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Akkumulator

Der Bleiakkumulator gehört zur Standardausrüstung eines jeden Autos oder Motorrades. Fälschlicherweise wird er nicht selten als Batterie, Autobatterie, Motorradbatterie, Starterbatterie oder Bleibatterie bezeichnet. Als Batterie werden jedoch nicht wiederaufladbare Zellen bezeichnet, oft auch Primärzelle genannt. Die korrekte Bezeichnung Bleiakkumulator (oder kurz Bleiakku) rührt daher, daß die Elektroden aus Blei bestehen. Als Elektrolyt dient Schwefelsäure. Im geladenen Zustand besteht die positive Polplatte aus Bleidioxid (PbO2) und die negative aus blankem Blei (Pb). Beim Entladen bildet sich an beiden Platten feinverteiltes Bleisulfat (PbSO4).

Bleiakkumulatoren sind aufgrund des stark ätzenden Elektrolyts im Falle eines Defekts potentiell gefährlich und bei nicht fachgerechter Entsorgung alles andere als umweltfreundlich, da Blei ein giftiges Schwermetall ist. Er muß daher unbedingt dem Recycling zugeführt werden, was in Deutschland mittlerweile Pflicht ist. Er ist zudem relativ schwer, voluminös und besitzt eine im Vergleich zu anderen Akkumulatortypen geringe Strombelastbarkeit. Zudem ist seine Selbstentladung mit 0,2 bis 1% pro Tag relativ hoch. Allerdings ist er vergleichsweise billig, robust und sehr einfach zu laden, weshalb er trotz seiner zahlreichen Nachteile im Automobilbereich nach wie vor ausschließlich eingesetzt wird. Eine Ausnahme bilden aus Gewichtsgründen lediglich Hybridfahrzeuge.

Im Automobilbereich benutzte Akkumulatoren besitzen Bleielektroden, die gewollt extrem porös ausgeführt sind, um eine hohe Oberfläche pro Volumen zu erreichen. Durch die große Oberfläche kann der Akku viel Strom liefern, was eine Grundvoraussetzung für einen erfolgreichen Kaltstart ist. Zudem wird so eine vergleichsweise große Kapazität bei kleinem Volumen erreicht. Sie hat aber auch einen ganz entscheidenden Nachteil: Da die Bleielektrode einem Schwamm nicht unähnlich ist, bröckeln bei jedem Lade-/Entladevorgang winzige Teile der Elektrode ab, weil eine chemische Umwandlung der Elektroden erfolgt, die auch Auswirkungen auf die Stabilität haben. Einerseits verringert sich damit die wirksame Oberfläche, andererseits bildet sich sogenannter Batterieschlamm, der sich am Boden absetzt. Beim Autoakku reichen daher die Elektroden nicht bis ganz unten an den Boden, damit sich der teilweise leitfähige Batterieschlamm gefahrlos unten absetzen kann. Erreicht er aber die Elektroden, kann es zu einem Kurzschluß kommen, wodurch die betroffene Zelle unbrauchbar wird. Wenn man den Akku dauernd bis zur Kapazitätsgrenze entlädt und wieder auflädt, bröckelt relativ viel Material ab, was seine Lebensdauer sehr stark verkürzt. Autoakkus sind durch die Elektrodenstruktur vielmehr daraufhin ausgelegt, für kurze Zeit hohe Ströme liefern zu können. Sie mögen es aber nicht, wenn man ihnen viel Ladung entnimmt, weil dann die Elektroden wegbröckeln. Bei regulärem Betrieb ist das auch nicht der Fall: Nach einem Motorstart wird der Akku sofort wieder geladen.

Bei Kurzstreckenautos oder bei Defekten am Generator ("Lichtmaschine") wird der Akku hingegen nicht genügend aufgeladen und befindet sich mehr oder weniger ständig im halb- bis nahezu ganz entladenen Zustand. Wenn ein Akku in diesem Zustand tagelang verharren muß, sulfatieren die Elektroden, was einer Kapazitätsverringerung gleichkommt, die nicht mehr vollständig rückgängig gemacht werden kann. Dies ist zusammen mit dem Batterieschlamm der Grund, warum Bleiakkus in Kurzstreckenautos meistens nicht sehr lange leben. Dies kann man abmildern, indem man bei häufigem Kurzstreckenbetrieb den Akku regelmäßig mit einem Ladegerät volllädt. Ganz schlimm ist es, wenn man einen Autoakku zweckentfremdet (z.B. als vermeintlich preisgünstige Alternative zu speziell für Solaranlagen konstruierten Akkus) und regelmäßig bis zur Kapazitätsgrenze entlädt. Hierbei ist die Schlammbildung sehr hoch, was sich sehr ungünstig auf seine Lebensdauer auswirkt. Für Solaranlagen gibt es aus genau diesem Grund spezielle Akkus mit weniger porösen Elektroden, die starke Entladungszyklen deutlich besser wegstecken und auch eine geringere Selbstentladung besitzen.

Autoakkus sind wie gesagt durch ihre Elektrodenstruktur dahingehend optimiert, daß sie kurzzeitig selbst bei niedrigen Temperaturen relativ hohe Ströme liefern können, da ihre Hauptaufgabe darin liegt, den Strom zum Starten des Motors zu liefern. Das Stromliefervermögen ist direkt proportional zur Plattenoberfläche, was auch erklärt, daß Akkus mit hohem Stromliefervermögen automatisch eine höhere Kapazität besitzen als solche mit kleinem Stromliefervermögen. Fahrzeuge mit Ottomotoren großen Hubraums und solche mit Dieselmotoren benötigen stärkere Anlasser als Fahrzeuge mit kleinem Ottomotor, die natürlich auch mehr Strom benötigen. Deswegen benötigen sie größere Akkus als Fahrzeuge mit kleinem Motor. Daß der Akku dabei auch eine größere Kapazität besitzt, ist entgegen landläufiger Meinung dabei nur ein Sekundäreffekt.

Ein deutlich größerer Akku wird deutlich weniger entladen und dankt dies mit einer deutlich längeren Lebensdauer. Als angenehmen Nebeneffekt hat man dann auch mehr Reserven, wenn der Akku am Ende seiner Lebensdauer deutlich an Kapazität verliert. Unsinnig ist übrigens in diesem Zusammenhang die weitverbreitete Behauptung, ein kleiner Generator ("Lichtmaschine") habe mit einer dicken Autobatterie Probleme oder würde sogar Schaden nehmen. Der Beweis ist sehr einfach: In heutigen Fahrzeugen serienmäßig verbaute Generatoren haben eine Leistung von eher mehr als 1000 W. Dies entspricht bei einer Nennspannung von 13,2 V einer Stromstärke von immerhin 75 A. Ein handelsüblicher PKW-Akku kann einen solch hohen Ladestrom überhaupt nicht aufnehmen; das Problem bei der Ladung von Bleiakkus ist ja eher, ausreichend Strom in den Akku hineinzubekommen, um eine vertretbare Ladezeit hinzubekommen.

LED

auch Lumineszenz-Diode oder kurz LED, für Light Emitting Diode genannt, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement mit einem p-n Übergang. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge ab.

Am Beginn der Entwicklung von Halbleitern, stand eine wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle.
Er schildert seine Versuche, bei denen er eine Metallspitze auf einen Schwefelkristall presste und herausfand, dass der Kristall in einer Richtung gut leitet und zwar um so besser, je höher der Strom ist, in der anderen Richtung fließt hingegen nur wenig Strom. Da man damals nur Ohmsche Leiter und Isolatoren kannte, passte dieser Gleichrichteffekt nicht in die damals bekannten Eigenschaften der Materie und es dauerte fast 60 Jahre!!! bis eine Erklärung dieser besonderen Merkmale gefunden werden konnte. Diese von Braun gefundene "elektrische Einbahn" spielte dann als Germanium-Kristalldetektor im frühen 19. Jahrhundert in der Anfangszeit von Telegrafie und Radio eine wichtige Rolle und beeinflusste später sogar entscheidend den Ausgang des 2. Weltkrieges! Radaranlagen benützen sehr kurzwellige, hochfrequente elektromagnetische Wellen. Radarempfänger müssen die schwach reflektierten Signale empfangen und verstärken. Für diesen Zweck erwies sich Brauns Kristalldetektor als qualifiziert. Die in Massen produzierten Radergeräte entschieden somit den Luftkrieg um England

Wie funktioniert nun eine Led?
In einem reinem Halbleiterkristall befinden sich immer gleich viele Leitungselektronen wie Elektronenlöcher. Die Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger und somit die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe(dotieren) bestimmter Fremdatome wesentlich gesteigert werden. Man spricht dann von dotierten Halbleitern. Durch Einbau von fünfwertigen Fremdatomen (Donatoren) erhält man Elektronen Überschussleiter(n-Leiter) und durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen (Akzeptoren) erhält man Elektronenmangelleiter (p-Leiter).
Bauen wir nun in Gedanken eine Diode zusammen.
Wir nehmen je ein Stück n- leitendes und p- leitendes Material. Solange sich die beiden Halbleiter nicht berühren, sind sie elektrisch neutral. Im n-Leiter befinden sich viele frei bewegliche Elektronen und im p-Leiter befinden sich viele frei bewegliche Elektronenlöcher.
Nun verbinden wir den n und p-Leiter mit einem Hauch dünnen Golddraht und legen eine Durchlassspannung an. An der Kontaktfläche kommt nun einiges in Schwung. Elektronen aus dem n-Bereich und Elektronenlöcher aus dem p-Bereich wandern durch den pn-Übergang (Golddraht) und r e k o m b i n i e r e n d.h. Elektronen werden von den Löchern eingefangen und wieder an Gitterplätze gebunden. Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt.
Die Farbe des abgestrahlten Lichtes hängt somit vom Material (Halbleiter) der Led´s ab.

Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge
Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, LWL bis 1000 nm
Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
Galliumphosphid (GaP) – grün
Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau und grün
Kupferplumbid (CuPb) - Emitter im nahen Infrarot (NIR)
Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer Phosphorschicht, die als Lumineszenz-Konverter wirkt
Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau,
Galliumphosphid (GaP) – grün,
Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP), orange.

Komparator NE555

Der NE555 wurde speziell für die Erzeugung exakter Rechtecksignale und Einzelimpulse entwickelt.
Die wichtigsten Bausteine sind der interne Spannungsteiler, die beiden Komparatoren und das RS-Flipflop.
Die beiden Komparatoren vergleichen die Eingangsspannungen (am Trigger- und Threshold-Eingang) mit den Teilspannungen des internen Spannungsteilers. Die Schaltschwellen liegen exakt bei 1/3 und bei 2/3 der Versorgungsspannung.
Der NE555 besteht aus zwei Operationsverstärkern, die als Komparatoren arbeiten. Die Leerlaufverstärkung liegt in der Größenordnung ~105.
Die beiden Ausgänge der Komparatoren sind mit einem Flipflop verbunden. Dieses Flipflop speichert die Eingangsinformation und hat eine Vorzugslage, d.h. beim Einschalten der Versorgungsspannung hat der Ausgang Q des Flipflops ein LOW-Signal.
Dieses LOW-Signal wird durch den nachgeschalteten Inverter mit einem Leistungstransistor negiert und man erhält am Ausgang somit ein HIGH-Signal.
Das Flipflop steuert auch den Transistor mit offenem Kollektor für die Entladefunktion des externen Kondensators an. Ist das Flipflop gesetzt, ist der Transistor durchgeschaltet und der Eingang Discharge hat 0V-Potential. Bei rückgesetztem Flipflop ist der Transistor gesperrt.
Mit einem LOW-Signal am Pin 4 (Reset-Eingang) läßt sich das Flipflop auch direkt zurücksetzen. Dieser Eingang sollte im Ruhezustand immer mit HIGH verbunden werden.
Wichtig ist der Spannungsteiler, welcher aus drei gleich großen Widerständen von 5k-Ohm mit einer Toleranz von 1% besteht. Durch diesen Spannungsteiler ergeben sich folgende Spannungsverhältnisse an den beiden Komparatoren:Komparator 1 schaltet wenn die Eingangsspannung am Trigger (Pin 2) unter 1/3 der Versorgungsspannung liegtKomparator 2 schaltet wenn die Eingangsspannung am Threshold (Pin 6) über 2/3 der Versorgungsspannung liegtDer Komparator vergleicht die beiden Spannungen an seinem Eingang. Ist die Spannung am positiven (nicht invertierenden) Eingang höher als die Spannung am negativen (invertierenden), so springt der Ausgang auf HIGH. Ist die Spannung am negativen Eingang höher als am positiven, springt der Ausgang auf LOW.
Pin1 Masse
Pin2 Triggerung
Pin3 Ausgang (max. 200mA)
Pin4 Rücksetzen (direkt)
Pin5 Steuerung
Pin6 Rücksetzen (indirekt)
Pin7 Enladung
Pin8 Versorgungsspannung +VCC


Wie funktioniert eigentlich ein Blinkgeber?


In der KFZ-Technik war nach Möglichkeit alles simpel. Die Blinkgebertechnik stammt aus noch aus Bimetallblinkgeberzeiten. Alle aktiven elektrischen und elektronischen Bauteile benötigen zum Betrieb Plus und Minus (bei Gleichspannung).
Früher gab es noch keine elektronischen Blinkgeber. Man hat sich mit elektromechanischen Mitteln beholfen. Im Bimetallblinkgeber war ein Bimetall, dass mit einem Hitzdraht umwickelt war. Dieses Bimetall war als Schaltkontakt ausgeführt. Im Ruhezustand war das Bimetall abgekühlt und der Kontakt geschlossen. Das war gewollt, damit die Blinkphase immer mit einer Hell-Zeit beginnt. Zu diesem Kontakt wurde eine Hitzdrahtwicklung in Reihe geschaltet.
Wurde der Draht durch Stromfluß erhitzt, verbog sich das Bimetall und öffnete den Kontakt. Durch das Öffnen des Kontaktes wurde der Stromfluss durch den Hitzdraht abgebrochen und das Bimetall konnte wieder abkühlen. Der Kontakt schloss wieder und das Spielchen begann von vorn.

Auch bei elektronischen Blinkgebern ist das Prinzip so. Es ist also der Blinkgeber in Reihe mit den Lampen geschaltet und dazwischen hat man noch den Richtungsschalter gesetzt. Der Blinkgeber liegt nach Plus (Klemme 15) und der Richtungsschalter schaltet je eine Blinkerseite dazu, womit der Stromkreis nach Masse hergestellt wird. Durch den Lampenwiderstand der Blinkerlampen erhält nun der Blinkgeber Betriebsspannung und fängt an zu arbeiten. Bei Anlegen der Spannung wird ganz kurz (Millisekunden) die Betriebsspannung der Elektronik mit Saft versorgt und gleichzeitig eine minimale Pufferung selbiger für den Betrieb der Elektronik erzeugt. Dann wird der Relaiskontakt geschlossen. Im Inneren wird nun eine Zeitkonstante abgearbeitet, in der das Relais geschlossen bleibt, dann öffnet es. Jetzt wird wieder die Elektronik mit Saft versorgt (aufgetankt) da der Relaiskontakt offen ist und über die Lampen Masse zur Elektronik geleitet wird. Die Elektronik schließt den Kontakt wieder - es blinkt.

Die originalen Blinkgeber haben außerdem in der Blinkerleitung einen kleinen Meßwiderstand liegen. Durch den Stromfluß wird ein kleiner Prozentsatz der Spannung abgeteilt. Diese Spannung wird mit der Elektronik gemessen. Ist sie zu klein weil z.B. eine Lampe kaputt ist, wird die Elektronik die Blinkfrequenz erhöhen. Nur bei korrektem Lampenstrom +-Toleranz blinkt der Geber normal.

Der lastunabhängige Geber hingegen misst nicht. Er blinkt nur. Daher kann er auch nicht erkennen, ob eine Lampe defekt ist.

Beide Blinkgebertypen benötigen zum Betrieb einen gewissen Betriebsstrom. Dieser ist meist recht gering, aber immerhin. Einfache LED-Blinker haben oft einen sehr geringen Betriebsstrom (Leistung) Dieser Strom reicht meist nicht aus, den Blinkgeber korrekt zu betreiben. Macht sich unter anderem in einer glimmenden Kontroll-LED im Tacho bemerkbar. Damit auch mit Billig-Blinkern die Blinkgeber richtig arbeiten, muss der Betriebsstrom ein wenig erhöht werden. Und hier kommt ein kleiner Widerstand ins Spiel. Er hat lediglich die Aufgabe, dem Blinkgeber genügend Massepotential zur Verfügung zu stellen. Werte um 1 KiloOhm sind in der Regel vollkommen ausreichen. Diese 1/4 Watt Widerstände werden einfach parallel zu den beiden Blinkerseiten angeschlossen. Einer pro Seite genügt.

Im Ergebnis hat man dann ein vollkommen lastunabhängiges Blinken. Egal wie viele Blinker da dran hängen.