mooveBS Elektrotechnik- Eine Powerbank fertigen und vertreiben (DQR4)
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1.3: Den Lade- und Entladungsprozess des Akkus beschreiben
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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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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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Aufgabe 1
Nehmen Sie grüne Farbe, ziehen Sie einen Kreis um diese Bauteile und beschriften Sie den Kreis.
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Aufgabe 2
Suchen Sie sich einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Lösung aus Aufgabe 1.
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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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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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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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Aufgabe 5
Finden Sie einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse der Aufgaben 3 und 4.
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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 ...
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... die richtigen Eigenschaften zu.
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... die richtigen Aufgaben zu.
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Finden Sie einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse.
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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.
© 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.
Aney, CC BY-SA 3.0 (via Wikimedia Commons)
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Aufgabe 7
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Welcher Akku-Typ hat eine Lebensdauer ab Herstellung von etwa 5 Jahren?
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Welcher Akku-Typ hat die höchste Energiedichte?
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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 
Aney, CC BY-SA 3.0 (via Wikimedia Commons)
BatteryKing, CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)
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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)
Aney, CC BY-SA 3.0 (via Wikimedia Commons)
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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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Aufgabe 10
Rechnen Sie die Kapazität der Autobatterie um in mAh und tragen Sie Ihr Ergebnis hier ein:
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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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Aufgabe 11
Berechnen Sie die Ladungsmenge ...
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... in Coulomb des Handyakkus und tragen Sie Ihr Ergebnis hier ein:
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... in Kilo-Coulomb der Autobatterie und tragen Sie Ihr Ergebnis hier ein:
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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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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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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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Aufgabe 14
Suchen Sie sich einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse der Aufgaben 9 bis 13.
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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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Aufgabe 15
Bestimmt haben Sie in Ihrem Leben auch schon einen 100-m-Lauf absolviert.
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Vergleichen Sie Ihre Energie (Arbeit) mit der Energie (Arbeit) von Usain Bolt.
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Vergleichen Sie jetzt Ihre Leistung mit der Leistung von Usain Bolt.
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Aufgabe 16
Ermitteln Sie mit Hilfe des Internets
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das Formelzeichen der Leistung,
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die ausgeschriebene Einheit der Leistung und
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die Abkürzung der Einheit der Leistung.
Tragen Sie Ihre Ergebnisse hier ein:
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Aufgabe 17
Suchen Sie sich einen Partner und bewerten Sie folgende Aussagen:
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Zick und Zack sind Zwillinge und gleich schwer.
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Zwei Wasserkocher werden an 230 VAC betrieben und erhitzen einen Liter Wasser auf 60 °C.
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Ein europäischer Kühlschrank wird mit 230 VAC betrieben, der amerikanische jedoch nur mit 110 VAC.
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Aufgabe 18
Ermitteln Sie mit Hilfe des Internets die Formel für ...
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... die mechanische Leistung, wenn die Energie (Arbeit) W und die Zeit t gegeben sind. Tragen Sie Ihre Ergebnisse hier ein:
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... die elektrische Leistung, wenn die Spannung U und der Strom I gegeben sind. Tragen Sie Ihre Ergebnisse hier ein:
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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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Aufgabe 20
Ein Akku hat eine Spannung von 5 V und eine Kapazität von 5 Ah.
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Aus dem Akku fließt ein Strom von 2 A. Wie groß ist die abgegebene Leistung in W?
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Wieviel Energie/Arbeit in Wh ist in dem Akku gespeichert?
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Zusammenfassung
Aufgabe 21
Finden Sie sich im Plenum zusammen und holen Sie den Lehrer hinzu. Der Lehrer moderiert die Diskussion.
- Diskutieren Sie im Plenum die Funktion des Kondensators C2.
- Erklären Sie im Plenum die Aufgaben des MAX1811.
- Begründen Sie im Plenum Ihre Wahl des Akku-Typs.
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Reflexion
Beantworten Sie für sich folgende Fragen.
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