mooveBS Elektrotechnik -Eine Powerbank fertigen (DQR3)

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"

Aufgabe 1

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

Aufgabe 2

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

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.

Aufgabe 3

Damit der Laderegler MAX1811 arbeiten kann, müssen seine Anschlüsse (englisch Pins) beschalten werden.

Ordnen Sie folgende deutsche Aussagen den Pins des ICs zu.

Ordnen Sie folgende englische Aussagen den Pins des ICs zu.

Aufgabe 4

Elektrolytkondensatoren werden im Sprachgebrauch oft mit Elkos abgekürzt.

Markieren Sie die Elektrolytkondensatoren (kurz Elkos) mit einem Leuchtmarker auf dem Schaltplan. Falls Sie die Elkos nicht finden können, bearbeiten Sie im Lernschritt 1.2 die Aufgabe 11.

Informieren Sie sich über den Elektrolytkondensator und ordnen Sie ihm die richtigen Eigenschaften zu. 

Finden Sie einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse.

Der Akkumulator (Akku)

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

Aufgabe 5

Welcher Akku-Typ wäre der richtige für eine Powerbank?

Welcher Akku-Typ hat eine Lebensdauer ab Herstellung von etwa 5 Jahre?

Aufgabe 6

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

Die Elektrische Kapazität

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

Aufgabe 7

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

Aufgabe 8

Diskutieren Sie mit Ihrem Nachbar, wie die Abkürzungen Ah und mAh ausgeschrieben lauten und notieren Sie hier Ihre Ergebnisse.

Berechnung der Kapazität

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

Wir betrachten die Gleichung für die Stromstärke näher:

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.

Aufgabe 9

Berechnen Sie die Ladungsmenge ...

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

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

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.

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

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

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

Aufgabe 10

Berechnen Sie die elektrische Energie ...

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

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

... von zwei verschiedenen Akkus für Ihre Powerbank. Welcher der beiden hat die größere Energie? Tragen Sie Ihre Ergebnisse hier ein:

Aufgabe 11

Suchen Sie sich einen Lernpartner und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse der Aufgaben 7 bis 10. 

Berechnung der Energie (Arbeit)

Aufgabe 12

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

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

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

Aufgabe 13

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:

Aufgabe 14

Suchen Sie sich einen Partner und bewerten Sie folgende Aussagen:

Zick und Zack sind Zwillinge und gleich schwer.

Zwei Wasserkocher werden an 230 VAC betrieben und erhitzen einen Liter Wasser auf 60 °C.

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

Aufgabe 15

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

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

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

Aufgabe 16

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

Aufgabe 17

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

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

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

Zusammenfassung

Aufgabe 18

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.

Reflexion

Beantworten Sie für sich folgende Fragen.