Auswertung Transistor

Verzögerte Ausschaltung Transistor wird ab U BE = 0,5 bis 0,7 V durchgesteuert, wenn Taster geschlossen, wird Kondensator auf 9V aufgeladen, LED leuchtet Taster geöffnet, Kondensator entlädt sich über R=100kΩ und den Transistor, LED leuchte solange, bis U BEmin erreicht ist

Es gilt wieder, wenn U BE >0,5 0,7V, wird Transistor durchgesteuert und die LED leuchtet. Hellwiderstand LDR etwa 2kΩ, Dunkelwiderstand LDR etwa 50kΩ, somit ergibt sich für U BE : U BE = U B R R LDR LDR + R v 2kΩ Hell : U BE = 9V = 0,176V < 0, 7V LED leuchtet nicht 2kΩ + 100kΩ 50kΩ Dunkel : U BE = 9V = 3V > 0, 7V LED leuchtet 50kΩ + 100kΩ Umkehrung: LDR und 100kΩ-Widerstand vertauschen: 100kΩ Hell : U BE = 9V = 8,82V > 0, 7V LED leuchtet 2kΩ + 100kΩ 100kΩ Dunkel : U BE = 9V = 6V > 0,7V LED leuchtet auch! 50kΩ + 100kΩ

Umkehrung: LDR und 100kΩ-Widerstand vertauschen: 100kΩ Hell : U BE = 9V = 8,82V > 0, 7V 2kΩ + 100kΩ LED leuchtet 100kΩ Dunkel : U BE = 9V = 6V > 0,7V LED leuchtet auch! 50kΩ + 100kΩ Abhilfe: Widerstand so dimensionieren, dass bei Dunkelheit nur ca. 0,4 V abfallen! U BE R U v BE LDR = U B Rv = = = 2, 33kΩ RLDR + Rv U B U BE 9V 0,4V R 0,4V 50kΩ

Tr 2 =100kΩ; R 5 =2kΩ; R 6 =10kΩ; R 3 =470Ω; C 3 =C 4 =22µF Arbeitspunkt bei U CE etwa 6V Arbeitspunkteinstellung

Batterien und Akkumulatoren 9

1. Grundbegriffe Eine voltaische Batterie, entnommen aus der Originalveröffentlichung von Volta Als Urform des Akkumulators gilt die sogenannte Rittersche Säule, die Ritter 1802 entwickelte 11

Ein einfaches galvanisches Element. 12

Elektrochemische Spannungsreihe: 13

2. Primärelemente Beim Stromfluss zersetzt sich das unedle Metall. Das edle Metall nimmt dabei Elektronen auf und wird negativ. Das unedle Metall gibt Elektronen ab und wird positiv. Der Stromfluss bleibt so lange bestehen, bis sich das unedle Metall vollständig zersetzt hat. 15

Aufbau Zink-Kohle-Batterie besteht aus: zu einem Becher geformten Zinkelektrode (negativer Pol) Mangandioxidpulver (Braunstein) als positivem Pol zentrischen Stab aus gepresster Kohle (Graphit) und metallischer Kappe als elektrische Zuleitung Elektrolyt: 20%ige Ammoniumchloridlösung bis in die 1970er Jahre in verschiedenen Baugrößen weit verbreitet Probleme: Zink-Becher ist bei entladenen Batterien nahezu aufgebraucht äußere Ummantelung früher Papphülse, heute gewickelte Metall-Ummantelung mit Kunststoff-Folie zur Erhöhung Auslaufsicherheit der Zelle, können aber trotzdem auslaufen Zerstören von Kontakten und Leiterbahnen! 17

Aufbau Alkali - Mangan Batterie (Alkaline) Eigentlich Zink-Braunstein-Zelle mit alkalischem Elektrolyt negative Elektrode: Zink positive Elektrode: Mangandioxid Elektrolyt: konzentrierte Kalilauge (Kaliumhydroxid- Lösung) 19

Pluspol ist Teil des Außenmantels und elektrisch mit ihm verbunden (gepresster Braunstein) Minuspol besteht aus einer Paste aus Zink und Kaliumhydroxid, eingewickelt in ionendurchlässiges Faserpapier Metallstift zur Herstellung des elektrischen Kontaktes mit der Bodenplatte Spannungen: Leerlaufspannung einer frischen Alkali- Mangan-Zelle liegt bei 20 C im Bereich von 1,57 V bis 1,63 V (hängt hauptsächlich von der Aktivität des verwendeten Mangandioxides und dem Zinkoxidgehalt in der Elektrolytlösung ab) Entladeschlussspannung meist 0,8 bis 1,0 V aufgeschnittene Alkali-Mangan-Zellen 20

Entladung: Bei einer Steigerung der Belastung erreicht die Alkali-Mangan-Zelle die 0,8-V-Grenze überproportional schnell Innenwiderstand steigt Leistung sinkt! Kapazitätsreserven von 20 % und mehr können trotzdem vorhanden sein nach einer Regenerationszeit von einigen Stunden sinkt der Innenwiderstand und die Batterie kann mit kleiner Leistung weiter arbeiten leicht erhöhte Temperatur beschleunigt diese Regeneration Probleme: auch Alkali-Batterien können auslaufen entladene Batteriezellen bleiben länger in ungenutzten Geräten auslaufendes Kaliumhydroxid dringt in das Gerät ein korrodiert metallische Bestandteile wie Kontakte und Leiterbahnen Kaliumhydroxid reagiert mit CO 2 der Luft zu Pottasche (K 2 CO 3 ) und bildet weiße, kristalline hygroskopische Ablagerungen 21

Baugrößen 24

Lithium - Batterien Lithium ideales negatives Elektrodenmaterial 3,05 Volt Standardpotential Problem: hohe Reaktivität mit Wasser oder feuchter Luft deshalb ausschließlich nicht wässrige Elektrolytlösungen oder Festelektrolyte 26

Eine weitere Entwicklung ist die dünne Lithium-Flachzelle, auch Lithium-Papierzelle genannt. Diese Batterie misst weniger als 0,4 Millimeter und passt perfekt in scheckkartengroße, intelligente Smartcards (aktive Karten mit batteriebetriebenem Mikrochip + integriertem Display) 27

Wichtige Begriffe und Kenngrößen: Kapazität: in einer galvanischen Zelle gespeicherte elektrische Ladung wird umgangssprachlich als Kapazität bezeichnet Einheit: Amperestunden (Ah oder Coulomb (C; 1 As entspricht 1 C) Leistung: Produkt aus Entladestrom und Entladespannung Energiedichte: Energie pro Masse oder pro Volumen Selbstentladung: alle galvanischen Zellen unterliegen bei Lagerung einer Selbstentladung, Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab, je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung. 28

3. Sekundärelemente 29

3.1 Bleiakkumulator Ausführung eines Akkumulators bei der Elektroden im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht Gelten für eine Lebensdauer von 2 Jahren als zuverlässig und preisgünstig, doch im Vergleich mit anderen Akku- Technologien relativ schwer und weisen eine geringe Energiedichte auf Bekannteste Anwendung von Bleiakkus liegt in der Starterbatterietechnik (Verbrennungsmotoren) 30

3.2 Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Eneloop-Akkumulator positive Elektrode aus Nickel(II)-hydroxid negative Elektrode aus einem Metallhydrid NiMH-Akkumulatoren werden oft mechanisch baugleich zu handelsüblichen Batterien hergestellt Zellspannung: 1,2 V Eigenschaften Energiedichte: etwa 80 Wh/kg Baugröße AA sind Kapazitäten von 1300 bis 3000 mah erhältlich LSD-NiMH (Eneloop)-Akku hat geringe Selbstentladung (LSD: Low Self Discharge) 33

Einschränkungen NiMH-Akkus reagieren empfindlich auf: Überladung, Ladeschlussspannung 1,45 V Überhitzung, falsche Polung, Tiefentladung (Stromentnahme bis zur nahezu vollständigen Erschöpfung der Ladekapazität) Zum Erreichen der Solllebensdauer von typischerweise 500 Ladezyklen ist ein intelligentes Ladegerät unentbehrlich. NiMH-Akkus sind nicht für den Betrieb bei Temperaturen unterhalb von 0 C geeignet, bei etwa 20 C werden sie völlig unbrauchbar, aber nicht zerstört 34

hohe Energiedichte 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulator Lithiumakkus enthalten kein metallisches Lithium Hauptanwendungen: Telekommunikation, tragbare Computer, Hybridfahrzeuge sind nicht kompatibel zu NiCd- oder NiMH-Akkus erfordern eine spezielle Ladetechnik und ein besonderes Zellenmanagement Material LiCoO 2 LiMnO 2 LiFePO 4 Li 2 FePO 4 F Spannung 3,6 V 3,7 3,8 V 3,3 V 3,6 V 35

Das aktive Material der negativen Elektrode eines gängigen Li-Ionen-Akkus besteht aus Graphit. Die positive Elektrode enthält meist Lithium-Metalloxide, wie LiCoO 2 (Lithiumcobaltdioxid), LiNiO 2 oder LiMn 2 O 4. Das Innere eines Lithium-Ionen-Akkumulators ist völlig wasserfrei (Gehalt an H 2 O < 20 ppm!) an etwaigen Beschädigungen eindringendes Wasser reagiert unter starker Wärmeentwicklung mit Brand- und Verpuffungsgefahr. Der Elektrolyt besteht aus Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan und gelösten Lithiumsalzen wie LiPF 6 (Lithiumhexafluorophosphat) 36

Lithium kann in ionisierter Form durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandern Im Gegensatz zu den Lithium-Ionen sind die Übergangsmetall-Ionen ortsfest Entladen: Lithium-Atome geben an der negativen Elektrode jeweils ein Elektron ab, welches über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließt. Gleichzeitig wandern gleich viele Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der negativen zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen aber nicht die Lithium-Ionen das Elektron wieder auf, sondern die dort vorhandenen und im geladenen Zustand stark ionisierten und daher recht elektronenhungrigen Übergangsmetallionen (Kobalt, Nickel-, Mangan-, Eisen-Ionen) Das Lithium liegt im entladenen Zustand an der positiven Elektrode somit weiterhin in Ionen-Form vor. 37

Warum kein metallisches Lithium im Akku? In Praxis Problem: Lithium wird dendritisch abgeschieden als fein verteilter, hoch reaktiver Lithium-Schwamm, dessen Kristalle (Dendriten) den Separator perforieren, zur positiven Elektrode durchwachsen und somit die Zelle kurzschließen können. Daher werden die (relativ kleinen) Lithium-Atome in einem anderen Stoff eingelagert, meist Graphit, wo sie sich zwischen den Graphitebenen einlagern. Reaktionsgleichungen Negative Elektrode (Entladen): Positive Elektrode (Entladen): Redox-Gleichung: 38

Eigenschaften allgemeingültige Aussagen problematisch, je nach Materialkombination unterscheiden sich die Eigenschaften teilweise deutlich. Memory-Effekt Bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen wurde eine Anomalie im Verlauf der Entladespannungs-Kurve entdeckt, die von ihren Entdeckern als Memory-Effekt bezeichnet wird, kann in Praxis Ladezustandsanzeige verfälschen, kein klassischer Memoryeffekt! Lebensdauer Lithium-Ionen-Akkus der ersten Generationen hatte nur eine kurze Lebensdauer(2-3 Jahre) Je höher die Temperatur und je voller der Akku, desto eher kam es zum Ausfall Heute ist die Zyklenlebensdauer abhängig von Art und Qualität des Akkus, von der Temperatur (hohe Temp. schädlich, niedrige Ri sehr hoch) von der Art der Nutzung des Akkus, insbesondere (Ent-)Ladehub, Ladeschlussspannung und Stärke der Lade- sowie Entladeströme Meist nach fünf Jahren und 1000 Zyklen immer noch 80 % der Anfangskapazität 39

Energie-Effizienz Wirkungsgrad 90 % bis 98% Spannung Ein konventioneller LiCoO 2 -Akku liefert eine Nennspannung von 3,6 Volt Ladeschlussspannung liegt bei bis zu 4,3 Volt Entladeschlussspannung beträgt 2,5 Volt; eine Tiefentladung führt zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust Leistungsdichte typischerweise bei 300 1500 W/kg Energiedichte 95 190 Wh/kg, beziehungsweise 250 500 Wh/l, je nach verwendeten Materialien 40

Sie können, dürfen und sollen jederzeit nachgeladen werden. Lediglich häufiges Kurzladen sollte vermieden werden. Auch Vollladen in mehreren Etappen mit oder ohne teilweisem Entladen dazwischen schadet nicht, Ladeschlussspannung ca. 4,1 v Dafür sollen sie nicht vollständig entladen werden. Handy, Notebook, Digitalkamera usw. also nicht bis zum Abschalten benutzen, sondern den Akku möglichst wieder laden, wenn er noch ca. 20% Restkapazität hat. Wird er immer vollständig entladen, verringert sich dadurch zwar nicht direkt seine Lebenszeit oder Kapazität, aber die Anzahl möglicher Ladezyklen nimmt stark ab und damit sinkt bei häufigem Gebrauch eben doch die Lebenszeit. intelligenten Akku trotzdem gelegentlich vollständig entladen, weil damit Ladeelektronik zurückgesetzt wird => Fehlerreduktion 41

Ladegerät muss exakt an den verwendeten Akku angepasst sein, so dass man hier keinesfalls ein anderes Ladegerät nutzen kann. Die Ladung wird mit Konstantspannung 4,1-4,2V je Zelle (unterschiedlich je nach Akkumodell) und Strombegrenzung auf 0,8-1C durchgeführt und ist beendet, wenn der Ladestrom auf 3% des Nominalwertes also auf 0,03C abgesunken ist. Die Ladezeit ist mit 2-3h normal. Eine Schnellladung in 1h oder weniger ist nicht möglich. Ladegeräte, die das für Li-Ion Akkus versprechen, laden den Akku nur auf 75% seiner Kapazität auf! Auch hier soll die Initialladung als Langsamladung über 24h erfolgen. 42

Li-Ion vertragen keinerlei Überladung und es gibt keine Erhaltungsladung. Wenn erforderlich wird der Akku vom Ladegerät nachgeladen, wenn die Zellenspannung 4,05V unterschreitet. Wenn das Ladegerät nicht in Ordnung ist und den Akku überlädt, dann verliert er damit Kapazität, wenn er nicht vollkommen zerstört wird bzw. die interne Schutzschaltung eine endgültige Trennung der Zelle vornimmt. Dieser Prozess ist aber endgültig, daher ist es kein Memory-Effekt. Es gibt auch nicht die Notwendigkeit die Akkus neu oder nach längerer Lagerung zu (Re)cyclen um ihre volle Kapazität zu erreichen. Dass dieser Effekt doch gelegentlich beobachtet wird, dass ein Li-Ion Akku erst nach 2-3 Ladevorgängen seine volle Kapazität erreicht, ist nur ein Zeichen dafür, dass die Initialladung nicht richtig durchgeführt wurde. Der Nutzer kann hier aber auf nichts Einfluss nehmen. Er ist den Herstellern des Akkus und des Ladegerätes ausgeliefert. Wobei hier aus Gründen der Produkt- Haftung und der Sicherheit strenge Vorschriften gelten, an die die Hersteller gebunden sind. 43

Man kann bei Li-Ion fast nichts tun, um das Akku-Leben zu verlängern oder Kapazität zurückzugewinnen. Die Alterung ist nicht zu verhindern. Ein Lithium- Akku altert grundsätzlich durch interne Oxydation. Dies beginnt bereits unmittelbar nach der Herstellung. Diese steigt mit zunehmendem Alter. Daher sollte ein neuer Lithium-Akku beim Kauf nicht älter als ca. 6 Monate sein (was leider nur selten nachvollziehbar ist). Die Selbstentladung eines Li-Ion Akku durch seine internen chemischen Prozesse und den Energiebedarf der Schutzschaltung liegt nur bei ca. 3-10% je Monat. 44

Benutzen/Entladen ist bei Temperaturen zwischen -20 C bis +60 C möglich. Aufladen ist nur bei Temperatur der Akkus zwischen +5 bis +45 C möglich. Der Akku darf sich beim Ladevorgang nicht erwärmen. Passiert dies doch, weist das auf einen Defekt im Akku oder im Ladegerät oder auf eine unzureichende bzw. falsche Anpassung zwischen Akku und Ladegerät hin. Li-Ion haben grundsätzlich aufwendige Schutzschaltungen im Akkupack. Darüber hinaus gibt es sogenannte Smart-Batteries die zusätzliche Überwachungsschaltungen beinhalten. Smart-Batteries gibt es bei Notebooks auch als NiMH. Da hier die gesamte Ladesteuerung im Akku steckt und das Ladegerät diese benutzt, ist der Austausch zwischen unterschiedlichen Akkuarten bei solchen Geräten möglich. 45

Eine Tiefentladung tolerieren diese Akkus überhaupt nicht. Sinkt die Zellenspannung unter 2,5V ist eine Reaktivierung nur mit speziellen Ladegeräten möglich. Sinkt die Zellenspannung unter 1,5V ist der Akku nicht mehr verwendbar! Die Akkus sollen über längere Zeit nicht leer, aber auch nicht vollgeladen, gelagert werden. Die bei voller Ladung ablaufenden chemischen Prozesse altern den Akku auch. Die optimale Lagerung erfolgt mit 40% Kapazität und bei niedrigen Temperaturen, aber nicht bei unter 0 C. Im Kühlschrank bei 5 C bis 10 C und in einer dichten Box oder Tüte, so dass kein Kondenswasser an den Akkus entsteht, ist gut. Diese Akkus altern dabei bei höherer Ladung (Vollladung) und höherer Lagertemperatur noch wesentlich stärker, als NiCd und NiMH! Bei längerer Lagerung muss hier darauf geachtet werden, dass die Zellenspannung 2,5V nicht unterschritten wird. 46