:: wikimiki.org ::

Akkumulator

Akkumulator

Für weitere Bedeutungen von Akkumulator siehe Akkumulator (Begriffsklärung). ---- Ein Akkumulator, oder kurz Akku, ist ein elektrischer Energiespeicher, meist auf Basis eines elektrochemischen Systems, also eine wiederaufladbare oder Sekundär-Batterie. Batterie

Funktionsweise

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Das System steht so lange im Gleichgewicht, wie zwischen den beiden Elektroden kein Strom fließen kann. Wird aber ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt (siehe dazu: Galvanische Zelle). Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird Wärme frei, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewendeten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Die von einer elektrochemischen Zelle erreichte elektrische Nennspannung hängt von der Art der verwendeten Materialien ab.

Verwendung

Akkumulatoren kommen dort zur Anwendung, wo ein zeitweise oder gänzlich netzunabhängiger Betrieb von elektrischen Geräten erforderlich ist, oder um Unterbrechungen in der stationären Energieversorgung zu überbrücken. Wichtige Bereiche, die es abzusichern gilt sind z.B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Für Anlagen mit hoher Leistung werden Dieselgeneratoren eingesetzt. Bis diese aber ihre Drehzahl erreicht haben, übernimmt die mit Akkumulatoren betriebene, viel schneller auf Spannungsunterbrechungen reagierende USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) die Energieversorgung. Bereiche für den Betrieb netzferner Verbraucher sind beispielsweise Hütten in ländlichen Gegenden (ca. 1/3 der Menschheit wird nicht auf absehbare Zeit an elektrische Netze angebunden werden), die nur über Solar-, Wind- oder Dieselgeneratoren versorgt werden, Kraftfahrzeuge sowie Telemetrik und Automaten, für die eine Netzanbindung zu kostspielig ist.

Typen

Zur Herstellung von Akkumulatoren häufig verwendete Materialien sind:
- Pb - Bleiakku (2 V Nennspannung/Zelle)
- NiCd - Nickel-Cadmium-Akku (1,2 V Nennspannung/Zelle)
- NiMH - Nickel-Metallhydrid-Akku (1,2 V Nennspannung/Zelle)
- LiIon - Lithium-Ionen-Akku (3,7 V Nennspannung/Zelle)
- LiPo - Lithium-Polymer-Akku (3,7 V Nennspannung/Zelle)
- RAM - Rechargeable Alkaline Manganese (1,5 V Nennspannung/Zelle)
- PTMA - modifizierten PTMA respektive 2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxy-4-yl methacrylate organisches Polymer und umweltverträglich

Ladungsmenge und Kapazität

Die Ladungsmenge, die ein Akkumulator speichern kann, wird in Amperestunden (Ah) angegeben und als "Kapazität" (Nennkapazität) bezeichnet (nicht zu verwechseln mit der Kapazität eines Kondensators, die anders definiert ist). Die entnehmbare Kapazität hängt vom Entladeverfahren ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung des Akkus (der Spannung bei der die Entladung beendet wird), und selbstverständlich vom Ladezustand. Es sind verschiedene Entladeverfahren üblich, u.a.: Entladung mit konstantem Strom, Entladung über konstanten Widerstand oder Entladung mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverfahren besitzt der Akku eine andere Kapazität. In einer sinnvollen Angabe der Nennkapazität müssen daher Entladestrom und Entladeschlussspannung mit aufgeführt werden. Generell nimmt die entnehmbare Kapazität eines Akkumulators mit zunehmendem Entladestrom ab. Grund hierfür sind sowohl die zunehmenden Verluste am Innenwiderstand des Akkus als auch die Tatsache, dass die chemischen Prozesse im Akku mit begrenzter Geschwindigkeit ablaufen. Die Verringerung der entnehmbaren Kapazität mit zunehmendem Entladestrom ist stark abhängig vom Akkutyp. Innenwiderstand Für die entladestromabhängige Kapazität haben sich zeitabhängige Angaben eingebürgert. So gibt die C20-Kapazität die verfügbare Energiemenge an, wenn der Akku innerhalb von 20 Stunden mit einem gleichmäßigen Entladestrom bis zu Entladeschlussspannung entladen wird. Multipliziert man die Nennkapazität mit der Nennspannung (Nominal-Spannung), so erhält man den Energiegehalt in Wattstunden (Wh). Um die Spannung zu vervielfachen, werden mehrere Zellen gleicher Kapazität in Reihe geschaltet. Die Zellen können dabei in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst werden, wie es zum Beispiel bei der Fahrzeug-Starterbatterie üblich ist, die meist aus sechs Zellen für 12 Volt Nennspannung besteht. Beim Aufladen kommen, je nach Akkutyp, verschiedene Ladeverfahren zur Anwendung. Der Ladevorgang wird dabei durch einen Laderegler gesteuert. Die Leerlaufspannung kann als Indiz für die Qualität eines Akkumulators dienen: Im Laufe der Lebensdauer sinkt aufgrund von chemischen Reaktionen (Alterung) die Leerlaufspannung bei vollständig geladenem Akku ab.

Selbstentladung

Wird ein Akku nicht verwendet, so verliert er über die Zeit einen Teil seiner gespeicherten Energie. Diesen Vorgang nennt man Selbstentladung. Das Maß der Selbstenladung hängt von Typ und Alter des Akkus sowie von der Lagertemperatur ab. Bei der Lagerung von Akkus wird folgendes empfohlen:
- LiIon: Ladezustand 40 %, möglichst kühl lagern.
- Blei: Ladezustand 100 %, möglichst kühl lagern. Selbstentladung monatlich 5-10 % (Blei-Säure) bzw. 2-5% (Blei-Gel), ein längere Zeit entladener Akku ist zerstört
- NiMH: Ladezustand 100 %. Selbstentladung monatlich um 30 %
- NiCd: Ladezustand 0%. Selbstentladung monatlich um 20 % (Alle Angaben zur Selbstentladung beziehen sich auf Raumtemperatur)

Auswahl

Kriterien für die Auswahl eines Akkumulatortyps für eine bestimmte Anwendung sind unter anderem:
- Die gravimetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wieviel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Masse (z.B. kg) liefern kann. Dieser Wert ist besonders interessant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, herkömmliche Bleiakkus erreichen hier ca. 60 Wh/kg, LiIon-Akkus ca. 120-200 Wh/kg.
- Die volumetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wieviel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Volumen (z.B. Liter) liefern kann. Hier liegt der Wert für herkömmliche Bleiakkus bei ca. 50 Wh/l, LiIon-Akkus ca. 500 Wh/l.
- Der maximal mögliche Entladestrom. Er ist wichtig für alle Anwendungen, bei denen kurzzeitig sehr hoher Energiebedarf besteht. Dies ist zum Beispiel beim Starten von Fahrzeugmotoren der Fall, aber auch bei Elektrowerkzeugen.
- Die möglichen Abmessungen und Bauformen der Akkuzelle. Sie sind entscheidend, wenn der Akku auf möglichst kleinem Raum in elektronischen Geräten integriert werden soll. Ein gasdichter Aufbau ermöglicht den lageunabhängigen Einsatz ohne Gefahr durch auslaufenden Elektrolyt oder korrosive Gase. Aus der Anwendung der oben genannten Kriterien ergeben sich für jeden Akkutyp einige typische Anwendungsgebiete, wobei insbesondere bei NiCd-, NiMH- und LiIon-Akkus die Grenzen fließend sind:
- Bleiakku: Fahrzeugbatterien, Stationärbetrieb in Notbeleuchtungsanlagen und Insel-Fotovoltaik-Anlagen
- NiCd-Akku: Elektrowerkzeuge, portable elektronische Geräte mit kurzzeitig hoher Stromaufnahme (Foto-Blitzgeräte)
- NiMH-Akku: portable elektronische Geräte mit konstanter Stromaufnahme
- LiIon-Akku: portable elektronische Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit (Mobiltelefone, Kameras)

Siehe auch

- Akkupack
- Akkuwerkzeug
- Elektrofahrzeug
- Energiespeicher
- Energieversorgung
- Rückstromladen
- Stromquelle
- Hydraulikspeicher

Literatur

- Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren - Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998 ISBN 3-540-62997-1
- David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002 ISBN 0-071-35978-8
- Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien – Teil I: Akkumulatoren mit wäßriger Elektrolytlösung. Chemie in unserer Zeit 33(5), S. 252-266 (1999), Wiley-VCH Verlag GmbH,
- Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien – Teil II: Akkumulatoren mit nichtwäßriger Elektrolytlösung. Chemie in unserer Zeit 33(6), S. 320-332 (1999), Wiley-VCH Verlag GmbH,

Weblinks

- http://www.flyheli.de/akku.htm Informationen zum Umgang mit Akkus
- [http://www.powerstream.com/BatteryFAQ.html Battery Chemistry FAQ] (englisch)
- http://www.chip.de/artikel/c_druckansicht_12038195.html Chip-Artikel: Akku-Praxis: So leben Ihre Akkus länger
- http://www.jens-seiler.de/bastelecke/akkus/ Informationen zu Nickel-Metallhydrid-Akkus
- [http://www.wissenschaft.de/wissen/news/249773.html www.wissenschaft.de: Turbo-Akku ist schneller, besser und haltbarer] Neuartiges Batteriesystem ist innerhalb von sechs Minuten aufgeladen und deutlich leistungsfähiger als herkömmliche Varianten
- [http://www.akkufaq.de/ AkkuFAQ.de, häufig gestellte Fragen und Antworten zu Akkus]
- http://www.grs-batterien.de Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:二次電池

Akkumulator (Begriffsklärung)

Akkumulator (m.) (v. lat. accumulator: Aufhäufer), selten Ackumulator, bedeutet allgemein Zwischenspeicher oder Sammler. Der Begriff Akkumulator bezeichnet # einen wiederaufladbaren, chemischen Energiespeicher, siehe Akkumulator. # seltener einen mechanischen Energiespeicher, z.B. durch Höhenenergie. # ein Register in einer CPU zum Zwischenspeichern von Daten, siehe Akkumulator (Computer). # ein Speicher für hydraulische Energie (in der Fluidtechnik eine unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit)

Energiespeicher

Energiespeicher dienen der Speicherung von Energie zum Zwecke der späteren Nutzung. Wenn die Speicherung einer gewünschten Energieform wegen Kapazität oder Stillstandsverlusten ungünstig ist, wird auch stattdessen eine andere Energieform gespeichert und erst im Bedarfsfalle umgewandelt, z. B. Wärme und Brennstoff. Energiespeicher kann man unterteilen in:
- Thermische Speicher
- Wärmespeicher
- Chemische Speicher
- Akkumulator/Batterie/galvanische Zelle
- mechanische Speicher
- Speicher für kinetische Energie
- Schwungrad
- Speicher für potentielle Energie
- Feder
- Pumpspeicherkraftwerk
- Druckluftspeicherkraftwerk
- Gewicht (z.B. an einer Uhr)
- Brenn- und Kraftstoffspeicher
- Kavernenspeicher für Rohöl und Erdgas
- Lagertank
- Kraftstofftank ... Bei der Energiespeicherung wie bei der Energieumwandlung in die Speicherenergie und deren Rückwandlung treten Energieverluste auf.

Weblinks

- [http://www.bine.info/templ_main.php/energiespeicher/ http://www.bine.info/templ_main.php/energiespeicher/] Thema Energiespeicher

Batterie

Eine elektrische Batterie (auch: Akkumulator) ist eine Galvanische Zelle. Der Begriff Batterie bezeichnete ursprünglich die Zusammenschaltung mehrerer Monozellen, jedoch hat sich inzwischen ein Bedeutungswandel des Begriffs vollzogen, so dass mit "Batterie" auch eine einzelne Zelle gemeint sein kann. Galvanische Zelle

Anwendungsgrundlagen

Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest. Höhere Spannungen erhält man durch ein Hintereinanderschalten (Reihenschaltung) mehrerer Elemente. Die Kapazität einer Batterie wird als theoretisch entnehmbare Ladungsmenge in Amperestunden angegeben. Diese ergibt sich bei einem Entladevorgang nach einer vorgegebenen Norm. Die praktisch entnehmbare Kapazität hängt von der tatsächlichen Höhe des Entladestroms, der definierten Spannung bei Entladungsende und der Temperatur der Batterie ab. Die Kapazität (Energiemenge) oder der Maximalstrom bei fester Spannung läßt sich durch größer gebaute Zellen erhöhen. Ein Parallelschalten zur Kapazitätserhöhung kann demgegenüber zur baldigen gegenseitigen Entladung führen, da sich einzelne Zellen in ihrer Leerlaufspannung unterscheiden und deshalb Ausgleichsströme zwischen den parallel geschalteten Zellen fließen. Galvanische Elemente unterliegen aufgrund von Elektrodenvorgängen bei Lagerung einer gewissen Selbstentladung. Diese ist abhängig vom Batterietyp und der Lagerungstemperatur: je niedriger die Temperatur, desto weniger Selbstentladung findet statt. Eine Haltbarkeit bzw. Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren wird mit der Zahl von Lade-/Entlade-Zyklen angegeben, bis zu der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Lade-Kapazität hat. Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwertvorgaben an. Norm In Deutschland regelt die Batterieverordnung die Rücknahme und Entsorgung von Batterien. Sie legt unter anderem fest, dass in Deutschland keine Batterien oder Zellen mit einem Quecksilbergehalt von mehr als zwei Gewichtsprozent in den Verkehr gebracht werden dürfen. Quecksilberknopfzellen sind in Deutschland nicht mehr zulässig. Auch Alkali-Mangan-Batterien enthalten heutzutage kein Quecksilber mehr, während es in den ersten Baureihen noch zum Amalgieren des Elektrodenmaterials erforderlich war. Siehe auch Batterierecycling. Nicht jeder Batterietyp ist in jedem Land erhältlich. Deshalb gibt es insbesondere Flachbatterie-Adapter, welche drei AA-Batterien zu je 1.5 V aufnehmen. Der Adapter lässt sich dann überall dort verwenden, wo auch eine Flachbatterie hineinpasst. Nützlich sind Adapter auch, weil es bis jetzt keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.

Typen-Variationen

Handelsübliche Batterien gibt es in zahlreichen Varianten sowohl nach dem zugrunde liegenden chemischen Redoxsystem als auch nach den elektrischen Werten oder der geometrischen bzw. konstruktiven Bauform. Von den nachfolgend aufgeführten Bezeichnungen können mehrere zusammen einen Batterietyp beschreiben, z. B. "Alkali-Mangan-Batterie – LR 6/AM-3 – AA – Mignon" oft wird aber nur ein bestimmtes Merkmal gefordert, z. B. die Größe "AA" für eine speziell auf diesen Batterietyp abgestimmte Taschenlampe. Von einer Trockenbatterie spricht man, wenn der Elektrolyt z.B. durch Eindickung, nicht flüssig vorliegt. Dadurch wird die Batterie in beliebiger räumlicher Orientierung, also insbesondere für transportable Anwendungen, einsetzbar.

Einsatzbereiche

Nach dem Einsatzgebiet gibt es folgende Begriffe und Zuordnungen:
- Gerätebatterien werden zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte eingesetzt, beispielsweise in Taschenlampen. Besonders kleine Ausführungen werden als Knopfzelle bezeichnet.
- Insbesondere für Kraftfahrzeuge werden Starterbatterien verwendet.
- Elektrofahrzeuge verfügen über Traktionsbatterien.
- Stationäre Batterien kommen bei ortsfesten Anwendungen wie beispielsweise unterbrechungsfreien Stromversorgungen in der Industrie zum Einsatz.

Primärzellen

unterbrechungsfreien StromversorgungenAls Primärzellen werden galvanische Zellen bezeichnet, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden können. Die verschiedenen Typen werden nach den eingesetzten Materialien bezeichnet:
- Alkali-Mangan-Batterie; 1,5 V Nennspannung pro Zelle
- Zink-Kohle-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Oxy-Nickel-Hydroxid-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Lithium-Batterien; je nach Kathodenmaterial 2,9 bis 3,6 V
- Lithium-Eisensulfid-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Zink-Luft-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Quecksilberoxid-Zink-Batterie; 1,35 V pro Zelle
- Silberoxid-Zink-Batterie; 1,55 V pro Zelle

Sekundärzellen

Als Sekundärzellen oder Akkumulatoren werden galvanische Zellen bezeichnet, die nach der Entladung wieder neu aufgeladen werden können. Verbreitete Typen werden ebenfalls nach den verwendeten Materialien bezeichnet:
- Bleiakkumulator (Bleidioxid/Blei); 2 Volt Nennspannung pro Zelle. Der Elektrolyt (Schwefelsäure H₂SO₄) kann in flüssiger Form, in Vlies gebunden oder als Gel eingedickt im Akkumulator untergebtracht sein. Letztere Bauform wird als Blei-Gel-Akku bezeichnet.
- Nickel-Cadmium-Akku; 1,2 V pro Zelle
- Nickel-Metallhydrid-Akku; 1,2 V pro Zelle
- Lithium-Ionen-Akku; 3,7 V pro Zelle
- Lithium-Polymer-Akku
- Alkali-Mangan-Batterie (englisch: Reusable Alkaline Manganese, kurz: RAM); 1,5 V pro Zelle
- Silber-Zink-Akku; 1,5 V pro Zelle
- Nickel-Wasserstoff-Akku; 1,2 V pro Zelle

Baugrößen

Nickel-Wasserstoff-Akku Als Gerätebatterien werden häufig die elektrischen Batterien bezeichnet, die sehr verbreitet im Alltagsgebrauch für die Energieversorgung von Elektrokleingeräten wie Uhren, Radios, Spielzeug, Taschenlampen oder sonstigen tragbaren Geräten und auch in fest installierten Geräten wie beispielsweise Brandmeldern verwendet werden. Gerätebatterien müssen kompakt, lageunabhängig einsetzbar, leicht und trotzdem mechanisch widerstandsfähig sein. Sie dürfen bei normaler Lagerung und Verwendung im Gerät weder auslaufen noch gasen. Sie sind in einer Vielzahl von Ausführungen auf der Basis von Zink-Kohle- oder Alkali-Mangan-Batterie im Handel erhältlich. Ihre Bezeichnung folgt den von der IEC festgelegten Leistungsklassen und den von der ANSI genormten Baugrößen: Neben diesen "Standardtypen" gibt es noch eine große Formenvielfalt bei produktspezifischen Batterien für Fotoapparate und bei Knopfzellen. Knopfzelle

Literatur

Weblinks

- [http://www.baumarkt.de/b_markt/fr_info/batterie.htm Die richtige Batterie für den richtigen Einsatz], die wichtigsten Größen und Typen
- [http://www.batteryuniversity.com/ Battery University (englisch / deutsch)] Gerätebatterien
- [http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/bg.html Batterie-Glossar]
- [http://www.powerstream.com/BatteryFAQ.html Battery Chemistry FAQ] (Englisch)
- [http://www.grs-batterien.de/ Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien]
- [http://www.solarlink.de/leitfaden.htm Leitfaden für die Gleichstromversorgung] Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:電池 ko:전지

Galvanische Zelle

Eine galvanische Zelle oder galvanisches Element ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von spontan chemischer in elektrische Energie. Sie wird in Batterien und Akkumulatoren verwendet. Jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet man als galvanisches Element. Sie dienen als Gleichspannungsquellen. Der charakteristische Wert ist die Teilspannung/eingeprägte Spannung. Unter der Kapazität eines galvanischen Elements versteht man das Produkt aus Entladungsstromstärke und -zeit. Die Funktion der galvanischen Zelle beruht auf einer Redox-Reaktion. Die Reduktion läuft räumlich getrennt von der Oxidation in je einer Halbzelle (Halbelement) ab. Durch Verbinden der beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einem Ionenleiter wird der Stromkreis geschlossen. Die Spannung des elektrischen Stroms lässt sich durch die Nernst-Gleichung berechnen, die Spannung hängt von der Art des Metalls (Elektrochemische Spannungsreihe) und der Konzentration ab. Im Gegensatz zur Elektrolyse, beispielsweise in der Galvanotechnik, kann in der galvanischen Zelle elektrische Energie gewonnen werden, während die Elektrolyse elektrische Energie verbraucht. Die Anode ist in einer galvanischen Zelle negativ geladen, die Kathode positiv. Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück.

Beispiele

Kupferelektrode in Kupfersulfat-Lösung und Silberelektrode in Silbernitratlösung, verbunden durch einen Draht (Elektronenleiter) mit Voltmeter und einem Ionenleiter. An der Kupferelektrode gehen mehr Cu²⁺-Ionen in Lösung als sich Cu Ionen wieder abscheiden. Da das Kupfer Elektronen an die Elektrode abgibt, wenn es in Lösung geht, lädt sich die Elektrode negativ auf (Anode).

An der Silberelektrode scheiden sich dagegen mehr Ag²⁺-Ionen an der Elektrode ab als in Lösung gehen. Da die Ag²⁺-Ionen zum Abscheiden zwei Elektronen verbrauchen, gibt es an der Silberelektrode Elektronenmangel, sie lädt sich positiv auf (Kathode).

Werden die zwei Elektroden elektrisch leitend verbunden, so entsteht zwar eine Spannung, aber es fließt noch kein Strom. Der Grund dafür ist, dass in der Kupferelektrode ein Überschuss an Cu²⁺-Ionen entsteht und die Lösung sich stark postiv auflädt. Also gehen nur noch so viele Kupferionen in Lösung, wie sich gleichzeitig an der Elektrode wieder abscheiden. Ähnliches passiert mit der Silbernitratlösung, nur dass sich hier die Lösung negativ auflädt. Silbernitratlösung: c[NO₃^-] >> c[Ag⁺] Kupfersulfatlösung: c[SO₄^2-] << c[Cu²⁺] Deswegen sind die Elektrodenräume über eine Salzbrücke miteinander verbunden, welche notwendig ist um den Stromkreis zu schließen. Die Salzbrücke ist häufig ein U-Rohr das mit einem Elektrolyten gefüllt ist, und dessen Enden mit einer Membran oder einem Diaphragma versehen sind. Über die Salzbrücke erfolgt der Anionenaustausch um so der Aufladung der einzelnen Zellen entgegen zu wirken. Eine andere Möglichkeit die Elektrodenräume voneinander zu trennen besteht in einer semipermeablen Membran welche ebenfalls einen Ladungsausgleich ermöglicht. Es gibt auch Galvanische Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden, diese nennt man Konzentrationselement. Brennstoffzellen sind nichts anderes als galvanische Zellen.

Weblinks

- [http://www.chempage.de/theorie/galvanischezelle.htm Verständliche, einfache Erklärung der galvanischen Zelle mit anschaulicher Animation]
- [http://www.chemieseite.de/anorganisch/node36.php Galvanisches Element Informationen]
- [http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/galvan5.swf Animation] Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Energietechnik Kategorie:Elektrochemie simple:Chemical cell

Nennspannung

Die Nennspannung einer Zelle ist ein geeigneter, angenäherter Wert der Spannung zur Bezeichnung oder Identifizierung einer Zelle, einer Batterie oder eines elektrochemischen Systems [DIN EN 60050-482, „Deutsche Ausgabe des internationalen elektrotechnischen Wörterbuchs, Teil 482“, Juli 2004]. Die Nennspannung einer Batterie ist das Produkt aus der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen und der Nennspannung einer Zelle. Der Wert pro Zelle beträgt:
- 1,35 V für die Quecksilberoxid-Zink-Zelle
- 1,5 V für die Alkali-Mangan-Zelle
- 1,5 V für die Zink-Kohle-Zelle
- 1,5 V für die Zink-Luft-Zelle
- 1,55 V für die Silberoxid-Zink-Zelle
- 1,5 V für die Lithium-Eisensulfid-Zelle
- 2,9 bis 3,6 V für Lithium-Zellen, abhängig vom Kathodenmaterial
- 1,2 V für den Nickel-Cadmium-Zelle
- 1,2 V für den Nickel-Metall-Hydrid-Zelle
- 2,0 V für den Bleidioxid-Blei-Zelle Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher

Bleiakkumulator

Bei einem Bleiakkumulator (kurz Bleiakku oder auch fälschlicherweise Bleibatterie) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht. Bleiakkumulatoren gelten als zuverlässig und preisgünstig, im Vergleich mit anderen Akkumulatortechnologien sind sie jedoch schwer und weisen nur eine geringe Energiedichte auf. Die wohl bekannteste Anwendung ist die Starterbatterie für Kraftfahrzeuge. Sie werden jedoch unter anderem auch als Energiespeicher für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Siehe auch: Batterie

Geschichte

Die ersten Versuche einen auf Blei basierenden Akkumulator zu entwickeln wurden Mitte des 19. Jahrhunderts von dem deutschem Arzt Josef Sinsteden gemacht. Er stellte zwei große Bleiplatten in ein Gefäß mit verdünnter Schwefelsäure. Durch Laden des Akkus entstand an einer der Platten Bleioxid und an der anderen Blei. 1859 verbesserte Gaston Planté die Anordnung der Bleiplatten, die auch heute noch verwendet wird. Industriell wurde der Bleiakku interessant, als Emile Alphonse Faure um 1880 ein Verfahren entwickelte, bei dem der Bleiakku bereits nach wenigen Ladezyklen (dem sog. Formieren), eine hohe Kapazität erreicht.

Aufbau

Bleiakkumulatoren bestehen am positiven Pol aus Bleidioxid (PbO₂), am negativen aus fein verteiltem, porösem Blei (Bleischwamm). Als Elektrolyt wird 20 bis 40%-ige Schwefelsäure (H₂SO₄) verwendet. Sie zeichnen sich durch das kurzzeitige Zulassen hoher Stromstärken, die zum Beispiel für Fahrzeug- bzw. Starterbatterien notwendig sind, aus. Im entladenen Zustand bestehen beide Pole aus Blei(II)-sulfat (PbSO₄). Die Nennspannung einer Zelle beträgt 2 Volt, sie schwankt jedoch je nach Ladezustand und Lade-/Entladestrom zwischen ca. 1,75–2,4 Volt. Die Säuredichte stellt gleichzeitig ein Maß für den Ladezustand dar. Sie beträgt bei vollem Akku ca. 1,28 g/cm³ und bei entladenem Akku 1,10 g/cm³ (Quelle Varta-Batterielexikon). Bleiakkumulatoren sollten nicht tiefentladen werden, da dies zu irreparablen Schäden führt und den Akkumulator unbrauchbar machen kann. Zum Aufladen sollte ein passender Laderegler verwendet werden, um Überladung zu vermeiden und die Gasung zu beschränken. Ein Bleiakkumulator kann gasen, wenn er, vor allem durch Edelmetalle, verunreinigt wird. Dabei lagern sich Teile des Edelmetalls an der Bleielektrode an und verringern so die Überspannung des Wasserstoffs, so kann Knallgas entstehen. Mittlerweile haben Bleiakkus durch immer weitergehenden Fortschritt eine sehr hohe Lebensdauer. Jedoch altern die Bleiakkus natürlich trotzdem. Das liegt in erster Linie an der sogenannten Sulfatierung des Bleisulfats. Diese Sulfatierung bewirkt, dass sich die PbSO₄-Kristalle zu immer größeren Verbünden zusammenschließen, so verringert sich die Oberfläche des PbSO₄. Durch diese kleinere Oberfläche löst sich das PbSO₄ immer schlechter, so dauert es sehr lange bis eine hinreichend hohe Konzentration an Pb²⁺ vorliegt. Siehe auch: Akkumulator, Galvanische Zelle

Chemische Prozesse

Galvanische Zelle Bei der Entladung laufen folgende chemische Vorgänge ab: Positiver Pol:

PbO_2 + SO_4^ + 4 H_3O^+ + 2 e^- \longrightarrow PbSO_4 + 6 H_2O

Negativer Pol:

Pb + SO_4^ \longrightarrow PbSO_4 + 2 e^-

Beim Laden laufen die Vorgänge in Gegenrichtung ab. Die Gesamtreaktion:

2 PbSO_4 + 2 H_2O + elektrische Energie \longrightarrow Pb + PbO_2 + 2 H_2SO_4

Nach rechts findet die Aufladung des Bleiakkus statt, nach links die Entladung. Aus der Elektrochemische Spannungsreihe kann man nun die Potentialdifferenz, also letztlich die elektrische Spannung, die entsteht, berechnen.

Pb + SO_4^ \longrightarrow PbSO_4 + 2 e^- | -0,36 V

PbSO_4 + 6 H_2O \longrightarrow PbO_2 + SO_4^ + 4H_3O^+ + 2 e^- | +1,68 V

E^0_ = 1,68 V - (-0,36 V) = 2,04 V

Verschlossene Bleiakkumulatoren

Bleiakkus können auch in einer verschlossenen Bauform hergestellt werden. Verschlossenen Bleiakkus sind wie folgt aufgebaut:
- Die Zellen sind zugeschweißt, es existiert lediglich ein Überdruckventil.
- Der Elektrolyt ist festgelegt, also nicht mehr flüssig. Der Elektrolyt kann auf zwei Arten festgelegt werden:
- Durch Zusatz von Kieselsäure zur Schwefelsäure erstarrt der Elektrolyt zu einem Gel. Diese Typ wird als Gelakku bezeichnet.
- Zwischen die Elektroden wird ein Glasfasergewebe eingebracht, das den Elektrolyten vollkommen aufsaugt. Dieser Typ wird Vliesakku genannt. Durch den festgelegten Elektrolyt ist es möglich, verschlossene Bleiakkus lageunabhängig zu betreiben. Bei Gelakkus tritt praktisch keine Säureschichtung auf, in Vliesakkus ist sie gegenüber geschlossenen Akkumulatoren vermindert. Der Innenwiderstand von verschlossenen Bleiakkus ist höher als bei vergleichbaren geschlossenen Bleiakkus. Sie sind daher weniger geeignet hohe Ströme zu liefern, wie sie bei der Anwendung als Starterbatterie erforderlich sind. Da die Zellen verschweißt sind, ist es nicht möglich, die Batterie zu öffnen, um beispielsweise Wasser nachzufüllen. Dies ist auch nicht erforderlich, da verschlossene Bleibatterien deutlich weniger gasen als herkömmliche Bleibatterien. Durch den festgelegten Elektrolyten hindurch bilden sich Gaskanäle aus. Der durch die Nebenreaktion an der positiven Elektrode gebildete Sauerstoff kann daher direkt zur negativen Elektrode wandern und dort zu Wasser rekombinieren. Bei Überladung der verschlossenen Bleibatterie (d.h. wenn die Spannung zu hoch ist) wird ein Überschuss an Sauerstoff erzeugt, der nicht mehr rekombinieren kann. Im gleichen Maße wird an der negativen Elektrode Wasserstoff erzeugt. In diesem Fall entweichen die Gase durch das Überdruckventil und die Batterie kann mit der Zeit austrocknen. Da ein Nachfüllen des Elektrolyten nicht möglich ist, erfordern verschlossene Bleibatterien ein angepasstes Ladeverfahren. Es muss vermieden werden, dass die Batterie über längere Zeit bei einer zu hohen Spannung geladen wird, die mit starker Gasung verbunden ist. Eine andere Möglichkeit ist, ein wenig eines katalytisch aktiven Materials beizufügen, an dem der Wasser- und der Sauerstoff zurück zu Wasser reagieren können. Zusätzlich besteht bei der Ladung mit einer überhöhten Spannung bei verschlossenen Bleibatterien die Gefahr des Thermal Runaway. Der interne Sauerstoffkreislauf erwärmt die Batterie. Eine Erhöhung der Batterietemperatur führt bei konstanter Spannung zu einem erhöhten Ladestrom. Dieser führt zu einer vermehrten Gasentwicklung und der Sauerstoffkreislauf wird verstärkt. Dieser selbstverstärkende Prozess kann die Batterie überhitzen und zerstören.

Anwendungen

Allgemein werden Pufferbatterien und Traktionsbatterien unterschieden. Während Pufferbatterien eine vorhandene Energieversorgung unterstützen, kommen Traktionsbatterien als eigenständige Energiequelle zum Einsatz.
- Anwendungsbeispiele für Pufferbatterien
- Fahrzeugbatterien
- Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (Notstromversorgung)
- Zentrale Stromversorgungssysteme für Notbeleuchtung
- Solarbatterien in Fotovoltaikanlagen (Inselanlagen)
- Beispiele für Traktionsbatterien
- Elektrofahrzeuge
- elektrische Gabelstapler
- elektrische Rollstühle
- U-Boote

Literatur

- Heinz Wenzl: Batterietechnik / Optimierung der Anwendung - Betriebsführung - Systemintegration. Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim 2002, ISBN 3-8169-1691-0

Weblinks

- [http://www.basytec.de/pbbatterie/Bleibatterie.html Die Bleibatterie - Grundlagen, verschlossene Bauart, Alterung] Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:鉛蓄電池

Nickel-Cadmium-Akku

Der Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd) ist eine wiederaufladbare Batterie (so genannte Sekundärzelle). Von der grundsätzlichen Bauart ist zwischen offenen und gasdichten Zellen zu unterscheiden. Gasdichte Zellen sind häufig baugleich zu handelsüblichen Batterien und können daher als Ersatz für diese sogenannten Primärzellen verwendet werden. Offene Zellen werden für stationäre Anwendungen verwendet.

Geschichte

Der Nickel-Cadmium-Akkumulator wurde 1899 von dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt. Der NiCd-Akkumulator gehört zu den alkalischen Batteriesystemen, an denen auch Thomas Alva Edison zu der Zeit parallel gearbeitet hat. Ein wesentlicher Unterschied zu dem bis dahin bekannten Bleiakkumulator ist, dass das Elektrolyt während der Ladung und Entladung unverändert bleibt. 1910 begann die industrielle Fertigung des NiCd-Akkumulators in Schweden. Diese ersten NiCd-Akkumulatoren hatten sogenannte Taschenelektroden, die auch heute noch üblich sind. Ungefähr 1930 wurden in Deutschland sogenannte Sinterelektroden entwickelt. Das Prinzip der gasdichten Zellen wurde 1933 von Dassler veröffentlicht. Serienreife gasdichte Zellen waren in den 50er Jahren verfügbar. Bis in die 90er Jahre hat sich der NiCd-Akkumulator zu der meistgebräuchlichen wiederaufladbaren Batterie im Endverbraucherbereich entwickelt. Zukünftig werden Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) und Lithium-Systeme mehr Bedeutung bekommen, da sie höhere Energiedichten aufweisen und keine umweltschädlichen Schwermetalle wie Cadmium enthalten.

EU-Verbot soll kommen

Im Dezember 2004 hat der EU-Ministerrat eine Richtlinie verabschiedet, deren Ziel es ist, die technische Nutzung von Cadmium zu reduzieren. Vorbehaltlich der Zustimmung des EU-Parlaments sollen die Mitgliedsstaaten innerhalb von zwei Jahren durch nationale Gesetze zunächst Nickel-Cadmium-Akkus verbieten. Auf Wunsch einiger Mitgliedsstaaten - darunter auch Deutschland - sollen jedoch, unter anderem schnurlose Elektrowerkzeuge, so genannte Power Tools, von dem Verbot zunächst ausgenommen werden, weil „für Power Tools nicht sicher gestellt ist, dass gleichwertiger Ersatz aktuell verfügbar ist“. Vier Jahre nach Inkrafttreten der Richtlinie soll diese Ausnahme jedoch überprüft werden, um das Cadmium-Verbot dann möglicherweise auszudehnen. Siehe auch Diskussionsseite. Siehe auch RoHS.

Eigenschaften

NiCd-Akkumulatoren haben eine nominale Spannung von 1,2 Volt, die somit 20% unter den 1,5 Volt normaler Batterien liegt. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da die meisten Geräte auf niedrige Spannungen von 0,9-1,0 Volt entladener Batterien ausgelegt sind. Durch den geringen Innenwiderstand von NiCd-Akkumulatoren können diese hohe Ströme liefern. NiCd-Akkus werden (auch deshalb) vor allem im Modellbau und schnurlosen Telefonen genutzt. Eine bei anderen Technologien selten anzutreffende Eigenschaft ist das hervorragende Tieftemperaturverhalten von NiCd-Akkumulatoren. Selbst bei minus 40°C besitzt ein Akku mit Faserstrukturplatten-Technik noch über 50% seiner nominellen Kapazität bei Raumtemperatur.

Aufbau

Die Elektroden des NiCd-Akkumulators bestehen in geladenem Zustand aus Platten, die am Minuspol mit fein verteiltem Cadmium und am Pluspol mit Nickel(III)-oxidhydroxid beladen sind. Als Elektrolyt wird 20%-ige Kaliumhydroxid-Lösung verwendet. Diese Kombination liefert eine Spannung von 1,3 V. Bei Überladung des Akkumulators wird an der negativen Elektrode Wasserstoff und an der positiven Elektrode Sauerstoff produziert; man sagt der Akku „gast“. In geschlossenen, also gasdichten Zellen muss dies wegen der Explosionsgefahr unbedingt verhindert werden, aus diesem Grund wird die negative Cadmiumelektrode überdimensioniert und dient als negative Entladereserve. Die positive Nickelelektrode enthält etwas Cadmiumhydroxid als „antipolare Masse“. Bei Überladung stellt sich so ein Gleichgewicht zwischen Sauerstofffreisetzung und -verbrauch ein, es wird kein Wasserstoff entwickelt. In gasdichten Faserstruktur-Ni/Cd-Zellen wird der entstehende Sauerstoff an einer katalytisch wirksamen Oberfläche der Faserstruktur-Rekombinationselektrode so schnell rekombinidert, dass im Betrieb sogar ein leichter Unterdruck entsteht.

Elektrochemie

NiCd-Akkumulatoren enthalten im geladenen Zustand:
- eine positive Elektrode: NiOOH
- eine negative Elektrode: Cd
- einen Separator
- ein Elektrolyt, meist 20%ige KOH Entladevorgang: An der Anode/negativen Elektrode wird Cadmium zum Cadmiumhydroxid (Cd(OH)₂) oxidiert. Die freiwerdenden Elektronen fließen dann über den Verbraucher zur Kathode/positiven Elektrode. Dort wird das Nickel(III)-oxidhydroxid NiOOH zu Nickel(II)hydroxid Ni(OH)₂ reduziert. Reaktionen: Negative Elektrode: Cd(0) + 2 OH- → Cd(II)(OH)₂ + 2 e- Positive Elektrode: 2 Ni(III)OOH + 2 H2O + 2 e- → 2 Ni(II)(OH)₂ + 2 OH- Gesamtreaktion: 2 NiO(OH) + Cd + 2 H₂O ↔ 2 Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ → Entladung ← Ladung Ladevorgang: die Reaktionen laufen in umgekehrter Richtung ab, die Cadmium-Elektrode ist dann ebenfalls Minus-Pol, aber Kathode, da hier reduziert wird, die Nickelelektrode ist entsprechend Plus-Pol/Anode, an dem eine Oxidation abläuft. Überladen: Gegen Ende des Ladezyklus steigt die Zellspannung an, ab ca. 1,55-1,6 V wird die Zersetzungsspannung des Wassers unter den Bedingungen der Zelle überschritten, es kommt zum Gasen: Negative Elektrode: 4 H₂O + 4 e- → 2 H₂ + 4 OH- Positive Elektrode: 4 OH- → 2 H₂O + O₂+ 4 e- Gesamtreaktion: 2 H₂O ↔ 2 H₂ + O₂ In gasdichten NiCd-Akkus wird ein Überschuss von Cadmium(II)-hydroxid verwendet. Am Pluspol entsteht beim Überladen Sauerstoff, während am Minuspol noch Cd²⁺ reduziert wird. Der Sauerstoff reagiert dann mit Cadmium weiter zu Cadmium(II)-hydroxid und wird so gleich wieder verbraucht.

Probleme

NiCd-Akkus enthalten das giftige Schwermetall Cadmium und müssen daher über besondere Rücknahmesysteme gesondert entsorgt werden. Beim Überladen von NiCd-Akkumulatoren können diese beschädigt werden:
- Ausgasen durch Überhitzung/Überladung (irreversibel)
- Entstehen von γ-NiOOH und dadurch Spannungsabfall (44-50 mV)
- Entstehen von intermetallischer Verbindung Ni₅Cd₂₁ und dadurch Spannungsabfall (120 mv)
- Entstehen von Kristallen, siehe Memory-Effekt Auch Falschladung (Verpolen) beschädigt eine Zelle durch Ausgasen an der Anode. Dadurch entsteht auch hochentzündlicher Wasserstoff. Falschladung einer Zelle ergibt sich sehr schnell, falls sich diese in einem Akkupack befindet, welches tiefentladen wird. Da die Zellen in ihrer Kapazität leicht differieren, wird vor der vollständigen Entladung des Akkupacks die schwächste Zelle, da sie schon leer ist, durch die anderen falsch geladen.

Memory-Effekt

Als Memory-Effekt wird der Kapazitätsverlust eines Akkus bezeichnet, der sich einstellt, wenn ein Akku häufig nach nur wenig Entladung sofort wieder aufgeladen wird. Der Akku scheint sich den geringen Energiebedarf zu „merken“ (engl: to memorise) und mit der Zeit statt der ursprünglichen Energiemenge nur noch die bei den bisherigen Entladevorgängen benötigte zur Verfügung zu stellen. Elektrisch äußert sich der Effekt in einem frühen Spannungsabfall, was effektiv zu einer Verringerung der nutzbaren Kapazität des Akkumulators führt, da Verbraucher eine Mindestspannung benötigen. Der Memory-Effekt wurde zuerst von der NASA benannt. NiCd-Akkus in NASA-Satelliten wurden unabhängig vom Grad der Entladung in regelmäßigen Abständen, immer wenn der Satellit die Tagseite der Erde passierte, durch die Solarzellen aufgeladen. Mit der Zeit stellte die NASA fest, dass sich die Akkus an diesen Tagesrhythmus „anpassten“ und ihre Kapazität nur noch für das Passieren des Erdschattens ausreichte, obwohl sie deutlich größer dimensioniert waren. Zur Ursache des Memory-Effekts gibt es zwei Theorien, die sich allerdings nicht gegeneinander ausschließen: 1. Kristallbildung
Beim Aufladen eines NiCd-Akkus bilden sich Cadmium-Mikrokristalle. Wurde der Akku mehrfach nur bis zu einem bestimmten, gleichbleibenden Grad entladen, begünstigt dies die Bildung grösserer Kristalle aus Mikrokristallen in nicht-entladenen Bereichen. Diese reagieren durch ihre reduzierte Oberfläche im Vergleich zu kleineren Kristallen beim Entladen schlechter, was den Spannungseinbruch bewirkt. Durch vollständiges Entladen/Laden ist der Prozess umkehrbar. Dabei besteht allerdings wiederum die Gefahr, den Akkumulator durch Tiefentladung zu beschädigen. 2. Ladeschäden
Das Überladen von Akkus führt zu Schäden durch übermäßige Wärmeentwicklung oder sogar Gasung (siehe oben). Ältere Schaltungskonzepte können den Zeitpunkt, an dem ein Akku vollständig geladen ist, nicht genau bestimmen; billige Ladegeräte reagieren darüber hinaus mitunter überhaupt nicht auf den Akkufüllstand, sondern laden einfach über einen festgelegten Zeitraum. Nicht vollständig entladene Akkus werden deshalb mit diesen Geräten, die eigentlich auf die Ladung von gänzlich leeren Akkus ausgelegt sind, graduell überladen. Der Memory-Effekt stellt sich hier durch die Summierung der kleinen Schäden ein, die bei jedem Überladen eintreten. Verfechter der 2. Theorie verweisen auch darauf, dass man einen Memory-Effekt entgegen der landläufigen Meinung auch bei NiMH-Akkus produzieren kann, würde man sie mit der gleichen, ungenauen Technik laden, mit der NiCd-Akkus seit Jahrzehnten behandelt wurden. Das Ausbleiben des Effekts bei NiMH-Akkus sei demnach einzig durch die besseren Ladegeräte zu erklären, die gleichzeitig mit der NiMH-Technik auf dem Markt gebracht wurden. Tatsächlich ist es mit modernen Ladesystemen möglich, auch teilentladene NiCd-Akkus ohne Memory-Effekt aufzuladen.

Anwendung

Offene Zellen

- Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (Notstromversorgung)
- Zentrale Stromversorgungssysteme für Notbeleuchtung

Gasdichte Zellen

- Consumerbereich allgemein
- Spielzeug
- Fotoapparate
- Elektrische Werkzeuge
- Fernbedienungen
- usw.
- Notbeleuchtung Einzelbatterieleuchten

siehe auch

- Elektrochemische Spannungsreihe

Weblinks

- [http://www.grs-batterien.de Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien] Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:ニッケル・カドミウム蓄電池 ko:니켈-카드뮴 전지

Lithium-Ionen-Akku

Ein Lithium-Ionen-Akku ist eine wiederaufladbare, elektrochemische Spannungsquelle auf der Basis von Lithium. Daneben existiert auch noch die nichtwiederaufladbare Lithium-Batterie. Der Akkumulator zeichnet sich gegenüber vielen anderen Akku-Varianten durch eine hohe Lebensdauer, ein geringes Gewicht, eine hohe Leistung und das fast völlige Fehlen des Memory-Effekts aus; letzteres ergibt sich allerdings auch zwangsläufig aus der für den sicheren Betrieb nötigen, präzisen Ladetechnik. Nachteil dieser Akkuform sind die Explosions- und Schmelzgefahr, besonders bei defekten Ladegeräten, bei Kurzschluss der Pole des Akkus oder einfach minderwertiger Qualität. Gerade billige Nachbauten und Fälschungen von Markenakkus bekannter Mobiltelefonhersteller sorgen in dieser Hinsicht regelmäßig für Meldungen in der Presse. Ihr häufigstes Einsatzgebiet sind Mobiltelefone und Digitalkameras, aber auch in Camcordern, Laptops und dergleichen werden Lithium-Ionen-Akkus gerne eingesetzt. Noch recht neu ist die Anwendung in Elektrowerkzeugen. Eine Lithium-Ionen-Zelle hat üblicherweise eine Nominal spannung von 3,6 Volt und eine Lade-Endspannung von 4,0 Volt. Li-Ionen-Akkus dürfen nicht mit einem herkömmlichen Ladegerät für NiMH- oder NiCd-Akkus geladen werden, weil die Zellen bei Überladung unbrauchbar werden und im Extremfall explodieren können. Bei Tiefentladung unter 2,6 Volt werden die Zellen ebenfalls unbrauchbar. Ein noch modernerer Akku ist der Lithium-Polymer-Akku, der eine höhere Kapazität hat und dadurch kleinere Geräte oder längere Nutzungszeiten ermöglicht. Je nach konkretem chemischen Aufbau zersetzen sich Lithium-Ionen-Akkus mehr oder weniger schnell selbst. Die Zersetzungsgeschwindigkeit steigt mit der Ladung und insbesondere mit der Temperatur des Akkus. Hersteller empfehlen eine Lagerung bei 15 °C und einem Ladestand von 40%. Der Ladestand ist deswegen nicht niedriger gewählt, damit die Zeit, bis der es zu einer selbstzerstörerischen Tiefentladung durch Selbstentladung kommt, möglichst lang ist. Aus diesem Grund wird auch empfohlen, einen gelagerten Akku etwa alle 6 Monate frisch auf 40% zu laden. Lithium-Ionen-Akkus unterliegen neben dem, durch Lade/Entladezyklen bedingten Kapazitätsverlust, einer nutzungsunabhängigen Alterung (nicht zu verwechseln mit Tiefentladung). Zur Zeit wird der Kapazitätsverlust mit ca. 20% bis 60% (bei 20 °C) in 3 bis 5 Jahren angegeben. Die Entwicklung der Lithium-Ionen-Akkus ist immer noch nicht abgeschlossen. Aus diesem Grund unterscheiden sich die einzelnen Akkus oft erheblich in der Qualität, also zum Beispiel in der Kapazität nach längerer Zeit ab Produktionsdatum (bei sonst gleichen Bedingungen wie Temperatur, Ladestand, usw.)

Weblinks

- http://www.batteryuniversity.com/print-partone-5-german.htm
- http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/ion.html Lithium-Ion-System Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:リチウムイオン二次電池

Lithium-Polymer-Akku

Ein Lithium-Polymer-Akku (LiPoly) ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher und eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkus. Als Anode dient eine Lithium-Folie. Der Separator besteht aus Elektrolyt in einer Polymermatrix. Die Kathode besteht aus Metalloxid in einer Polymermatrix. Als Leitermaterial dient Metallfolie. Metallisches Lithium hat mit -3.05 V den niedrigsten Wert in der Volta'schen Spannungsreihe, wodurch das höchste Potenzial zu jedem Kathodenmaterial gewährleistet ist. Die tatsächliche Spannung wird vom aktiven Anteil der Kathode bestimmt und kann zwischen 0.5 und 4 V liegen; die Nennspannung eines solchen Akkumulators liegt meist bei 3,7 V. Die feste Polymermatrix sorgt im Gegensatz zu Flüssigsystemen bei herkömmlichen Akkumulatoren für eine deutliche höhere Sicherheit. Die verschiedenen Schichten eines Akkumulators müssen nicht mehr zu Zylindern gerollt oder zu quaderförmigen Paketen gestapelt werden. Stattdessen kann man den Akku wie eine flache Matte beliebiger Form ausbreiten. Auch mehrere Lagen sind möglich. Die Dicke einer solchen Zelle ist wie die Dickenverhältnisse der einzelnen Folien von der Anwendung abhängig. Die Schichten sind im Mittel etwa 100 µm dick. Das gestattet eine optimale Raumausnutzung in den Akkumulatoren von Notebooks, Mobiltelefonen und anderen Geräten. Das feste Elektrolyt weist jedoch einen gravierenden Nachteil auf: Es liefert erst ab einer Betriebstemperatur von rund 60°C seine maximale Energie. In modernen Lithium-Polymer-Akkus kommt deshalb als Elektrolyt ein Gel zum Einsatz, das bereits bei Raumtemperatur seine volle Leistungsfähigkeit erreicht. Durch seine besonderen chemischen Eigenschaften erreicht der feste Lithium-Polymer-Akku höhere Energiedichten als ein Li-Ion-Akku. Technische Daten:
- gravimetrische Energiedichte: ca. 140 Wh/kg (bis zu 180Wh/kg Stand April 2005)
- gravimetrische Leistungsdichte: ca. 300 W/kg (bis zu 2800W/kg Stand September 2005) Mit diesen Werten sind Lithium-Polymer-Akkus anderen Akkutypen überlegen. Wegen der hohen Herstellungskosten sind sie bisher nicht weit verbreitet. Aufgrund des hervorragenden Gewicht/Leistungs-Verhältnisses und der sich stetig verbessernden Belastbarkeit werden sie immer häufiger im Modellbau eingesetzt. Lithium-Polymer-Akkus sollten bei Nichtgebrauch auf 50% bis 70% geladen werden. LiPolys sind sehr empfindlich: Überladen, Tiefentladen, zu hohe Ströme, Betrieb bei zu hohen (>60 Grad) oder zu niedrigen Temperaturen (<0 Grad) und Lagern in entladenem Zustand schädigen bzw. zerstören die Zelle unwiderruflich!

Ladevorgang

LiPoly-Zellen werden mit der CC/CV-Methode (Constant Current, Constant Voltage) geladen:
- Constant Current: Während des Ladevorgangs muss für einen konstanten Ladestrom gesorgt werden, der 1 C (C entspricht der auf der Zelle angegebenen Kapazität) nie überschreiten sollte und üblicherweise bei 0,5 C bis 1 C liegt. Bei leeren Zellen, die unter 2,9 Volt haben, sollte der Strom 0,1 C nicht überschreiten.
- Constant Voltage: Die Ladespannung muss laufend überwacht werden und darf 4,235 Volt niemals überschreiten. Die Ladung wird im Wesentlichen über den Ladestrom gesteuert. Zum Beginn der Ladung wird der Strom durch die Zelle langsam von 0 Ampère bis zum Maximalwert gesteigert. Erst wenn die Spannung über der Zelle ca. 3,6 Volt erreicht, sollte sie mit vollem Strom geladen werden. Nähert sich die Zelle ihrer maximalen Kapazität, steigt der Innenwiderstand an, was wegen des konstanten Ladestroms gemäß Ohmschen Gesetz zu einer Steigerung der Zellenspannung führt. Um die Maximalspannung von 4,235 Volt nicht zu überschreiten, wird der Ladestrom entsprechend verringert, bis er nur noch ca. 10% des anfänglichen Ladestroms beträgt. Zu diesem Zeitpunkt kann der Ladevorgang beendet werden. Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher

Alkali-Mangan-Batterie

Die Alkali-Mangan-Batterie beziehungsweise Alkali-Mangan-Zelle ist ein galvanisches Element und zählt zu den wichtigsten elektrochemischen Energiespeichern. Aufgrund höherer Kapazität, besserer Belastbarkeit und längerer Lagerfähigkeit hat sie die Zink-Kohle-Batterie aus vielen Anwendungen verdrängt. Die Alkali-Mangan-Zelle wäre treffender als Zink-Braunstein-Zelle mit alkalischem Elektrolyt beschrieben, da der elektrochemisch aktive Stoff in der negativen Elektrode Zink und in der positiven Elektrode Braunstein (Mangandioxid) ist. Als Elektrolyt wird konzentrierte Kalilauge (Kaliumhydroxid-Lösung) verwendet. Die Alkali-Mangan-Zelle wird zu den Primärelementen, das heißt den nicht-wiederaufladbaren Batterien gezählt. Es gibt begrenzt wiederaufladbare Versionen, die so genannten RAM-Zellen (Rechargeable Alkaline Manganese), die zu den Sekundärelementen (Akkumulatoren) gerechnet werden. Letztere haben allerdings keine weite Verbreitung gefunden. Die wichtigsten Bauformen sind zylindrische Rundzellen (beispielsweise LR6 = Alkali-Mangan AA oder Mignon) und Knopfzellen (beispielsweise LR44). Mehrere Einzelzellen können auch zu Batterien kombiniert sein (beispielsweise 6LR61 = Alkali-Mangan 9 V Block aus sechs Zellen).

Elektrochemie

Wie bei der Zink-Braunstein-Zelle liefert die Oxidation von Zink und die Reduktion von Mangandioxid (Braunstein) die elektrische Energie. Die bei der Oxidation freigesetzten Elektronen wandern unter Leistungsabgabe durch den äußeren Stromkreis mit dem Verbraucher von der Anode (negative Elektrode) zur Kathode (positive Elektrode). Zum Ladungsausgleich wandern durch den Elektrolyten OH^- Ionen von der Kathode zur Anode. Die in der Alkali-Mangan-Zelle ablaufenden Reaktionen sind komplex und werden im Folgenden vereinfacht dargestellt.

Anodenreaktionen

Bei der Entladung wird in der Anode metallisches Zink (Zn) oxidiert. Dabei werden zwei Elektronen abgegeben, die Ladung von Zink wird von ±0 auf +II erhöht. Das Reaktionsprodukt hängt von den Bedingungen, unter denen die Oxidation erfolgt, ab. Zu Beginn der Entladung, das heißt bei hoher OH^- Konzentration, wird über verschiedene Zwischenstufen das gut im alkalischen Elektrolyten lösliche Tetrahydroxozinkat-ion (Zn(OH)₄^2-), kurz Zinkat, gebildet. :

Zn + 4OH^- \rightarrow Zn(OH)_4^ + 2e^-

Wenn der Elektrolyt mit Zinkat übersättigt ist, beginnt Zinkoxid (ZnO) auszufallen. :

Zn(OH)_4^ \rightarrow ZnO + 2OH^- + H_2O

Bei fortschreitender Entladung, das heißt bei niedrigerer OH^- Konzentration, wird dann Zinkhydroxid (Zn(OH)₂) gebildet. Aus diesem entsteht unter Abgabe von Wasser langsam wiederum Zinkoxid (ZnO). :

Zn + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_2 + 2e^-

Zn(OH)_2  \rightarrow ZnO + H_2O

Kathodenreaktionen

Bei der Entladung wird in der Kathode Mangandioxid (MnO₂) zu Mangansuperoxid (MnOOH) reduziert. Dabei wird ein Elektron aufgenommen, die Ladung des Mangans wird von +IV auf +III erniedrigt. Diese Reaktion wird als erste Entladestufe bezeichnet. :

MnO_2 + H_2O + e^- \rightarrow MnOOH + OH^-

Unter bestimmten Bedingungen kann bei milden Entladungen in einer langsamen Reaktion Manganoxidhydroxid (MnOOH) noch weiter reduziert werden. Diese Reaktion wird als zweite Entladestufe bezeichnet. :

MnOOH + H_2O + e^- \rightarrow Mn(OH)_2 + OH^-

Gesamtreaktion

Wird nur die erste Entladestufe berücksichtigt, ergibt sich für die Gesamtreaktion in der Alkali-Mangan-Zelle: :

Zn + 2MnO_2 + H_2O  \rightarrow  ZnO + 2MnOOH

Wie aus der Gesamtreaktionsgleichung ersichtlich, wird bei der Entladung Wasser verbraucht, eine verbrauchte Alkali-Mangan-Zelle ist daher „trocken“.

Nebenreaktionen

Zink ist in stark alkalischer Lösung thermodynamisch instabil. Wie aus der elektrochemischen Spannungsreihe ersichtlich wird daher als Nebenreaktion in der Anode Zink (Zn) oxidiert und Wasser (H₂O) zu gasförmigem Wasserstoff (H₂) reduziert. :

Zn + 2H_2O + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_4^ + H_2

Diese als "Gasung" bezeichnete Reaktion läuft bei der Lagerung von nicht entladenen und teilentladenen Zellen ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist für hochreines Zink relativ gering. Bereits kleine Mengen von Verunreinigungen (beispielsweise Schwermetalle wie Eisen, Kupfer, Molybdän und Nickel) können die Gasung jedoch drastisch erhöhen.

Aufbau

Nickel Das Bild rechts zeigt zwei aufgeschnittene Alkali-Mangan-Zellen und den abgetrennten oberen Bereich. Der Plus-Pol ist, anders als bei einer Zink-Braunstein-Zelle, Teil des Außenmantels und elektrisch mit ihm verbunden. Im Inneren bildet gepresster Braunstein die Kathode, im Bild als schwarzer Ring innerhalb des Mantels zu erkennen. Die Anode besteht aus einer Paste aus Zink und Kaliumhydroxid, eingewickelt in ionendurchlässiges Faserpapier. In der mittleren Ansicht ragt es über die abgeschnittene Zelle hinaus. Links erkennt man den Metallstift, der den elektrischen Kontakt mit der Bodenplatte herstellt und Minus-Pol bildet.
Kaliumhydroxid Eine 9 V Alkali-Mangan Blockbatterie enthält 6 Rundzellen. Ihre Anordnung innerhalb des Batterie-Gehäuses ist links im Bild zu erkennen. Rechts sieht man drei Zellen im Querschnitt. Die Kapselung der Einzelzellen erhöht die Auslaufsicherheit, reduziert aber die Packungsdichte und damit die Kapazität.

Eigenschaften

Spannung

Die Nennspannung der Alkali-Mangan-Zelle liegt bei 1,5 V. Höhere Spannungen können durch Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen erzielt werden, beispielsweise mit drei Zellen bei der Normalbatterie 3LR12 4,5 V, mit vier Zellen beim Flat-Pack 4LR61 6 V und mit sechs Zellen beim E-Block 6LR61 9 V. Die tatsächliche Leerlaufspannung einer nicht entladenen Alkali-Mangan-Zelle liegt meist im Bereich 1,50 bis 1,65 V - sie hängt hauptsächlich von der Aktivität des verwendeten Mangandioxides und dem Zinkoxidgehalt in der Elektrolytlösung ab. Die (mittlere) Lastspannung hängt von der Belastung und dem Entladegrad ab, sie beträgt typischerweise 1,10 bis 1,30 V. Entladeschlußspannungen liegen meist im Bereich 0,8 bis 1,0 V.

Entladung

Leerlaufspannung.]] Das Diagramm vergleicht die Belastungskurven bei konstantem Strom einer Zink-Braunstein-Zelle und eines NiMH-Akkus mit der einer Alkali-Mangan-Zelle. Die Spannung der Zink-Braunstein-Zelle fällt nach kurzer Zeit unter 0,8 V ab. Ein Akku hält die Spannung von 1,2 V über einen langen Zeitraum. Das Zeitverhalten einer Alkali-Mangan-Zelle liegt zwischen den beiden Kurven, die Spannung nimmt langsam mit der Zeit ab. Bei einer Steigerung der Belastung erreicht die Alkali-Mangan-Zelle die 0,8 V Grenze überproportional schnell. Der gestiegene Innenwiderstand verhindert die Bereitstellung der Leistung, obwohl Kapazitätsreserven von 20% und mehr vorhanden sein können. Nach einer Regenerationszeit von einigen Stunden sinkt der Innenwiderstand und die Batterie kann mit kleiner Leistung weiter arbeiten. Beispiel: Alkali-Batterien in Hochleistungs-Verbrauchern scheinen nach kurzer Zeit leer zu sein. Nach einer Pause von mehreren Stunden arbeiten sie kurzzeitig wieder. Anschließend sind sie nicht mehr in der Lage, den hohen Strombedarf zu decken. Aus Sicht des Hochleistungs-Verbrauchers sind die Batterien erschöpft, obwohl sie noch eine Restkapazität von 30% besitzen können. Anstatt sie wegzuwerfen, sollten sie für Verbraucher mit geringerem Leistungsbedarf genutzt werden.

Vergleich Alkali-Mangan- und Zink-Braunstein-Zelle

Wiederaufladen

Teilentladene Alkali-Mangan-Primärbatterien können unter Umständen mehrfach (5-20 Mal) wieder aufgeladen werden. Dazu legt man an eine Zelle eine Konstantspannung von 1.65 V an, der Ladestrom stellt sich entsprechend ein. Ladegeräte für Nickel-Cadmium (Ni-Cd) oder Nickel-Metallhydrid (Ni-MH) Akkus sind nicht geeignet. Hinweis: Kommerzielle RAM-Ladegeräte arbeiten auch mit konstantem Ladestrom, der jede Sekunde für wenige Millisekunden unterbrochen wird um die stromlose Zellenspannung zu messen. Wenn diese 1,73 Volt überschreitet wird der Ladestrom so lange abgeschaltet, bis die Zellenspannung 1,69 Volt wieder unterschritten hat. Die Konstantspannungsmethode ist zwar langsamer, aber dafür sicherer, erst recht, wenn man die stromlose Zellenspannung nicht erfassen kann. Die Aufladung wird umso schwieriger, je mehr die Batterie vorher entladen wurde – vollständig entladene Batterien können kaum mehr geladen werden. Primärbatterien sind nicht zum Wiederaufladen ausgelegt. Sie können undicht werden und auslaufen. Eine Explosion einer Alkali-Mangan-Zelle ist aber unwahrscheinlich (geringe Druckfestigkeit, Berstschutz). Warnhinweis
Alkali-Mangan-Primärzellen können durch Wiederaufladen undicht werden und auslaufen. Die alkalische Kalilauge ist ätzend. Verletzungen und Beschädigungen von Geräten können die Folge sein. Das Wiederaufladen von primären Alkali-Mangan-Primärbatterien erfolgt auf eigene Verantwortung. Kein Hersteller, auch nicht die Wikipedia, übernimmt dafür Garantie oder Haftung. Ausgenommen sind Alkali-Mangan-Zellen, die explizit als wiederladefähig verkauft werden.

Literatur

Weblinks

- [http://data.energizer.com/ Datenblätter einiger Batterien] (auf Englisch)
- [http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/zink.html Übersicht über technische Daten von Batterien]
- [http://www.ife.ee.ethz.ch/~zinniker/batak/ Vergleich der Leistungsdaten von Batterien und Akkus]
- http://www.grs-batterien.de Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:アルカリマンガン乾電池

Elektrische Kapazität

Die elektrische Kapazität (Adjektiv kapazitiv) in der Physik/Elektrotechnik stellt die Fähigkeit eines Körpers dar, elektrische Ladungen zu speichern. Sie wird als Verhältnis der zugeführten Ladungsmenge zur entstandenen Spannung bestimmt. Damit ist sie ein Maß für das Ladungs-Fassungsvermögen eines Körpers. Der Begriff "Kapazität" wird gerade in der Elektrotechnik und Elektronik häufig auch synonym für das elektrische Bauelement Kondensator verwendet. Bei Akkumulatoren besitzt die Bezeichnung "Kapazität" umgangssprachlich eine andere Bedeutung. Dort wird sie direkt als Bezeichnung für die Ladungsmenge verwendet. Die elektrische Kapazität wird in der SI-Einheit Farad gemessen. Ein Farad (1 F) ist die Kapazität C eines Kondensators, der beim Anlegen einer Spannung U von 1 Volt eine Ladungsmenge Q von 1 Coulomb (As) speichert:

[C]=\frac

1\,\mathrm = \frac

Das Farad ist eine recht große Einheit, die meisten in der Praxis verwendeten Kondensatoren haben Nennwerte zwischen einigen Picofarad (pF) und einigen Mikrofarad (μF). Die Größe der Kapazität hängt von den Abmessungen und dem Material des Kondensators ab. Für einen Plattenkondensator (zwei Metallplatten der Fläche A im Abstand d) berechnet man die Kapazität gemäß: :: $C = \frac$ Die Kapazität einer freien Kugel mit dem Radius R beträgt: :: $C = 4 \pi\ \epsilon_r \ \epsilon_0 \ R$ Diese Formel gilt allerdings nicht mehr, wenn sich Gegenstände insbesondere Leiter auf Erdpotential (z.B. die Hand des Experimentators) in der Nähe der Kugel befinden. In den Formeln ist ε₀ die elektrische Feldkonstante, :: $\epsilon_0 = 8854187817 \cdot 10^ \mathrm$ ε_r ist eine für das Isolationsmaterial spezifische dimensionslose Materialkonstante, die Permittivitätszahl, auch Dielektrizitätszahl genannt (siehe auch: Permittivität). Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Theoretische Elektrotechnik ja:静電容量 ko:전기용량

Kondensator (Elektrotechnik)

Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauelement zur Speicherung von Energie in einem elektrischen Feld. Er besteht im Prinzip aus zwei einander gegenüberstehenden Metallplatten mit einem dazwischenliegenden Luftspalt. Werden die Platten mit jeweils einem Pol einer Stromquelle verbunden, so fließt solange ein elektrischer Strom, bis die Kapazitätsgrenze erreicht ist; dabei wird eine Platte positiv, die andere negativ geladen. Die Ladung eines Kondensators bleibt erhalten, wenn er von der Stromquelle getrennt wird. In der praktischen Ausführung wird das Prinzip der gegenüberliegenden Platten in vielfacher Abwandlung, z. B. als aufgewickelte Folien mit zwischenliegenden Isolatormaterialien ("Dielektrikum") ausgeführt, um eine möglichst kleine Bauweise zu erreichen. Die "Kapazität" eines Kondensators ist sein wesentlichstes Merkmal und stellt ein Maß dar für die Ladung, die er bei einer bestimmten angelegten Spannung speichern kann. Kondensatoren werden in elektrischen Schaltungen für vielfältige Zwecke verwendet. Neben dem Kondensator als "diskretes Bauelement" haben zahlreiche andere Gegenstände oder Einrichtungen unserer Umwelt Kondensator-Eigenschaften. So sind z. B. Unterseekabel mit ihren zwei (oder mehr) metallischen Leitern zwar keine Kondensatoren, wirken aber wegen ihrer gewaltigen Ausdehnung wie solche. Beim damaligen Gleichstrombetrieb musste sich bei jedem Impuls zunächst die durch die Länge aufsummierte Oberfläche der Kabelleiter aufladen, bevor am anderen Ende das Signal erscheinen konnte. Die Geschwindigkeit des Telegrafierens wurde dadurch wesentlich vermindert. Michael Faraday machte darauf aufmerksam, dass zwischen einem gewöhnlichen Leiter und einer Leidener Flasche (dem erstmals ausgeführten Kondensator) kein prinzipieller Unterschied besteht. Wird ein Leiter frei in der Luft gehalten und z. B. positiv geladen, so werden an den umgehenden Leitern, etwa den Wänden eines Zimmers, durch Influenz die negativen Ladungen angezogen, die positiven in die Erde abgeleitet. Die Zimmerwände bilden dann gewissermaßen die äußere Belegung der Flasche, die zwischenliegende Luft die isolierende Schicht. Diese Kondensator-Eigenschaft wird jedesmal sichtbar, wenn jemand beispielsweise beim Berühren einer Türklinke einen elektrischen Schlag erhält.

Geschichtliche Anfänge

Die Leidener Flasche und ähnliche Laborgeräte wurden in der Folge vornehmlich zur publikumswirksamen Demonstration von Stromschlägen (auch als "Kleist'scher Stoß" bekannt geworden) eingesetzt, bei später zunehmenden Kenntnissen über das Wesen der Elektrizität auch als Stromquelle für fortgeschrittenere Laborexperimente. Da sie eine besonders hohe Spannungsfestigkeit haben, werden Leidener Flsachen heute noch für Hochspannungs-Experimente eingesetzt.

Anwendungen

Hochspannung
- Eine häufige Anwendung von Kondensatoren ist die Zeitverzögerung oder Zeitschaltung. Im einfachsten und anschaulichsten Fall liefert hier ein geladener Kondensator nach dem Abschalten der Energiezufuhr noch eine Zeitlang elektrischen Strom, so dass die endgültige Beendigung der Schaltungsfunktion hinausgeschoben oder kurzzeitige Spannungsausfälle überbrückt werden.
- Ein weiterer Bereich ist die Gleichrichtung von Wechselstrom, hier wird der Kondensator eingesetzt um den zunächst „welligen“ Spannungsverlauf des Gleichstroms zu „glätten“. Der Kondensator fängt bildhaft ausgedrückt Spannungsüberschüsse auf und gibt sie in den „Senken“ des Spannungsverlaufs wieder ab.
- Durch ihr „träges“ Lade- und Entlade-Verhalten erzeugen Kondensatoren bei Anschluss an Wechselstrom eine Phasenverschiebung zwischen den periodischen Verläufen von Spannung und Strom. Damit lässt sich zusammen mit anderen Bauteilen ein magnetisches Drehfeld erzeugen. Dies wird verwendet, um einfache Kondensatormotoren bzw. zweiphasigen Asynchronmotoren zu bauen.
- Die Erscheinung der „Phasenverschiebung“ kommt auch bei dem „funktionalen Gegenpol“ der Kondensator-Kapazität, der Induktivität vor, jedoch ist hier die Phasenverschiebung genau entgegengesetzt. Bei der Anwendung zahlreicher Motoren mit großer Induktivität in Anlagen der Industrie führt dies zu erheblich größeren Strömen im Versorgungsnetz. Diese Erscheinung kann durch die Zuschaltung von Kondensatoren mit gleich großem Wechselstromwiderstand ausgeglichen werden. Diese Maßnahme wird als Blindstromkompensation bezeichnet.
- Die Frequenzabhängigkeit des Kondensator-Widerstandes wird benutzt, um Signale „filternd“ durchzulassen (Koppelkondensator). Zusammen mit einer Spule (Induktivität) wird dies auch für Schwingkreise bzw. Bandfilter verwendet, die eine bestimmte Resonanzfrequenz haben.
- Bei einer Änderung des Abstandes der „Platten“ des Kondensators ändert sich auch die Kapazität und damit auch der elektrische Wechselstromwiderstand. Daher können Kondensatoren auch für die Messung von Druck, Abstand und Dicke sowie auch in Mikrofonen (Kondensatormikrofon) eingesetzt werden.
- Kondensatoren können schädliche Überspannungsspitzen in elektronischen Schaltungen aufnehmen und ihre schädliche Wirkung vermindern.

Kapazität und Ladung

Kondensatormikrofon Die elektrische Ladung Q eines Kondensators ist umso größer, je größer die Kapazität C und je größer die Spannung U ist: :::

Q = C \cdot U

Die Ladung wird in Amperesekunden (As) bzw. Coulomb (C) gemessen, 1 As = 1 C. Die Kapazität wird in in Farad (F) angegeben. Ein Kondensator hat die Kapazität von 1 Farad, wenn er von der Ladung 1 Amperesekunde um 1 Volt aufgeladen wird. Die Maßeinheit Farad ist jedoch für die Praxis zu groß, es werden meist Bruchteile davon bzw. Mikrofarad (µF = 10^-6F), Nanofarad (nF = 10^-9F), Picofarad (pF = 10^-12F) verwendet. Die Kapazität C ist durch den Aufbau des Kondensators bestimmt. Sie ist umso größer, je größer die Plattenfläche A und je kleiner der Plattenabstand d ist. Zusätzlich beeinflusst das Isolationsmaterial zwischen den Platten die Kapazität, dies wird mit der Dielektrizitätskonstante

\varepsilon_0

für das Vakuum und mit der materialspezifischen Dielektrizitätszahl

\varepsilon_r

erfasst: ::

C=\varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot

Die Dielektrizitätskonstante für das Vakuum ist praktisch identisch mit der Dielektrizitätszahl für Luft und bemisst sich zu ::

\varepsilon_0 := 8854 187 ... \cdot 10^ ^

Eine praxisgerechte Zahlenwertgleichung hierfür ist ::

\varepsilon_0 := 00885 \cdot

bei Verwendung vom cm² für die Fläche A und cm für den Abstand d. Die Dielektrizitätszahl gibt an, um welchen Faktor die Kapazität größer ist, als bei einem im Vakuum betriebenen Kondensator.

Parallelschaltung

Die Kapazitätswerte in einer elektrischen Schaltung können durch die Zusammenschaltung mehrerer Kondensatoren verändert werden. Die Parallelschaltung wird häufig angewendet, um die Gesamtkapazität zu steigern. Für die Gesamtkapazität gilt: ::

C_ = C_1  + C_2 + \cdots + C_n \,\!

Wenn man Kondensatoren parallelschaltet, liegt an allen die gleiche Spannung bzw. Potentialdifferenz an. ::

C_ = \frac = \frac + \frac + \cdots + \frac  \,\!

Zur Veranschaulichung betrachte man eine Parallelschaltung aus zwei Kondensatoren, die sich nur in ihrer Plattengröße unterscheiden. 500px Durch die Verbindung entsteht ein Kondensator mit der Plattengröße A₁+A₂. Seine Kapazität ist also: ::

C=\varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot  = \varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot  + \varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot =C_1 + C_2

Reihenschaltung (Serienschaltung)

Bei der Reihenschaltung werden zwei oder mehr Kondensatoren hintereinandergeschaltet. Diese Maßnahme wird angewendet, um eine hohe Spannung auf mehrere Kondensatoren mit geringerer Spannungsfestigkeit zu verteilen, wenn kein Einzel-Bauteil für diese Spannung verfügbar ist. Die Gesamtkapazität verringert sich dabei jedoch, es gilt: ::

\frac = \frac + \frac + \cdots +  \frac

Wenn man Kondensatoren in Reihe schaltet, fließt durch alle der gleiche Strom. Der Betrag der Ladungen aller Platten ist gleich groß. Die Summe der Spannungen über den Kondensatoren entspricht der Gesamtspannung. ::

\frac = \frac + \frac + \cdots +  \frac = \frac

Zur Veranschaulichung kann man eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren betrachten, die sich nur im Plattenabstand unterscheiden. Die Verbindung ergibt einen Kondensator mit dem Plattenabstand d₁ + d₂. 500px Die Kapazität ist dann ::

C=\varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot

also ::

= =+ =  +

Kondensator bei Gleichstrom

Ladevorgang

500px In einen Kondensator fließt bei angelegter Spannung solange Strom, bis die Platten elektrisch aufgeladen sind und keine weitere Ladung annehmen. Dies tritt ein, wenn die Kondensatorspannung U(t) genauso groß wie die angelegte Spannung U_q ist. Die eine Platte ist dann elektrisch positiv, die andere negativ geladen. Auf der negativ geladenen Seite herrscht ein Elektronenüberschuss. Die Ladezeit des Kondensators ist proportional zur Größe des Vorwiderstandes R₁ und proportional zu seiner Kapazität C. Das Produkt von Vorwiderstand und Kapazität nennt man die Zeitkonstante $\tau$ . ::

\tau = R_1 \cdot C

Theoretisch dauert es unendlich lange, bis U(t)=U_q ist. Für praktische Zwecke kann man die Ladezeit t_L betrachten, nach der der Kondensator näherungsweise als vollständig geladen angesehen werden kann. ::

t_ = 5 \cdot \tau

Zeitkonstante Die Zeitkonstante τ markiert zugleich den Zeitpunkt, an dem die am Beginn der Kurve angelegte Tangente den Endwert erreicht. Nach dieser Zeit wäre der Kondensator auf den Endwert geladen, wenn man ihn mit dem konstanten Strom I_max laden könnte. Tatsächlich nimmt die Stromstärke jedoch mit der Zeit ab). Im Einschaltmoment stellt der Kondensator einen Kurzschluss dar, deshalb muss ein Kondensator immer über einen Vorwiderstand aufgeladen werden, der den Strom auf den vorgegebenen oder zulässigen Wert begrenzt. Für die Größe dieses Widerstandes R1 gilt nach dem ohmschen Gesetz, wobei Uq die angelegte Spannung der Stromquelle und I_max die Anfangsstromstärke ist: :: $R_1 =$ Der Verlauf der Ladespannung U(t) bzw. deren jeweilige zeitliche Größe wird mit der folgenden Gleichung beschrieben, wobei e die Eulersche Zahl und t die Zeit nach Beginn der Ladung ist: :: $U(t) = U_q \cdot (1 - e^)$ , wobei vorausgesetzt wird, dass der Kondensator zu Beginn ungeladen war: U(0)=0 V). Der Verlauf der Stromstärke I(t) bzw. deren jeweilige zeitliche Größe wird mit der folgenden Gleichung beschrieben: :: $I(t) = I_ \cdot e^$
Entladevorgang
Verbindet man die Platten eines geladenen Kondensators über einen Draht oder einen elektrischen Verbraucher (Lampe, Widerstand), so gleichen sich die Ladungen der Platten aus. Es fließt solange Strom, bis beide Platten wieder elektrisch neutral sind. Schaltet man im anfänglichen Bild den Schalter nach Stellung (2) um, nachdem der Kondensator auf den Wert U_max geladen ist, so entlädt er sich über den Widerstand R₂. Hier ist sowohl die Spannung als auch die Stromstärke zu Beginn am größten: :: (t=0) $I_ =$ und beträgt zu einem beliebigen Zeitpunkt danach $I(t) =$ Widerstand Die Spannung nimmt im Verlaufe der Entladung mit der Zeit ab gemäß :: $U(t) = U_ \cdot e^$ Der Strom, der mit der Spannung U(t) über den Entladewiderstand R₂ verknüpft ist, zeigt den entsprechenden Verlauf :: $I(t) = I_ \cdot e^$
Feldenergie
Ein geladener Kondensator speichert elektrische Energie in dem elektrischen Feld, das zwischen den geladenen Platten besteht. Ist ein Kondensator der Kapazität C auf die Spannung U geladen, so enthält sein Feld die Energie W gemäß: :: $W =$ Um den Kondensator zu laden, muss man elektrische Ladung von der einen Platte zur anderen transportieren. Je weiter der Kondensator während dieses Vorgangs bereits aufgeladen ist, desto stärker ist das bereits zwischen seinen Platten herrschende elektrische Feld E, desto mehr Kraft muss also ausgeübt werden, um die Ladung von einer Platte zur anderen zu bringen. Während des Ladens wird daher (immer mehr) Arbeit an den bewegten elektrischen Ladungen verrichtet. Am Schluss ist die während des Aufladens verrichtete Gesamtarbeit als Feldenergie gespeichert.
Kondensator bei Wechselstrom

Phasenverschiebung
elektrischen Feld Beim Anschluss an Wechselspannung (Spannung mit periodisch wechselnder Polung) werden die Platten eines Kondensators ständig von positiv nach negativ und umgekehrt umgeladen. Dem Kondensator wird der Takt einer hinreichend starken Wechselspannungsquelle nach wenigen Perioden aufgezwungen, es fließt ständig Strom in wechselnder Richtung. Dabei fließt der Strom jedoch zeitlich versetzt zur Spannung („Phasenverschiebung“): Es muss zunächst Strom fließen, ehe am Kondensator eine Spannung aufgebaut wird, der Strom ist daher der Spannung in der Phasenlage um 90° voraus. Als Eselsbrücke für rechnerische Zwecke lässt sich merken "Kondensator: Strom eilt vor". Die effektive Stromstärke I_eff ist proportional zur Frequenz f der angelegten Spannung und zur Kapazität C des Kondensators: :: $I_\mathit\ \;\sim\ f$ :: $I_\mathit\ \;\sim\ C$
Kapazitiver Widerstand
Durch das gleichzeitige Vorhandensein von Strom und Spannung kann dem Kondensator ein elektrischer Widerstand X zugemessen werden, der jedoch im Gegensatz zu einem Ohmschen Widerstand keine Leistung in Wärme umsetzt („Verlustleistung“). Man nennt ihn einen „Blindwiderstand“. Wenn f die Frequenz der Wechselspannung und C die Kapazität ist, gilt für den Blindwiderstand: :: $X = \frac = \frac$ :: Wobei $\omega = 2\cdot\pi\cdot f$ Kreisfrequenz oder Winkelgeschwindigkeit heißt. KreisfrequenzDie Formel zeigt, dass der elektrische Widerstand des Kondensators mit zunehmender Frequenz abnimmt bis zum praktischen Kurzschluss bei Hochfrequenz und andererseits bei der Frequenz f= 0 also bei Gleichstrom unendlich groß wird und praktisch wie eine Leitungsunterbrechung wirkt. Allerdings wird der zeitlich verzögerte Ablauf bei einer Spannungsänderung unter Gleichstrom für Steuerungszwecke genutzt. Die oben ausgeführte Betrachtung geht der Anschaulichkeit halber von einem „idealen“ Kondensator aus, der nur aus den plan gegenüberliegenden Platten besteht. In der Hochfrequenztechnik kommt mit den Zuleitungen und eventuell den langen, aufgewickelten Folienbändern eines Kondensators sowohl ein ohmscher Widerstand als auch ein begleitender induktiver Widerstand hinzu, die in der Zusammenfassung zum Scheinwiderstand "Z" berücksichtigt werden müssen; ähnliches gilt für Verluste im Dielektrikum. Bei welcher Frequenz diese Anteile signifikant werden, hängt von der Bauform des Kondensators und den Eigenschaften des Dielektrikums ab. Bei niedrigeren Frequenzen sind diese Begleiterscheinungen von so geringem Ausmaß, dass sie nicht beachtet werden.
Bauformen
Die vielen unterschiedlichen Bauformen entstehen vor allem aus dem Bestreben, möglichst viel Kapazität auf möglichst kleinem Raum unterzubringen und dabei besonderen Anwendungsumständen Rechnung zu tragen.
Kondensatoren mit fester Kapazität
Kondensatoren mit fester Kapazität haben einen unveränderlichen Kapazitätswert, sie werden eingesetzt, wenn keine Regelung und keine Feinanpassung der Schaltung erforderlich ist. Es gibt sie je nach den technischen Anforderungen (Größe, Spannungsfestigkeit etc.) sowie nach wirtschaftlichen Anforderungen (Preis) in zahlreichen verschiedenen Ausführungen, die nach der Art des Dielektrikums, der Elektroden oder der geometrischen Form unterschieden werden.
- Der Metallpapierkondensator ist die billigste Ausführung der Kondensatoren. Er besteht aus je zwei Lagen ölgetränktem Papier (Isolierpapier) und Metallfolie, die aufgewickelt sind.
- Kunststofffolien-Kondensatoren bestehen aus je zwei Lagen Metallfolie und Kunststofffolie. Diese sind abwechselnd geschichtet und üblicherweise aufgerollt. Entweder werden sie so gewickelt, dass auf jeder Seite des Wickels eine der Metallfolien übersteht, der dann großflächig mit dem Anschluss kontaktiert wird, oder die beiden Anschlüsse werden beim Wickeln eingelegt.
- Ein Metallisierter Kunststoffkondensator besteht aus zwei Kunststofffolien, die auf beiden Seiten mit Aluminium bedampft sind und aufgewickelt werden. Diese Bauform gibt es auch als Schichtkondensatoren - die Lagen werden zu einem großen Block geschichtet, aus dem die einzelnen Kondensatoren herausgesägt werden. Schichtkondensatoren sind induktionsarm. Alternativ können diese Kondensatoren auch aus zwei Lagen Folie aufgebaut sein, die nur auf einer Seite metallisiert sind. Diese Kondensatorart ist bei einem Durchschlag selbstheilend, da die dünne Metallschicht vom Lichtbogen um den Durchschlagkanal herum verdampft wird.
- Bei einem Elektrolytkondensator' (auch „Elko“) ist die eine Elektrode eine Aluminiumfolie und die andere Elektrode ein Elektrolyt. Auf der Aluminiumfolie ist eine Aluminiumoxydschicht als isolierendes Dielektrikum aufgebracht. Ein Elektrolyt ist eine leitende Flüssigkeit, mit diesem Aufbau können bei kleiner Bauweise relativ hohe Elektrische Kapazitäten von bis zu 1 F erreicht werden. Elektrolytkondensatoren haben im Gegensatz zu anderen Kondensatoren eine definierte Polarität, die Aluminiumfolie ist immer die positiv geladene und der Elektrolyt die negativ geladene Elektrode. Als Anschluss der negativen Elektrode dient der Metallbecher, in dem Elektrolyt und die positive Anode untergebracht sind. Hier gibt es weitere verbreitete Bauformen:
- Aluminium-Elektrolytkondensator
- Tantal-Elektrolytkondensator
- Doppelschicht-Kondensator (Markennamen Gold Cap, Supercap, UltraCap, BoostCap)
- Bipolarer Elektrolytkondensator (Elektrolytkondensator ohne Polung. Dieser wird in Frequenzweichen eingesetzt)
- Keramikkondensatoren bestehen aus einem Keramikröhrchen oder einer dünnen Keramikscheibe als Dielektrikum und aufmetallisierten Elektroden. Die Keramikscheibe kann entweder eine einzelne Scheibe mit den Belägen auf beiden Seiten oder ein Stapel von Scheiben sein, ein Vielschichtkondensator.
- Durchführungskondensatoren sollen elektromagnetische Störungen, zum Beispiel Funkwellen aus der Umgebung, aus einer Geräte-Zuleitung ableiten. Sie dienen damit der Elektromagnetischen Verträglichkeit. Sie bestehen meist aus Keramikkondensatoren mit drei Anschlüssen, von denen zwei an der einen „Platte“ angebracht sind und zum Ankoppeln der aufgetrennten elektrischen Zuleitung vorgesehen sind. Der dritte Anschluss an der anderen „Platte“ dient zur Verbindung mit "Erde" bzw. "Masse". Baulich sind diese Kondensatoren oft in ein metallenes zylindrisches Gehäuse gesetzt, das als dritter Anschluß dient. Dieses kann mit leitendem Kontakt in ein metallenes Gerätegehäuse eingesetzt werden und stellt damit die elektrische Verbindung zu "Masse" her. Die beiden anderen Anschlüsse ragen jeweils aus den zylindrischen Enden hervor und stellen die "Durchführung" für die aufgetrennte Zuleitung dar.
- Zylinderkondensatoren bestehen aus zwei ineinanderstehenden Zylindern zwischen welchen sich ein Dielektrikum (Isolator) befindet, Kugelkondensatoren bestehen aus konzentrisch ineinanderliegenden gegeneinander isolierten, metallischen Kugeloberflächen. Da sich bei diesen Bauformen im Vergleich zur Größe praktisch nur eine geringe Kapazität realisieren lässt, haben sie keine kommerzielle Bedeutung.
Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität
Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität sind in ihrem Kapazitätswert verstellbar, sie werden eingesetzt, wenn eine Regelung oder eine Feinanpassung der Schaltung erforderlich ist.
- Ein Drehkondensator oder Trimmkondensator besteht aus Metallflächen, deren gegenüberliegende Flächenanteile durch einen Drehmechanismus verändert werden können. Zur Kapazitäts-Vervielfachung wurden ineinandergreifende Plattenpakete aufgebaut. Sie wurden zum Verändern der Resonanzfrequenz von Schwingkreisen, zum Beispiel in Radios zum Einstellen von Sendern verwendet und sind heute besonders im UKW-Bereich durch Kapazitätsdioden abgelöst worden.
- Ein Kondensatormikrofon hat eine wenige tausendstel Millimeter dicke Membran, die elektrisch isoliert, dicht vor einer gelochten Metallplatte angebracht ist. Eintreffender Schall bringt die Membran zum Schwingen, wodurch sich der Abstand der beiden Plattenflächen verändert und damit auch die Kapazität dieses Kondensators. Diese Kapazitätsschwankungen ergeben das elektrische Signal. Im Mikrofongehäuse sitzt eine Schaltung, die das Signal vorverstärkt und symmetriert.
- Die Kapazitätsdiode, auch Varicap, auch Varaktor, Abstimmdiode oder Ladungsspeicherdiode genannt, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauteil. Wird eine Diode in Sperrrichtung betrieben, so entsteht am P-N-Übergang eine Ladungsträgerverarmungszone, an der sich auch ein elektrisches Feld aufbaut. Mit steigender Spannung vergrößert sich die Breite der ladungsfreien Zone, damit nimmt die Kapazität ab. Durch Änderung der angelegten Spannung lässt sich eine elektrisch steuerbare Kapazität erreichen.
Kennzeichnungen
Bei den Kondensatoren gibt es keine so einheitliche Kennzeichnung wie bei Widerständen. Einige der Möglichkeiten sind unten aufgelistet. Weitere Informationen sind auch über die Weblinks unten zu finden.
- 473: Die ersten beiden Ziffern geben den Wert in Pikofarad an, die dritte die Anzahl der nachfolgenden Nullen. 473 bedeutet also 4 – 7 – 000 pF = 47 nF.
- 3n9: Dies bedeutet 3,9 nF.
- .33 K 250: Die erste Zahl gibt den Wert in Mikrofarad an, also 0,33 µF = 330 nF. K steht für eine Kapazitätstoleranz von 10 % und 250 für die zugelassene Spannung in Volt, die angelegt werden kann.
- Oft wird auch bei Elektrolytkondensatoren ein in mehreren Ziffern verschlüsselter Datumscode aufgedruckt um das Herstelldatum erkennen zu können, da Elektrolytkondensatoren in Abhängigkeit von der Zeit ihre Kapazität verringern können; z. B. 2313: 2 = 2002, 3 = März, 13 = 13. Tag, also 13. März 2002. Der Aufbau der Codes kann sich bei verschiedenen Herstellern unterscheiden, da nur wenige nach der einheitlichen Norm gehen.
Materialbedingte Merkmale

Spannungsfestigkeit
Reale Kondensatoren können nicht bis zu einer beliebigen Spannung aufgeladen werden. Überschreitet man die zulässige Spannung bis zur „Durchschlagsspannung“, so schlägt der Kondensator durch, das heißt, es fließt plötzlich ein erheblich größerer Strom über eine Funkenstrecke oder auf eine ähnliche Art ab. Meist führt das zur Zerstörung des Kondensators (z. B. durch Explosion oder Hitzewirkung) und zu weitergehenden Zerstörungen an den Geräten. Manche Kondensatoren besitzen in gewissen Grenzen die Fähigkeit zur Selbstheilung, wenn der Schaden nicht allzu groß ist. Die zulaessige Hoechstspannung kann im allgemeinen berechnet werden.
Selbstentladung
Ein geladener Kondensator entlädt sich mit der Zeit auch über seinen eigenen Isolationswiderstand R_is. :: $\tau_ = R_ \cdot C$ Die Selbstentladezeitkonstante $\tau_$ ist größer je hochwertiger ein Kondensator ist. Üblich sind Werte zwischen 1000 s bis zu 10.000 s (mit s = Einheitenzeichen für Sekunden)...
Polarität
Kondensatoren sind normalerweise symmetrisch (bipolar) aufgebaut. In Spezialfällen muss man jedoch die Polarität beachten: # Der Elektrolytkondensator benötigt zum Aufbau und Erhalt seiner Isolierschicht (des Dielektrikums) eine polarisierte Spannung. Er darf nicht mit negativer Polarität betrieben werden, da er sonst zerstört werden kann. Beim Betrieb mit Wechselspannung benötigt er eine geeignete Vorspannung oder es muss ein bipolarer Typ sein: diese speziellen Aluminium-Elektrolytkondensatoren gestatten auf Kosten der Baugröße auch wechselnde Polarität # Gewickelte Kondensatoren sind unsymmetrisch in Bezug auf die Außenfläche. Gegebenenfalls ist zu beachten, welche Seite des Kondensators außen liegt. An diese Schicht wird gewöhnlich, wenn zutreffend, die Masse angeschlossen, um die Größe von Verstimmungen des Kondensators zu verringern.
Temperaturabhängigkeit
Die Kapazität eines Kondensators ist temperaturabhängig. Für Keramikkondensatoren gibt es Dielektrika mit positivem, negativem und nahe null betragendem Temperaturkoeffizienten. Bei hohen Stabilitätsanforderungen bei Schwingkreisen können auf diese Weise Temperatureinflüsse auf andere Bauteile ausgeglichen werden. Kondensatoren aus sogenannten ferroelektrischer Keramik haben günstigerweise eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante, jedoch auch einen hohen Temperaturkoeffizienten und können bei hohen Stabilitätsanforderungen nicht verwendet werden. Temperaturstabilität einiger Dielektrika:
- Keramik: schlecht
- Polypropylen (PP): schlecht
- Polyester (PET): sehr schlecht
- Polykarbonat (PC): sehr gut
- Polyphenylsulfid (PPS): sehr gut
Allgemeine Streu- bzw. Parasitärkapazität an Bauteilen
Aus physikalischen Gründen hat jedes reale elektrische Bauelement mehr oder weniger stark auch Kondensator-Eigenschaften. Dieses kapazitive Verhalten kann vor allem bei hohen Frequenzen eine spürbare Auswirkung haben. Manche Schaltungen, die einen Kondensator benötigen, werden wegen dieser schon vorhandenen Kapazität ohne einen Kondensator als separates Bauteil ausgeführt.
Nichtlineares Verhalten
Besonders Elektrolyt- und Tantalkondensatoren zeigen im Signalfluss ein nichtlineares Verhalten. Hochwertige Audioverstärker verwenden deshalb nur Folienkondensatoren im Signalweg oder verzichten ganz auf Kondensatoren.
Siehe auch

- Spule
- Schwingkreis
- komplexe Wechselstromrechnung
Literatur

- O. Zinke, H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer Verlag, Heidelberg (1982), ISBN 3-540-11334-7
- P. Volkmann, P. (Hrsg.): Aufgaben Elektrotechnik und Elektronik 2 – Elektrisches Feld und Kondensator. 1999, ISBN 3-8007-2018-3
- W. Just, W. Hofmann: Blindstromkompensation in der Betriebspraxis 2003, ISBN 3-8007-2651-3
- Bohler, Kähler, Weigt: Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen. Stam-Verlag, ISBN 3-8237-0214-9
Weblinks

- [http://archiv.christoph-hoffmann.de/ESS/Physik/Versuch2.pdf Entladekurve eines Kondensators] (PDF)
- [http://elektronik-kompendium.de/sites/praxis/kzkond.htm Kennzeichnung von Kondensatoren]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-zeitkonstante.htm Umrechnung: Zeitkonstante und Übergangsfrequenz (Grenzfrequenz)]
- [http://www.elektronikinfo.de/strom/kondensatoren.htm Grundlagen und Funktionsweise]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/versuche/01kondformel/kondensator.htm Versuch zur Kondensatorformel] Kategorie:Passives Bauelement Kategorie:Energiespeicher ja:コンデンサ th:ตัวเก็บประจุ

Innenwiderstand

Der Ausgangswiderstand

R_

(Innenwiderstand) liegt am Ausgang eines elektronischen Bauteils oder einer Baugruppe, den man an seinem Ausgang als Widerstand messen kann - aber nicht mit einem Ohmmeter. Dieser Widerstand wird auch Quellwiderstand genannt. Dabei betrachtet man die entsprechende Baugruppe als Blackbox. Bei dieser Schnittstelle wird der darauf folgende passive Eingangswiderstand mit

R_

(Außenwiderstand) oder auch mit Lastwiderstand (Bürdenwiderstand) bzw. Abschlusswiderstand bezeichnet, wie man in der Abbildung erkennen kann. Da es sich in der Regel um komplexe Widerstände handelt, die mit Induktivitäten und Kapazitäten aufgebaut sind, ist der sogenannte Ausgangswiderstand eigentlich eine Ausgangsimpedanz. impedanz Ein Problem ist eine andere bisweilen übliche Bezeichnungsweise mit Eingangswiderstand als

R_

und Ausgangswiderstand als

R_

. Damit ergibt sich ein verwirrender Widerspruch, denn der Ausgangswiderstand der letzten Bezeichnung kann nicht der Eingangswiderstand der ersten Bezeichnung sein. Darum bleibe man allein bei der ersten Benennung. Hierbei gibt es die beiden Betrachtungsweisen (Siehe rechte Abbildung):
- als "Schnittstelle" für zwei aufeinandertreffende Geräte und
- als "ein" Gerät mit seinem Eingang und Ausgang. Der Außenwiderstand und der Ausgangswiderstand sind etwas Verschiedenens und dürfen niemals gleichzeitig mit

R_

bezeichnet werden! Ausgangswiderstände sind überwiegend "aktiv", während Eingangswiderstände immer "passiv" sind, wie man hier in der Abbildung deutlich erkennt. Einen passiven Eingang kann man nicht "kurzschließen" auch wenn das häufig unrichtig angegeben wird. Ein "aktiver" Ausgangswiderstand sollte jedoch wirklich nicht kurzgeschlossen werden. Dämpfungs- und Impedanzanpassungsglieder sind Beispiele dafür, dass ein Innenwiderstand

R_

(Ausgangswiderstand oder Quellwiderstand) dabei auch mal passiv sein kann.

Wert des Ausgangswiderstands

- Bei einem Verstärker sollte er entsprechend der angeschlossenen Baugruppen gewählt werden. Ein Verstärker hat auf der einen Seite einen Eingangswiderstand = Lastwiderstand = Außenwiderstand = Abschlusswiderstand und auf der anderen Seite einen Ausgangswiderstand = Quellwiderstand = Innenwiderstand. Diese Seiten müssen deutlich auseinanderzuhalten sein, um ungewollte Verwechslungen zu vermeiden. In der Hi-Fi-Technik und der Tontechnik gilt, dass der Ausgangswiderstand kleiner als der Eingangsswiderstand zu sein hat. Dieses ist die so bedeutsame Spannungsanpassung

R_

R_

. Anschauliche Begründung: man möchte die über

R_

abfallende Spannung messen oder verstärken, deshalb sollte diese gegenüber der an

R_

abfallenden Spannung wesentlich größer sein. Dies gewährleistet eine gutes Signal-Rausch-Verhältnis. In der Fernmeldetechnik und in der Nachrichtentechnik gilt: Die höchste Leistung kann übertragen werden, wenn der Ausgangswiderstand mit dem Eingangswiderstand der nächsten Baugruppe angepasst ist. Dieses ist die dort übliche Leistungsanpassung

R_

R_

.
- Bei einem dynamischen Mikrofon ist der Ausgangswiderstand relativ klein; in der Studiotechnik kleiner als 200

\Omega

.
- Bei einem Kondensatormikrofon ist der Ausgangswiderstand, an der Stelle des Membran-Kondensators, sehr groß im Bereich eines Gigaohms, jedoch am Mikrofonausgang impedanzgewandelt bei Studiomikrofonen etwa 50

\Omega

.
- Bei einer Batterie soll der Ausgangswiderstand möglichst klein sein, er nimmt gegen Ende der Lebensdauer meist zu. Beim Zusammenschalten mehrerer Baugruppen ist der jeweilige Innenwiderstand zu beachten.

Tonstudioanlagen (Tonregieanlagen)

Bei Tonstudioanlagen nach dem IRT-Pflichtenheft Nr. 3/5 (Tonregieanlagen) hat

R_

(Ausgangswiderstand) kleiner 40

\Omega

über den gesamten Frequenzbereich (20 Hz bis 20 kHz) zu sein. Auch wenn man hierbei allgemein von Widerständen R spricht, handelt es sich um Impedanzen Z.

Leistungsverstärker

Bei Lautsprecherleistungsverstärkern ist dieser Innenwiderstand

R_

(auch Ausgangswiderstand genannt) kleiner 0,1

\Omega

, damit die Eigenschwingungen der Lautsprechermembran und der Schwingspule besonders bei tiefen Frequenzen gut gedämpft werden. Dieses wird Spannungsanpassung genannt.

R_ < R_

. Der Innenwiderstand von Lautsprecherleistungsverstärkern wird höchst selten in den Datenblättern angegeben. Ist der Dämpfungsfaktor D_F bekannt, so kann

R_

ermittelt werden durch:

R_ = \frac

Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-anpassungsdaempfung.htm Berechnung der Anpassungsdämpfung]
- [http://www.sengpielaudio.com/ImpedanzenWiderstaendeSchnittstelle.pdf Benennung von Impedanzen, Widerstände und Schnittstelle]