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  • 1.3: Den Lade- und Entladungsprozess des Akkus beschreiben

    •   Ich kann...

      In diesem Lernschritt lerne ich Folgendes:

      • Ich kann auf dem Schaltplan die Bauteile für den Lade- und Entladungsprozess des Akkus erkennen. 
      • Ich kann die Beschaltung der Pins des MAX1811 definieren.
      • Ich kann Eigenschaften eines Elkos nennen.
      • Ich kann den richtigen Akku-Typ auswählen.
      • Ich kann mir die Funktion einzelner Pins eines ICs erklären.
      • Ich kann eine Recherche im Tabellenbuch, Fachkundebuch oder Internet durchführen.
      • Ich kann Inhalte strukturieren.
      • Ich kann an einer kurzen Aufgabe konzentriert arbeiten.

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitInformation

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Die Baugruppe Akku laden analysieren 

      Zur Ladung des Akkus sind folgende Bauteile notwendig:

      • Elektrolytkondensator "C2"

      • Laderegler MAX1811 "IC1"

      • Elektrolytkondensator "C3"

      • Akku "G1"

      • Widerstand "R5"

      • Leuchtdiode (LED) "P1"

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 1

      Nehmen Sie grüne Farbe, ziehen Sie einen Kreis um diese Bauteile und beschriften Sie den Kreis.

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    • Lernziel BLernziel CPartnerarbeitDialogisches Sprechen

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 2

      Suchen Sie sich einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Lösung aus Aufgabe 1.

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitInformation

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Eigenschaften des Ladereglers MAX1811

      Der Laderegler übernimmt folgende Aufgaben.

      1. Er lädt den Akku und stellt dabei die Spannung und den Strom ein.

      2. Er überwacht die Spannung des Akkus und beendet die Ladung, wenn der Akku voll ist.

      Der Laderegler MAX1811 beinhaltet in seinem Gehäuse eine Schaltung mit Widerständen, Transistoren und weiteren Bauteilen. So eine Schaltung wird auch „Integrierte Schaltung" oder „IC" genannt. IC steht für das englische Wort „Integrated Circuit".

      Der Laderegler benötigt am Eingang und am Ausgang Kondensatoren (C2 und C3), die als kleine Energiespeicher genutzt werden.

      • C2 gleicht Schwankungen der Eingangsspannung aus.
      • C3 liefert Strom, wenn mehr benötigt wird, als der MAX1811 liefern kann.

      Die Leuchtdiode P1 zeigt an, ob der Laderegler den Akku lädt.

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeit

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 3

      Damit der Laderegler MAX1811 arbeiten kann, müssen seine Anschlüsse (englisch Pins) beschaltet werden. Ordnen Sie folgende englische Aussagen den Pins des ICs zu.





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    • Lernziel CEinzelarbeit

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 4

      Aber ist der Laderegler MAX1811 überhaupt für die Eingangsspannung der Powerbank geeignet? Begründen Sie Ihre Antwort mit der Eingangsspannung des MAX1811 aus dem Datenblatt und der Spezifikation des Universal Serial Bus (USB)!

      Zitat aus dem Datenblatt des MAX1811: „Input Supply Voltage: min. 4.35V, max. 6.50V“

      Sollten Sie diese Aufgabe nicht lösen können, dann informieren Sie sich bei „1.2 Die Eingangsschaltung der Powerbank analysieren“.







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    • Lernziel BLernziel CPartnerarbeitDialogisches Sprechen

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 5

      Finden Sie einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse der Aufgaben 3 und 4.

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    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 6

      Elektrolytkondensatoren werden im Sprachgebrauch oft mit Elkos abgekürzt.

      Informieren Sie sich über den Elektrolytkondensator in Ihrem Fachkundebuch, im Tabellenbuch oder im Internet und ordnen Sie dem Elektrolytkondensator ...

    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeit

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      ... die richtigen Eigenschaften zu. 

    • Lernziel CEinzelarbeit

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      ... die richtigen Aufgaben zu. 








    • Lernziel BLernziel CPartnerarbeitDialogisches Sprechen

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Finden Sie einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse.

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitInformation

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Der Akkumulator (Akku)

      Wenn Sie Ihr Smartphone an der Powerbank aufladen, liefert der Akku die dafür notwendige Energie.

      Einer der ersten Akkumulatoren (Akku), welcher in großen Stückzahlen verwendet wurde, ist der Bleiakkumulator (kurz Bleiakku)  Er wird auch heute noch hauptsächlich zum Starten von Verbrennungsmotoren in Mofas, Autos, Schiffen verwendet. Ein großer Nachteil ist sein Gewicht. 

      BatteryKing, CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

      Für batteriebetriebene Werkzeuge (Akku-Schrauber) benötigte man leichte Akkus, welche dennoch viel Energie speichern konnten:

      Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (kurz NiMH-Akku).

      Die Energiedichte beträgt von 60 Wh/kg bis 110 Wh/kg.

      Nachteile sind die Lebensdauer (beträgt nur 500 bis 1000 Ladezyklen) und der Lazy-Effekt. Dieser entsteht, wenn der Akku geladen wird, obwohl er vorher nicht ganz entladen war. Im Betrieb sinkt dann die Entladespannung zunächst allmählich und dann plötzlich stark ab.

      NiMH-Akku

      © Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

      Für energiehungrige Geräte (Handys, Video- und Digitalkameras, Notebooks oder im Modellbau) wurden Akkus benötigt, welche bei geringem Gewicht sehr viel Energie speichern können:

      Lithium-Ionen-Akkumulatoren (kurz Li-Ion-Akku).

      Die Energiedichte beträgt von 95 Wh/kg bis 300 Wh/kg

      Lithium-Ionen-Akkus sind mehrfach abgesichert. Bei Erreichen der Entladeschlussspannung, bei Überdruck oder Übertemperatur werden die Akkus abgeschaltet. Zusätzlich wird der Lade- und Entladevorgang durch den Laderegler kontrolliert.

      Ein Li-Ion-Akku liefert eine Nennspannung von 3,7 Volt und die Entladeschlussspannung beträgt 2,5 Volt. Die Ladeschlussspannung liegt bei 4,1 Volt.

      Die Lebensdauer der Akkus beträgt je nach Typ etwa 500 bis 4000 Ladezyklen. Wegen Alterungsprozessen im Akku sind sie ab Herstellung etwa 5 Jahre lang voll funktionsfähig (auch bei Nichtbenutzung). Danach sinkt die Kapazität allmählich. Der Akku altert schneller, je höher seine Zellenspannung ist. Deshalb sollte ein Li-Ion-Akku nicht vollständig aufgeladen werden. Der Ladezustand sollte 55 % bis 75 % betragen, kühle Lagerung ist vorteilhaft.

      Li-Ion-Akku

      Aney, CC BY-SA 3.0 (via Wikimedia Commons)

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    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 7

    • Lernziel BEinzelarbeit

    • Teilnehmer/innen müssen
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      Welcher Akku-Typ hat eine Lebensdauer ab Herstellung von etwa 5 Jahren?

    • Lernziel CEinzelarbeit

    • Teilnehmer/innen müssen
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      Welcher Akku-Typ hat die höchste Energiedichte?

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeit

    • Teilnehmer/innen müssen
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      Aufgabe 8

      Auf den folgenden Bildern sehen Sie verschiedene Arten von Kapazitäten. Finden Sie einen Lernpartner und diskutieren Sie die verschiedenen Arten von Kapazitäten.

      Art der Kapazität Kleine Kapazität Große Kapazität
      Transportkapazität

      Batipka, CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

      Mamauch, CC BY-SA 4.0, (via Wikimedia Commons)
      Personenkapazität

      Dietmar Rabich, CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

      High Contrast, CC BY 3.0 DE (via Wikimedia Commons)
      elektrische Kapazität

      Li-Ion-Akku

      Aney, CC BY-SA 3.0 (via Wikimedia Commons)

      BatteryKing, CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitInformation

    • Teilnehmer/innen müssen
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      Die Elektrische Kapazität

      Die Kapazität eines Akkus wird meist in Ah oder mAh angegeben. Richtig wäre die Angabe in Coulomb (abgekürzt mit C).

      Autobatterie

      Handyakku

      BatteryKing, CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

      Li-Ion-Akku

      Aney, CC BY-SA 3.0 (via Wikimedia Commons)

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 9

      Ermitteln Sie anhand der Bilder die Kapazitäten der Autobatterie und des Handyakkus und tragen Sie Ihre Ergebnisse hier ein:











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    • Lernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 10

      Rechnen Sie die Kapazität der Autobatterie um in mAh und tragen Sie Ihr Ergebnis hier ein:











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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitInformation

    • Teilnehmer/innen müssen
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      Berechnung der Kapazität

      Wie hängen nun die Ladungsmenge in Coulomb und die Akkukapazität in Amperesekunde zusammen?

      Wir betrachten die Gleichung für die Stromstärke näher:

      umgestellt nach Q

        I: Strom in Ampere A

        Q: Ladungsmenge in Coulomb C  

        t: Zeit in Sekunden s

      Schauen wir uns nun die Einheiten genauer an:

      Die Ladungsmenge Q hat die Einheit C (Coulomb).

      Der Strom I hat die Einheit A (Ampere).

      Die Zeit t hat die Einheit s (Sekunde).

      Damit kann mit der Gleichung die Einheit Coulomb umgerechnet werden in Amperesekunden:

      Also hat ein Akku, in dem die Ladungsmenge von 1 C gespeichert ist, eine Kapazität von 1 As.

      Da eine Stunde aus 3600 Sekunden besteht, hat 1 Amperestunde (Ah) den Wert 3600 As oder 3600 C.

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    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 11

      Berechnen Sie die Ladungsmenge ...

    • Lernziel BEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      ... in Coulomb des Handyakkus und tragen Sie Ihr Ergebnis hier ein:

    • Lernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      ... in Kilo-Coulomb der Autobatterie und tragen Sie Ihr Ergebnis hier ein:

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitInformation

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Berechnung der Energie (Arbeit)

      Die Kapazität ist lediglich ein Maß für das Fassungsvermögen, für die Größe des Akkus.

      Entscheidend für das Durchhaltevermögen ist jedoch die gespeicherte Energie. Die Energie entscheidet, wie lange Sie Ihr Handy an der Powerbank betreiben können.

       

      Wieviel elektrische Energie (Arbeit) im Akku gespeichert ist, hängt auch von dessen Spannung ab.

      Die elektrische Energie (Arbeit) berechnet sich anhand folgender Formel:

       

      mit 

       

      W: elektrische Energie (Arbeit) in Joule J

      Q: Ladungsmenge in Coulomb C=As

      U: Spannung in Volt V

      I: Strom in Ampere A

      t: Zeit in Sekunden s

      In der Mechanik hat die Energie die Einheit Joule, abgekürzt mit J.

      Die elektrische Energie hat jedoch die Einheit Wattsekunde, abgekürzt mit Ws.

      1 Joule = 1 J = 1 Ws = 1 Wattsekunde

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    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Lernziel BLernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 12

      Für Ihre Powerbank stehen zwei Akkus zur Verfügung. Welcher der beiden hat die größere Energie? Tragen Sie Ihre Ergebnisse hier ein:

       

      Akku 1

      Akku 2

      Kapazität

      75.600.000 mAs

      22 Ah

      Spannung

      3,7 V

      3,5 V
















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    • Lernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 13

      Berechnen Sie die Spannung eines Handyakkus mit einer Kapazität von 600 mAh, wenn dieser eine elektrische Energie von 19,44 kWs enthält. Tragen Sie Ihr Ergebnis hier ein:

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    • Lernziel BLernziel CPartnerarbeitDialogisches Sprechen

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 14

      Suchen Sie sich einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse der Aufgaben 9 bis 13. 

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitInformation

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Berechnung der Energie (Arbeit)

      Fernando Frazão/Agência Brasil, CC BY 3.0 BR (via Wikimedia Commons)

      Der schnellste Mann der Welt!

       

      Der Jamaikaner Usain Bolt

      stellte am 16. August 2009 in Berlin

      mit 9,58 Sekunden den Weltrekord

       im 100-m-Lauf auf. 

       

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    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 15

      Bestimmt haben Sie in Ihrem Leben auch schon einen 100-m-Lauf absolviert. 

    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Vergleichen Sie Ihre Energie (Arbeit) mit der Energie (Arbeit) von Usain Bolt.

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Lernziel BLernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Vergleichen Sie jetzt Ihre Leistung mit der Leistung von Usain Bolt.

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    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 16

      Ermitteln Sie mit Hilfe des Internets

      • das Formelzeichen der Leistung,

      • die ausgeschriebene Einheit der Leistung und

      • die Abkürzung der Einheit der Leistung.

      Tragen Sie Ihre Ergebnisse hier ein:

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    • Teilnehmer/innen müssen
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      Aufgabe 17

      Suchen Sie sich einen Partner und bewerten Sie folgende Aussagen:

    • Lernziel BLernziel CPartnerarbeitDialogisches Sprechenmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
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      Zick und Zack sind Zwillinge und gleich schwer.





















    • Lernziel BLernziel CPartnerarbeitDialogisches Sprechenmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
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      Zwei Wasserkocher werden an 230 VAC betrieben und erhitzen einen Liter Wasser auf 60 °C.






















    • Lernziel BLernziel CPartnerarbeitDialogisches Sprechenmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Ein europäischer Kühlschrank wird mit 230 VAC betrieben, der amerikanische jedoch nur mit 110 VAC.























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    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 18

      Ermitteln Sie mit Hilfe des Internets die Formel für ...

    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      ... die mechanische Leistung, wenn die Energie (Arbeit) W und die Zeit t gegeben sind. Tragen Sie Ihre Ergebnisse hier ein:

    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      ... die elektrische Leistung, wenn die Spannung U und der Strom I gegeben sind. Tragen Sie Ihre Ergebnisse hier ein:






















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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 19

      Ein Motor kann eine Arbeit von 25.000 Ws innerhalb von 25 s leisten. Wieviel Leistung (in Kilowatt) hat der Motor?























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    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aufgabe 20

      Ein Akku hat eine Spannung von 5 V und eine Kapazität von 5 Ah.

    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Aus dem Akku fließt ein Strom von 2 A. Wie groß ist die abgegebene Leistung in W?























    • Lernziel CEinzelarbeitmit Stift bearbeiten

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Wieviel Energie/Arbeit in Wh ist in dem Akku gespeichert?
























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    • Lernziel BLernziel CDialogisches SprechenPlenum Lehrer holen

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Zusammenfassung

      Aufgabe 21

      Finden Sie sich im Plenum zusammen und holen Sie den Lehrer hinzu. Der Lehrer moderiert die Diskussion.

      1. Diskutieren Sie im Plenum die Funktion des Kondensators C2.
      2. Erklären Sie im Plenum die Aufgaben des MAX1811.
      3. Begründen Sie im Plenum Ihre Wahl des Akku-Typs.

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    • Lernziel BLernziel CEinzelarbeit

    • Teilnehmer/innen müssen
      Als erledigt kennzeichnen

      Reflexion

      Beantworten Sie für sich folgende Fragen.

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