungsmessung des Akkus realisiert.
Abb. 062: Detail des Steckbrettaufbaus, mit den Krokokabeln ist der Lithium-Akku angeschlossen 18 Kombilader, Laden und Ladung erhalten Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, USB-Kabel, Blink-LED, rote LED, orangefarbene LED, Diode 1N 4001, Widerstand 1,5 Ω, Widerstand 1,2 Ω, 2 Widerstände 1 k, Transistor 2N3904, Akkuhalter, NiZn-Akku Je nach Akkutyp gibt es eine mehr oder weniger hohe Selbstentladung.
kostenlosem Strom) für die sanfte Ladung oder auch die alternative solare Dauerladung aufgezeigt.
b) c) Abb.
Funktion: Wird der USB-Stecker mit der USB-Quelle verbunden, leuchtet die orangefarbene LED. Der Akku wird mit einem konstanten Strom von ca. 70–80 mA geladen. Ab einer Akkuspannung von ca. 1,7 V beginnt die Blink-LED zu blinken und signalisiert damit, dass die Akkuzelle bald geladen ist. Zusätzlich leuchtet die rote LED, wenn der Akku auch mit Solarenergie durch das angeschlossene Solarmodul geladen wird – unabhängig davon, ob der Akku mit USB geladen wird oder nicht. Abb.
1.000 µF, Krokodilkabel- und Klemmen, Lithium- oder alter Mobiltelefonakku Im nachfolgenden Experiment wird ein Energiespeicher tagsüber geladen. Bei Dunkelheit gibt er die Energie wieder ab – im Experimentieraufbau hier über eine Leuchtdiode. Die Energieabgabe findet so lange statt, bis die gespeicherte Energie aufgebraucht ist. Das Experiment kann sowohl mit einem Akku als auch mit dem Elko (1.000 µF) durchgeführt werden.
Abb. 067: Schaltbild für das Solarnachtlicht Sobald es dunkel wird (z. B. bei abgedecktem Solarmodul), leuchtet die LED auf. Sie erlischt, sobald das Solarmodul wieder Licht erhält. Der Strom, der von den beleuchteten Solarmodulen kommt, sperrt über die Basis von T1 dessen Kollektor-Emitter-Strecke. Der Akku wird über die Diode D1 geladen.
Abb. 068: Kerzenlichtlaterne nach dem oben beschriebenen Prinzip Für ein Langzeitexperiment können ein rotes und ein schwarzes Kabel an die Goldkontakte des alten Mobiltelefonakkus angelötet oder die Kontakte mit den Krokodilklemmen angeschlossen werden.
Abb. 069: Bereits durch das Abdecken eines Moduls wird das Nachtlicht aktiviert. 20 Erhalt der Leistungsfähigkeit von Akkus 20.1 Akku-Notfallrettung Versuchsaufbau: Lithium-Akku, Krokodilkabel, Akkuzelle (tief entladen) Akkus, die lange ungebraucht aufbewahrt wurden oder an einem Dauerstromverbraucher (z. B. einer elektrischen Uhr) angeschlossen waren, erleiden oft einen Kollaps.
Abb. 065: Anwendung mit Lithium-Akku und Krokodilkabel Bleibatterien, die längere Zeit ungenutzt lagern, bilden eine Isolierschicht auf den Plattenoberflächen, werden dadurch hochohmig und lassen sich nicht mehr laden. Abhilfe schafft hier, dem Akku wechselseitig Spannungen zuführen. Eine von der Polarität her »falsch« angelegte Spannung kann helfen, die inneren Isolierschichten wieder abzubauen. Zur Vorsorge gibt es sog. Akku-Refresher.
20.2 Akkupflege Versuchsaufbau: Akku über Tage und Monate gelagert Akkus zum Betreiben von elektrischen und elektronischen Geräten, die oft auch als Ersatz für teure Einwegbatterien eingesetzt werden, sind in der Anschaffung nicht ganz billig. Sie sollten deshalb ihren Dienst so lange wie möglich tun. Je nachdem, mit welchem technischen Verfahren der Akku geladen wird, variiert die mögliche Ladeund Entlademenge (Kapazität) und vor allem die Lebensdauer (die Zyklen) des Akkus.
Hohe Entladeströme stressen den Akku. Wenn der Akku mit einem niedrigeren Strom als angeben entladen wird, hält er länger. Alte Mobiltelefonakkus können problemlos noch lange Zeit z. B. für sparsame LED-Taschenlampen verwendet werden. Zu tief entladene und dann gelagerte Akkus altern schneller oder lassen sich nicht mehr verwenden. Daher ist bei längerem Lagern der Ladezustand zu überwachen und gegebenenfalls nachzuladen.
