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Portexpander am AVR

2012-10-28T11:07:55Z

Thomas E.: Link zu "595 Shift Register Simulator" hinzugefügt

Bietet ein Controller nicht genügend I/O-Leitungen, dann kann ein Portexpander verwendet werden. Dadurch stehen zusätzliche Ports zur Verfügung. Neben [[I2C Chip-Übersicht|Portexpandern der I²C-Klasse]] oder [[SPI]]-Klasse bietet sich an, 8-Bit-Schieberegister zu kaskadieren und als Expander zu verwenden. Das ist oft ausreichend, weil mehr Ausgänge gebraucht werden als Eingänge. Dabei werden Schieberegister mit Ausgangs-Latch verwendet, d.h. die Daten werden erst dann an die Ausgänge geschaltet, wenn sie an Ort und Stelle sind.

Falls Eingänge benötigt werden, können auch Schieberegister mit Input-Latches ankaskadiert werden, welche die Eingänge von parallel nach seriell umsetzen (in diesem Artikel nicht näher beschrieben).

= Pro & Contra =

;Vorteile:
* schnell
* preiswert
* einfach anzusteuern (auch ohne Hardware-Unterstützung, deutlich einfacher als I²C)
* Ansteuerung ohne Interrupt-Programmierung
* modular aufgebaut und erweiterbar
* '''alle''' Ports können '''gleichzeitig''' geschaltet werden, auch 100 Stück
* SPI-Interface und [[In System Programming|ISP-Pins]] (die oft ungenutzt bleiben) können verwendet werden
* Bus hat nur 3 Leitungen, dadurch kein kompliziertes Layout mit vielen Leitungen
* Hardware bzw. Code der Version ohne Hardware-Unterstützung ist auch auf anderen Controllertypen als AVR verwendbar (sofern die Ausgangspegel passen).
* Test der Schaltung direkt am PC möglich, falls man Zugriff auf den Parallelport oder [[RS232]] ('''Pegelanpassung erforderlich!''' z.B MAX232, Widerstände & [[Diode#Zenerdiode|Zenerdiode]]) hat. In diesem Fall verwendet man die Software PC-seitig und setzt/resettet die 3 Portleitungen, an die man die Expander angeschlossen hat.
* Indem die Enable-Leitung des Latches per PWM angesteuert wird, können die Ausgänge einfach und effizient gedimmt werden. Das ist interessant, wenn die Portexpander [[LED]]s treiben.

;Nachteile
* bei dieser Version nur Ausgabe möglich
* soll ein Ausgangs-Port geändert werden, müssen ''alle'' Daten neu gesendet werden
* bei der Variante mit SPI-Hardware liegt MISO brach bzw ist nicht so einfach nutzbar zu machen
* Lange Leitungen sind problematisch, weil die CLK Leitung empfindlich auf Überschwinger reagiert.

=Resourcen=

<center>
{| {{Blauetabelle}}
|+ '''Tabelle: Resourcen-Verbrauch mit''' ''N'' '''ICs'''
|- {{Hintergrund1}}
!| Resource || ohne SPI || mit SPI
|-
| AVR-Peripherie || 3 I/O-Ports || SPI + 1 I/O-Port
|-
| Expander 74*595, CD4094, ... || colspan="2" align="center"| ''N''
|-
| maximaler Datendurchsatz in kByte pro Sekunde und MHz
| 10 || 37
|}
</center>

Mit einer CPU-Frequenz von 16MHz hat man also mit der Hardware-Variante einen maximalen Durchsatz von ca. 590 kByte/Sekunde, und 160kByte/Sekunde mit der reinen Software-Variante.

'''Kleinkram:'''
* evtl. Pullup/Pulldown-Widerstand: 20kΩ
* Widerstände zum Entkoppeln vom ISP: einige kΩ
* evtl. Kondensatoren von 100pF zum Entstören der Datenleitungen
* Strom für die Versorgung im Bereich von µA bis wenige mA (je nach Expander-Typ, Anzahl und Frequenz)

=Schaltplan=

<center>
{| {{Blauetabelle}}
|+ '''Anschlussplan'''
| [[Bild:Portexpander_74595_an_AVR.png]]
|}
</center>
;Das umstrichelte Modul: kann einfach so oft nach rechts wiederholt werden, bis es soviele Ausgänge hat, wie gewünscht. Die Bits wandern über Pin 14 (SER) in den Expander. Acht Takte später erscheint das Bit wieder an Pin 9 (QH*) und damit am SER-Eingang des folgenden Expanders.
;R1: ist ein Pullup-Widerstand, der während des ISP-Programmierens dafür sorgt, daß RCK nicht floatet, denn während der Programmierung sind die AVR I/O-Leitungen hochohmig. Dadurch bleiben die Ausgänge der Expander stabil (MOSI und SCK wackeln natürlich beim Programmierern).
;R2, R3: entkoppeln den ISP-Adapter. Ansonsten stören sie nicht weiter, denn beim Programmieren muss praktisch kein Strom fliessen – abgesehen vom minimalen Leckstrom der Ports und Füllen der Portkapazität von ein paar pF.
; Eingang G (Pin13): ist hier auf LOW verdrahtet. Falls gewünscht, kann er verwendet werden, um die Ausgänge der Expander hochohmig zu schalten (high-Z). Dann wird natürlich einen weiteren µC-Port benötigt, um das zu tun. Falls an den Expandern [[LED]]s zum Einsatz kommen sollen, kann G auch mit einem [[PWM]]-Ausgang des µC verdrahtet werden, um die Anzeige dimmen zu können. Im Falle eines PWM-Betriebs ist darauf zu achten, daß durch das gleichzeitige Schalten vieler Ausgänge/Lasten die Betriebsspannung "sauber" bleibt, indem man etwa auf ausreichend große Abblock-Kondensatoren an den Expandern achtet oder andere Maßnahmen zur hinreichenden Stabilisierung der Versorgungsspannung ergreift.

=Ports=
Ohne Nutzung der SPI-Hardware gibt es die freie Auswahl, welche Ports verwendet werden sollen. Natürlich ist auch die Verwendung der SPI/ISP-Ports in jeder beliebigen Anordnung möglich und das Signal "SCK" muss nicht an Port "SCK" angeschlossen sein. Einzig auf das Signal '''RCK''' sollte man achten, denn falls es zugleich durch den ISP verwendet wird, flattern beim Programmieren möglicherweise die Expander-Ausgänge.

Bei der Hardware-Version ist man auf die SPI-Pins
'''MOSI''' (Master Out, Slave IN) und
'''SCK''' (SPI Clock)
festgelegt, mit Ausnahme von '''RCK'''. Das kann irgendein Port sein (ausser '''MISO''', das bei aktiviertem SPI immer Input ist). Im Beispiel ist '''RCK''' an '''SS''' (SPI Slave Select) angeschlossen.
{{FarbigerRahmen |
Falls '''SS''' nicht in dieser Weise verwendet wird, muss auf jeden Fall dafür gesorgt werden, daß '''SS''' ''entweder'' auf OUT steht, oder ''nie'' auf LOW geht, da sonst SPI in den Slave-Modus schaltet!
}}

=Signalfolge=
[[Bild:Signalfolge-Portexpander.png|center]]
Nachdem das auszugebende Bit an SER/MOSI ausgegeben wurde, wird es mit einem low-Strobe an SCK ins Schieberegister übernommen und alle Bits wandern um eine Position weiter. Nachdem so alle Bits ausgegeben wurden und an ihrer Position sind, werden die Bits durch ein Strobe an RCK an die Ausgänge gelegt und bleiben dort, bis sie wieder überschrieben werden.

=C-Code=
Der folgende C-Code ist Pseudocode, was Setzen der Ports angeht. Die entsprechenden Befehle sind durch die richtigen C-Befehle für diese Ports zu ersetzen.
;MAKE_OUT (X): Schaltet X als Ausgang (DDR-Register)
;SET (X): Setzt Ausgang X auf HIGH (PORT-Register)
;CLR (X): Setzt Ausgang X auf LOW (PORT-Register)

<center>
{| {{Blauetabelle}}
|+ '''Tabelle: Resourcen-Verbrauch mit''' ''N'' '''ICs'''
|- {{Hintergrund1}}
!| Resource || ohne SPI || mit SPI
|-
| Interrupts || colspan="2" align="center"| keine
|-
| Flash (Bytes mit <tt>-Os</tt>) || 52 || 44
|-
| SRAM (statisch) || colspan="2" align="center"| ''N''
|-
| SRAM (Stack) || colspan="2" align="center"| 2
|-
| Laufzeit <tt>serpa_out()</tt> || 19 + 101*''N'' || 16 + 27*''N''
|-
| SCK-Frequenz || ~''f''cpu/9 || ''f''cpu/2
|}
</center>

==Makros, Datenstrukturen, Funktionen==
;<tt>#define SERPA_SIZE</tt>: Define für Anzahl der auszugebenden Bytes
;<tt>extern unsigned char serpa[SERPA_SIZE]</tt>: Das Array, dessen Bytes ausgegeben werden. <tt>serpa[0]</tt> landet in dem Portexpander-IC, das direkt am Controller sitzt. Bit0 erscheint jeweils an Ausgang QA, Bit7 erscheint am Ausgang QH, etc.
;<tt>void serpa_init(void)</tt>: Initialisiert die Schnittstelle bzw. die verwendeten Ports
;<tt>void serpa_out(void)</tt>: Gibt die <tt>SERPA_SIZE</tt> Bytes aus dem Array <tt>serpa</tt> aus.

'''serpa.h'''

{{comment|SERiell nach PArallel (serpa) im SPI-Protokoll}}
#ifndef SERPA_H
#define SERPA_H

{{comment|4 Bytes (32 Ports)}}
#define SERPA_SIZE 4

extern unsigned char serpa[];
extern void serpa_out (void);
extern void serpa_init (void);

#endif {{comment|SERPA_H}}

== Mit SPI-Hardware ==

Das Senden erfolgt, ohne den SPI-Interrupt zu nutzen. Allein der ISR-Prolog/Epilog dauert schon so lange, wie ein Schleifendurchlauf.

'''serpa.c'''

{{lcomment|SERiell nach PArallel (serpa) mit Hardware-Unterstuetzung}}
#include <avr/io.h>
#include "serpa.h"

{{lcomment|Array fuer die Daten}}
unsigned char serpa[SERPA_SIZE];

void serpa_init (void)
{
MAKE_OUT (PORT_MOSI);
MAKE_OUT (PORT_SCK);
MAKE_OUT (PORT_RCK); SET (PORT_RCK);

{{lcomment|!!! SS muss OUT sein, damit SPI nicht in Slave-Mode wechselt !!!}}
{{lcomment|entfaellt, falls PORT_RCK = PORT_SS}}
MAKE_OUT (PORT_SS);

{{lcomment|SPI als Master}}
{{lcomment|High-Bits zuerst}}
{{lcomment|SCK ist HIGH wenn inaktiv}}
SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR) | (1 << CPOL);

{{lcomment|pullup an MISO vermeidet Floaten}}
SET (PORT_MISO);

{{lcomment|maximale Geschwindigkeit: F_CPU / 2}}
SPSR |= (1 << SPI2X);
}

void serpa_out (void)
{
unsigned char anz = SERPA_SIZE;
unsigned char* serp = serpa+SERPA_SIZE;

do
{
unsigned char data = *--serp;

{{lcomment|SPDR schreiben startet Uebertragung}}
SPDR = data;

{{lcomment|warten auf Ende der Uebertragung für dieses Byte}}
while (!(SPSR & (1 << SPIF)));

{{lcomment|clear SPIF durch Lesen von SPDR}}
(void) SPDR;
}
while (--anz > 0);

{{lcomment|Strobe an RCK bringt die Daten von den Schieberegistern in die Latches}}
CLR (PORT_RCK);
SET (PORT_RCK);
}

== Ohne SPI-Hardware ==

Dieser Code funktioniert auch für jeden anderen µC-Typ, der mindestend 3 digitale I/O-Ausgangsports hat, und mit einem Compiler für Standard-C übersetzt wird. Die Pseudocodes <tt>MAKE_OUT</tt>, <tt>SET</tt> und <tt>CLR</tt> sind auch hier an die jeweilige Schaltung/Architektur/Compiler/Controller anzupassen.

'''serpa.c'''
{{comment|SERiell nach PArallel (serpa) via Software}}
#include "serpa.h"

{{comment|Array fuer die Daten}}
unsigned char serpa[SERPA_SIZE];

void serpa_init (void)
{
{{comment|Verwendete Ports auf OUT}}
MAKE_OUT (PORT_SER);
MAKE_OUT (PORT_SCK);
MAKE_OUT (PORT_RCK);

{{comment|SCR und RCK auf definierten Level HIGH}}
SET (PORT_SCK);
SET (PORT_RCK);
}

void serpa_out (void)
{
unsigned char anz = SERPA_SIZE;
unsigned char* serp = serpa+SERPA_SIZE;

do
{
unsigned char bits;
unsigned char data = *--serp;

{{comment|8 Bits pro Byte rausschieben}}
for (bits = 8; bits > 0; bits--)
{
CLR (PORT_SER);
if (data & 0x80)
{
SET (PORT_SER);
}

data <<= 1;
{{comment|Strobe an SCK schiebt Daten im Gaensemarsch}}
{{comment|um 1 Position weiter durch alle Schieberegister}}
CLR (PORT_SCK);
SET (PORT_SCK);
}
}
while (--anz > 0);

{{comment|Strobe an RCK bringt die Daten von den Schieberegistern in die Latches}}
CLR (PORT_RCK);
SET (PORT_RCK);
}

= BASCOM-Code=

== Mit SPI-Hardware ==

'''serpa.bas'''
<pre>
' SERiell nach PArallel (serpa) mit Hardware-Unterstuetzung
' Beispiel mit 2 Datenbytes

' SPI Bus (Hardware) als Master konfiguiren
Config SPI = Hard , Master = Yes

' SPI Bus initialisieren
' setzt das DDR Register entsprechend
Spiinit

' Bytes für die Daten
Dim Serpa(2) As Byte
Serpa(1) = &B10101010
Serpa(2) = &B00000000

' Die Bytes auf den SPI Bus schieben
Spiout Serpa(1) , 2
</pre>

=Expander=

Von den meisten Expandern gibt es auch Unterversionen, wie 74HC (Highspeed CMOS), 74HCT (Highspeed CMOS, TTL-Compatible), etc. Hier tut's z.B. 74HC. Pro Expander fallen Kosten von ca 30-40 Cent an ([[Bezugsquellen#Elektronikbauteile|Reichelt]]). Ungelatchte Register wie 74*164 sind übrigens nicht zu empfehlen, weil bei deren Verwendung wäherend des Schiebens die Ausgänge flattern.

Die Verwendete SPI-Frequenz ist unkritisch und kann natürlich auch langsamer eingestellt werden. Taktfrequenzen von 50MHz sind für die ICs normalerweise kein Problem. Die steilen Flanken können aber ein Problem bei längeren Kabeln werden.

;8-Bit Schieberegister mit Ausgangs-Latch:
:;74*594: Shift Clear, Latch Clear, Tri-State
:;74*595: Shift Clear, Tri-State
:;74*596: Shift Clear, [[Open Collector]]/high-Z
:;CD4094, 74*4094: Tri-State

;8-Bit Schieberegister mit Eingangs-Latch:
:;74*589: Tri-State
:;74*597: Shift Clear

=Siehe auch=
* [[avr-gcc]]
* [[Bezugsquellen]]
* [[I2C|I²C-Bus]]
* [[SPI|SPI-Bus]]
* [[RN-Definitionen]] - Empfohlener einheitlicher Stecker für SPI-Bus

=Weblinks=
* [http://www.gjlay.de/pub/ebook/index.html Dokumentiertes Projekt, das drei 74*595 als Portexpander verwendet]
* [http://conductiveresistance.com/interactive-595-shift-register-simulator/ "Interactive 595 Shift Register Simulator" - zum Online-Ausprobieren]

[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Kommunikation]]
[[Kategorie:Praxis]]
[[Kategorie:Software]]
[[Kategorie:Quellcode C]]
[[Kategorie:Projekte]]

Benutzer:Thomas E.

2012-10-05T22:29:33Z

Thomas E.: Erstversion

Artikel:
Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige

Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige

2012-09-20T15:35:21Z

Thomas E.: Einfache Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige wurde nach Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige verschoben

[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Praxis]]
Diese Schaltung ist eine sehr einfache und günstige Möglichkeit, das Erreichen der Entladeschlussspannung einer Batterie oder eines Akkus anzuzeigen. Sie kommt ganz ohne digitale Bausteine aus und lässt sich aus nur 8 Bauteilen aufbauen - wenn man das Potentiometer für die Einstellung des Schwellenwertes gegen einen Festwiderstand tauscht lässt sich die Schaltung auch nur mit 7 Bauteilen aufbauen.

Vorweg: Die Schaltung ist keinesfalls genau, erfüllt aber ihren Zweck: Einfach, billig und sehr zuverlässig. Sie wurde in einer Diskussion im Roboternetz-Forum entworfen [http://www.roboternetz.de/community/threads/58961-Wie-macht-man-eine-Battery-low-LED?highlight=Low-Batt].

==Schaltung==
[[Bild:Batterylowanzeige v0 2.png]]

==Funktionweise==
Um die Funktionsweise zu veranschaulichen, wurde eine Simulation im Java-Script-Format angelegt. Die Bedienung erfolgt sehr einfach: Mit den beiden Schiebereglern rechts lassen sich Batteriespannung und Schwellwert der Schaltung einfach einstellen.

Link zur Simulation: [http://www.falstad.com/circuit/#%24+1+5.0E-6+10.20027730826997+50+5.0+50%0A172+337+180+289+180+0+6+4.59+9.0+0.0+0.0+0.5+Battery%0At+385+340+449+340+0+1+0.4542976635264447+0.5023521360192128+620.0%0Ar+449+180+449+260+0+100000.0%0Ar+513+180+513+260+0+220.0%0At+449+324+513+324+0+1+-4.265550100815247+0.04805447249276811+620.0%0A162+513+260+513+308+1+2.1024259+1.0+0.0+0.0%0Aw+449+324+449+260+0%0Aw+449+356+449+420+0%0Aw+513+340+513+420+0%0Aw+513+420+449+420+0%0Aw+449+420+385+420+0%0Aw+385+180+337+180+0%0Aw+449+180+385+180+0%0Aw+513+180+449+180+0%0Aw+385+420+337+420+0%0Ag+337+420+337+436+0%0Ar+337+180+337+260+0+100000.0%0A174+337+260+337+356+0+10000.0+0.09410000000000002+Resistance%0Aw+385+340+385+308+0%0Aw+385+308+353+308+0%0Ar+337+356+337+420+0+4700.0%0Ax+324+98+530+104+0+24+%22Batt-Low-Anzeige%22%0Ax+332+121+365+125+0+16+V0.2%0A]

(''Hinweis: Java muss im Browser eingeschaltet sein. Es wurde die freie Software von http://www.falstad.com/circuit/ verwendet.''

Die Ruhestromaufnahme beträgt:
{| border=1
|'''Batt-Spg.'''
|'''Strom'''
|-
|9V
|ca. 170µA
|-
|7,4V
|ca. 138µA
|-
|5V
|ca. 95µA
|}

Natürlich kann man auch die LED weglassen und das Signal vom Transistor direkt zur Auswertung über einen Controller verwenden. Da aber die meisten Mikrocontroller sowieso einen A/D-Wandler mitbringen, sollte diese Lösung eher die Ausnahme sein.

==Dimensionierung==
Die Transistoren werden in der Simulation mit einem Stromverstärkungsfaktor von 620 simuliert. Damit sollten die meisten handelsüblichen Kleinsignal-Transistoren abgedeckt sein (zum Beispiel BC548C o. ä.).

Das Potentiometer zusammen mit den beiden Widerständen muss so gewählt werden, dass der Einstellungsbereich den eigenen Bedürfnissen gerecht wird. In der Simulation wurde ein lineares 10k-Potentiometer gewählt. Je nach verwendeter LED muss auch der Vorwiderstand derselben eventuell angepasst werden.

Einfache Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige

2012-09-20T15:35:21Z

Thomas E.: Einfache Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige wurde nach Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige verschoben: Titel geändert, damit der Artikel in der Kategorie unter "B" aufgelistet wird statt unter "E".

#redirect [[Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige]]

Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige

2012-09-20T15:32:49Z

Thomas E.: Fehlerbehebung der Kategorie-Zuweisung

Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige

2012-09-20T15:31:03Z

Thomas E.: Artikel zu den Kategorien "Elektronik" und "Praxis" hinzugefügt

[[Kategorie:Elektronik|Praxis]]

Diese Schaltung ist eine sehr einfache und günstige Möglichkeit, das Erreichen der Entladeschlussspannung einer Batterie oder eines Akkus anzuzeigen. Sie kommt ganz ohne digitale Bausteine aus und lässt sich aus nur 8 Bauteilen aufbauen - wenn man das Potentiometer für die Einstellung des Schwellenwertes gegen einen Festwiderstand tauscht lässt sich die Schaltung auch nur mit 7 Bauteilen aufbauen.

Vorweg: Die Schaltung ist keinesfalls genau, erfüllt aber ihren Zweck: Einfach, billig und sehr zuverlässig. Sie wurde in einer Diskussion im Roboternetz-Forum entworfen [http://www.roboternetz.de/community/threads/58961-Wie-macht-man-eine-Battery-low-LED?highlight=Low-Batt].

==Schaltung==
[[Bild:Batterylowanzeige v0 2.png]]

==Funktionweise==
Um die Funktionsweise zu veranschaulichen, wurde eine Simulation im Java-Script-Format angelegt. Die Bedienung erfolgt sehr einfach: Mit den beiden Schiebereglern rechts lassen sich Batteriespannung und Schwellwert der Schaltung einfach einstellen.

Link zur Simulation: [http://www.falstad.com/circuit/#%24+1+5.0E-6+10.20027730826997+50+5.0+50%0A172+337+180+289+180+0+6+4.59+9.0+0.0+0.0+0.5+Battery%0At+385+340+449+340+0+1+0.4542976635264447+0.5023521360192128+620.0%0Ar+449+180+449+260+0+100000.0%0Ar+513+180+513+260+0+220.0%0At+449+324+513+324+0+1+-4.265550100815247+0.04805447249276811+620.0%0A162+513+260+513+308+1+2.1024259+1.0+0.0+0.0%0Aw+449+324+449+260+0%0Aw+449+356+449+420+0%0Aw+513+340+513+420+0%0Aw+513+420+449+420+0%0Aw+449+420+385+420+0%0Aw+385+180+337+180+0%0Aw+449+180+385+180+0%0Aw+513+180+449+180+0%0Aw+385+420+337+420+0%0Ag+337+420+337+436+0%0Ar+337+180+337+260+0+100000.0%0A174+337+260+337+356+0+10000.0+0.09410000000000002+Resistance%0Aw+385+340+385+308+0%0Aw+385+308+353+308+0%0Ar+337+356+337+420+0+4700.0%0Ax+324+98+530+104+0+24+%22Batt-Low-Anzeige%22%0Ax+332+121+365+125+0+16+V0.2%0A]

(''Hinweis: Java muss im Browser eingeschaltet sein. Es wurde die freie Software von http://www.falstad.com/circuit/ verwendet.''

Die Ruhestromaufnahme beträgt:
{| border=1
|'''Batt-Spg.'''
|'''Strom'''
|-
|9V
|ca. 170µA
|-
|7,4V
|ca. 138µA
|-
|5V
|ca. 95µA
|}

Natürlich kann man auch die LED weglassen und das Signal vom Transistor direkt zur Auswertung über einen Controller verwenden. Da aber die meisten Mikrocontroller sowieso einen A/D-Wandler mitbringen, sollte diese Lösung eher die Ausnahme sein.

==Dimensionierung==
Die Transistoren werden in der Simulation mit einem Stromverstärkungsfaktor von 620 simuliert. Damit sollten die meisten handelsüblichen Kleinsignal-Transistoren abgedeckt sein (zum Beispiel BC548C o. ä.).

Das Potentiometer zusammen mit den beiden Widerständen muss so gewählt werden, dass der Einstellungsbereich den eigenen Bedürfnissen gerecht wird. In der Simulation wurde ein lineares 10k-Potentiometer gewählt. Je nach verwendeter LED muss auch der Vorwiderstand derselben eventuell angepasst werden.

Diskussion:Bascom und LCD's

2012-09-18T17:27:04Z

Thomas E.:

Irgendwie fehlt mir die Ansteuerung über I2C. Das ist doch glaub ich auch möglich. Kann das eventuell mal jemand ergänzen - ich kenne mich damit nicht aus.

----

Über i2c lassen sich nur wenige ganz spezielle LCD´s steuern. Das dürfte je nach Display auch etwas anders aussehen. Alternativ gibt es auch ne Schaltung die aus einem herkömlichen Display ein [[I2C]] LCD macht, siehe z.B. [[RN-KeyLCD]]

--[[Benutzer:Frank|Frank]] 10:04, 12. Jul 2006 (CEST)

== Bild über "Stromversorgung" ==

Die Grafik auf der gezeigt wird, wie die Kontrastspannung richtig an das LCD angeschlossen wird, ist von www.sprut.de. Siehe dazu: http://www.sprut.de/electronic/lcd/index.htm
Mir fehlt ein Quellennachweis im Artikel; um sich keinen Ärger einzuhandeln würde ich das unbedingt noch ergänzen (und zusätzlich den Ersteller der Grafik um Erlaubnis fragen).
--[[Benutzer:Thomas E.|Thomas E.]] 19:25, 18. Sep 2012 (CEST)

Diskussion:Bascom und LCD's

2012-09-18T17:25:11Z

Thomas E.: Bild über den Anschluss der Konstrastspannung

Irgendwie fehlt mir die Ansteuerung über I2C. Das ist doch glaub ich auch möglich. Kann das eventuell mal jemand ergänzen - ich kenne mich damit nicht aus.

----

Über i2c lassen sich nur wenige ganz spezielle LCD´s steuern. Das dürfte je nach Display auch etwas anders aussehen. Alternativ gibt es auch ne Schaltung die aus einem herkömlichen Display ein [[I2C]] LCD macht, siehe z.B. [[RN-KeyLCD]]

--[[Benutzer:Frank|Frank]] 10:04, 12. Jul 2006 (CEST)

== Bild über den Anschluss der Konstrastspannung ==

Die Grafik auf der gezeigt wird, wie die Kontrastspannung richtig an das LCD angeschlossen wird, ist von www.sprut.de. Siehe dazu: http://www.sprut.de/electronic/lcd/index.htm
Mir fehlt ein Quellennachweis im Artikel; um sich keinen Ärger einzuhandeln würde ich das unbedingt noch ergänzen (und zusätzlich den Ersteller der Grafik um Erlaubnis fragen).
--[[Benutzer:Thomas E.|Thomas E.]] 19:25, 18. Sep 2012 (CEST)

Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige

2012-09-13T07:42:41Z

Thomas E.: Dimensionierung hinzugefügt

Diese Schaltung ist eine sehr einfache und günstige Möglichkeit, das Erreichen der Entladeschlussspannung einer Batterie oder eines Akkus anzuzeigen. Sie kommt ganz ohne digitale Bausteine aus und lässt sich aus nur 8 Bauteilen aufbauen - wenn man das Potentiometer für die Einstellung des Schwellenwertes gegen einen Festwiderstand tauscht lässt sich die Schaltung auch nur mit 7 Bauteilen aufbauen.

Vorweg: Die Schaltung ist keinesfalls genau, erfüllt aber ihren Zweck: Einfach, billig und sehr zuverlässig. Sie wurde in einer Diskussion im Roboternetz-Forum entworfen [http://www.roboternetz.de/community/threads/58961-Wie-macht-man-eine-Battery-low-LED?highlight=Low-Batt].

==Schaltung==
[[Bild:Batterylowanzeige v0 2.png]]

==Funktionweise==
Um die Funktionsweise zu veranschaulichen, wurde eine Simulation im Java-Script-Format angelegt. Die Bedienung erfolgt sehr einfach: Mit den beiden Schiebereglern rechts lassen sich Batteriespannung und Schwellwert der Schaltung einfach einstellen.

Link zur Simulation: [http://www.falstad.com/circuit/#%24+1+5.0E-6+10.20027730826997+50+5.0+50%0A172+337+180+289+180+0+6+4.59+9.0+0.0+0.0+0.5+Battery%0At+385+340+449+340+0+1+0.4542976635264447+0.5023521360192128+620.0%0Ar+449+180+449+260+0+100000.0%0Ar+513+180+513+260+0+220.0%0At+449+324+513+324+0+1+-4.265550100815247+0.04805447249276811+620.0%0A162+513+260+513+308+1+2.1024259+1.0+0.0+0.0%0Aw+449+324+449+260+0%0Aw+449+356+449+420+0%0Aw+513+340+513+420+0%0Aw+513+420+449+420+0%0Aw+449+420+385+420+0%0Aw+385+180+337+180+0%0Aw+449+180+385+180+0%0Aw+513+180+449+180+0%0Aw+385+420+337+420+0%0Ag+337+420+337+436+0%0Ar+337+180+337+260+0+100000.0%0A174+337+260+337+356+0+10000.0+0.09410000000000002+Resistance%0Aw+385+340+385+308+0%0Aw+385+308+353+308+0%0Ar+337+356+337+420+0+4700.0%0Ax+324+98+530+104+0+24+%22Batt-Low-Anzeige%22%0Ax+332+121+365+125+0+16+V0.2%0A]

(''Hinweis: Java muss im Browser eingeschaltet sein. Es wurde die freie Software von http://www.falstad.com/circuit/ verwendet.''

Die Ruhestromaufnahme beträgt:
{| border=1
|'''Batt-Spg.'''
|'''Strom'''
|-
|9V
|ca. 170µA
|-
|7,4V
|ca. 138µA
|-
|5V
|ca. 95µA
|}

Natürlich kann man auch die LED weglassen und das Signal vom Transistor direkt zur Auswertung über einen Controller verwenden. Da aber die meisten Mikrocontroller sowieso einen A/D-Wandler mitbringen, sollte diese Lösung eher die Ausnahme sein.

==Dimensionierung==
Die Transistoren werden in der Simulation mit einem Stromverstärkungsfaktor von 620 simuliert. Damit sollten die meisten handelsüblichen Kleinsignal-Transistoren abgedeckt sein (zum Beispiel BC548C o. ä.).

Das Potentiometer zusammen mit den beiden Widerständen muss so gewählt werden, dass der Einstellungsbereich den eigenen Bedürfnissen gerecht wird. In der Simulation wurde ein lineares 10k-Potentiometer gewählt. Je nach verwendeter LED muss auch der Vorwiderstand derselben eventuell angepasst werden.

Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige

2012-09-11T21:46:21Z

Thomas E.: Erstversion

Datei:Batterylowanzeige v0 2.png

2012-09-11T21:07:34Z

Thomas E.:

Akku-Grundlagen

2012-09-11T20:54:31Z

Thomas E.: Optische Anpassung

In diesem Artikel wird versucht, einen Einstieg in die etwas
unübersichtliche Welt der Akkus zu geben. Bei der Leserin und dem
Leser werden dabei Grundbegriffe der Elektrotechnik vorausgesetzt.

==Was ist eigentlich ein Akku?==

Ein Akku (kurz für "Akkumulator") ist ein wiederaufladbarer
elektrischer Energiespeicher. Beim Laden wird die elektrische Energie
in chemische Energie umgewandelt, beim Entladen wird aus der Chemie
wieder Elektrik. Einmal laden und wieder entladen ist ein "Zyklus",
und Akkus halten je nach Art und Behandlung 100 bis ca. 1000 Zyklen.

Eine Batterie ("Primärzelle") hingegen wandelt zwar beim Entladen auch
chemische in elektrische Energie um, läßt sich aber nicht wieder
aufladen, muß also nach Entnahme der Energie weggeworfen (bzw zu einer
entsprechenden Sammelstelle gebracht) werden.

Akkus verwendet man einerseits, weil sie auf Dauer kostengünstiger
sind als Batterien, andererseits, weil sie höhere Ströme abgeben
können als Batterien (Nickel- und Lithium-Akkus) oder weil sie bei
gleicher Energiemenge kleiner und leichter sind als Batterien
(Lithium-Akkus).

==Grundbegriffe==

===Zelle/Pack===

Eine Zelle ist die kleinste Einheit eines Akkus. Da die Spannung einer einzelnen Zelle bei den meisten Akkutypen nicht für den praktischen Einsatz reicht
(z.B. 1,2V bei Ni*-Akkus), werden mehrere Zellen zu einem "Pack" in
Reihe geschaltet. Die Gesamtspannung ergibt sich dann aus der Anzahl
der Zellen mal der Zellenspannung: ein Pack aus 6 NiMH-Zellen hat eine
Nennspannung von 7,2V.

===Kapazität===

Die Kapazität eines Akkus wird in Ah (Ampere-Stunden) oder mAh
(Milliampere-Stunden) angegeben. Sie besagt, wie lange der Akku den
entsprechenden Strom liefern kann: Ein Akku mit 2Ah (=2000mAh) kann
also ein Gerät, das 200mA Strom aufnimmt, 10 Stunden lang betreiben.

Dabei ist zu beachten, daß bei höheren Strömen i.A. weniger Kapazität
entnommen werden kann als bei niedrigeren Strömen (besonders
ausgeprägt ist dies bei Bleiakkus), und daß die Hersteller die
Kapazität für verschiedene Entladedauern bzw. Stromstärken angeben.
Ein Akku, der mit 2Ah bei einem Strom von 1A angegeben ist, sollte
also diesen Strom wirklich 2 Stunden lang liefern können, während dies
bei einem Akku, der mit 2Ah bei 100mA angegeben ist, nicht so sein
muß.

==="C"===

"C" ist derjenige Strom, der der Kapazität dividiert durch eine Stunde
entspricht; diese Angabe wird oft für Lade- und Entladeströme
verwendet.

Wenn für einen 2000mAh-Akku angegeben ist, er könne mit 5C
entladen und mit 2C geladen werden, ist C = 2000mAh/1h = 2A, er kann
also mit (bis zu) 10A entladen und mit (bis zu) 4A geladen werden.

===Spannungen===

Die "Nennspannung" eines Akkus ist eine nominelle Angabe, in
Wirklichkeit liegt die Spannung eines vollgeladenen Akkus deutlich
darüber, gegen Ende der Entladung deutlich darunter.

Die Entladeschlußspannung ist diejenige Spannung, unter die man den
Akku nicht entladen sollte; einerseits würde durch ein weiteres
Entladen kaum mehr Kapazität gewonnen, andererseits können Blei- und
Lithiumakkus bei Unterschreiten der angegebenen Entladeschlußspannung
Schaden nehmen.

Eine sehr einfache und billige Möglichkeit, eine Unterschreitung der Entladeschlussspannung auszuwerten findet sich unter [[Einfache Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige]].

Die Ladeschlußspannung wiederum ist diejenige Spannung, die man beim
Laden des Akkus nicht überschreiten sollte; sie ist nicht bei allen
Akkutypen relevant.

===Innenwiderstand===

Der Innenwiderstand ist der (theoretische) elektrische Widerstand im
Inneren eines Akkus. Bei einem Akku mit hohem Innenwiderstand sinkt
bei hoher Stromentnahme die Spannung stärker als bei einem Akku mit
niedrigerem Innenwiderstand. Wenn man z.B. an einem Akku mit 40mOhm
Innenwiderstand einen uC mit einer LED betreibt, die zusammen 40mA
brauchen, wird die Spannung um 1,6mV sinken.
Bei Betrieb eines Motors mit 10A Stromaufnahme hingegen sinkt die
Klemmenspannung am Akku schon um 0,4V.

==Arten von Akkus==

Für die Robotik sind folgende Arten von Akkus relevant:

===NiCd (Nickel-Cadmium)===

NiCd-Akkus sind die "älteste" Energiequelle der Modellbauszene und
dort auch immer noch im Einsatz, da sie sehr hohe Ströme (zig Ampere)
liefern können. Wo diese hohen Ströme nicht notwendig sind, sind sie
wegen geringerer Kapazität und wegen des verwendeten Schwermetalls
Cadmium von NiMH abgelöst worden.

NiCd-Zellen kommen in den üblichen Batterie-Baugrößen (AA, AAA, C,
D...) vor, im Modellbaubereich aber auch in diversen anderen
zylindrischen Bauformen, aus denen sich Packs in verschiedenen Formen
zusammenstellen lassen.

Die Nennspannung bei NiCd-Akkus beträgt 1,2V, die
Entladeschlußspannung üblicherweise 0,9V-1,0V. Als Ladeverfahren kommt
zeitgesteuertes Laden, temperaturgesteuertes Laden oder das
-dU-Verfahren zum Einsatz.

===NiMH (Nickel-Metallhydrid)===

NiMH-Akkus sind die Nachfolger der NiCd-Akkus und haben diese, wenn es
nicht um extreme Hochstromanwendungen geht, ersetzt. Sie haben bei
gleicher Baugröße etwa die doppelte Kapazität und kommen ohne das
schädliche Cadmium aus. Auch NiMH-Akkus liefern recht hohe Ströme und
weisen einen deutlich geringeren Innenwiderstand als gleichgroße
Batterien auf.

NiMH-Akkus kommen in denselben Bauformen wie NiCd-Akkus vor, auch
Nenn- und Entladeschlußspannung sind identisch. Allerdings sind die NiMH Akkus empfindlicher als NiCd gegen Überladen. Die Ladeverfahren sind wie bei NiCd, aber die Abschaltung sollte etwas früher erfolgen und muss in der Regel empfindlicher sein. Ein Ladegerät für NiMH Akkus kann in aller Regel ohne Probleme auch für NiCd Akkus genutzt werden, andersherum besteht aber die Gefahr einer reduzierten Lebensdauer.

===Blei-Akkus===

Blei-Akkus basieren auf Blei und Schwefelsäure, sind recht schwer,
dafür aber preisgünstig, einfach zu laden und (je nach Ausführung) sehr
hochstromfähig, bis zu vielen hundert Ampere in Starterbatterien für
Autos.

Es existieren verschiedene Arten von Bleiakkus, im wesentlichen
reduziert sich das in der Praxis aber auf solche mit flüssigem
Elektrolyten (wie die klassische Autobatterie), die man
naheliegenderweise nur stehend betreiben sollte, und solche mit
Gel-Elektrolyten ("Blei-Gel", "AGM", ...), die lageunabhängig zu
betreiben sind. Bei den Akkus mit flüssigem Elektrolyten gibt es noch
die Unterscheidung in "Wartungsfrei" und "nicht Wartungsfrei", bei den
nicht-wartungsfreien kann man (destilliertes/entmineralisiertes)
Wasser nachfüllen, wenn sich der Flüssigkeitsstand wegen Überladung
reduziert hat.

Bleiakkus werden im wesentlichen in Quaderform gebaut und kommen
(jedenfalls im für uns relevanten Bereich) nicht als Einzelzellen vor,
sondern nur als Pack; allerdings heißt das "Pack" bei Bleiakkus
"Batterie".

Die Nennspannung pro Zelle beträgt 2V, die Entladeschlußspannung um
die 1,8V und die Ladeschlußspannung je nach Bauart bis 2,4V. Als
Ladeverfahren wird spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet
("CCCV").

Kapazitäten bei Blei-Akkus werden oft auf Basis einer zwanzigstündigen
Entladedauer angegeben, bei einer Entladung mit höheren Strömen steht
dann deutlich weniger Kapazität zur Verfügung ("Peukert-Effekt").

===LiIon (Lithium-Ionen) und LiPo (Lithium-Polymer)===

Lithium-basierte Akkus sind in den letzten Jahren marktreif geworden
und aus der Welt der Handys und Notebooks nicht mehr wegzudenken. Sie
bieten, sowohl nach Gewicht als auch nach Volumen, die höchste
Energiedichte aller Akkutypen, sind hochstromfähig und daher
besonders bei Modellfliegern sehr beliebt.

Lithium-Akkus werden in allen möglichen Bauformen angeboten, von
zylindrischen Zellen (allerdings nicht in den üblichen Batteriegrößen)
bis zu flachen, tütenförmigen Formen. Im Modellbauhandel erhält man
sowohl Einzelzellen wie fertige Packs.

Lithium-Akkus (ausgenommen die neuen LiFePo-Akkus) sind recht
empfindlich, was Über- und Unterschreiten der Spannungsgrenzen,
Überschreiten der spezifizierten Lade- und Entladeströme und
mechanische Beschädigung angeht; sie können brennen und sogar
explodieren. Da gerade die Ladeschlußspannungen auf wenige Millivolt
exakt eingehalten werden müssen, ist beim Laden von Packs ein sog.
"Balancer" sehr empfehlenswert, der die Spannungen der einzelnen
Zellen im Pack überwacht.

Die Nennspannung von Lithium-Akkus liegt je nach Untertyp bei
3,6V-3,7V, die Ladeschlußspannung bei 4,1V-4,2V und die
Entladeschlußspannung bei um die 3V. Als Ladeverfahren wird
spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet.

==Ladeverfahren==

===Zeitgesteuertes Laden===

Das zeitgesteuerte Laden ist die primitivste Art, einen Akku zu laden,
es kommt vor allem bei billigen "Ladegeräten" für Ni*-Akkus zum
Einsatz.

Bei diesem Verfahren wird die Kapazität des Akkus durch den Ladestrom
dividiert, ein Faktor für die Ladeverluste dazumultipliziert, und
daraus ergibt sich die Zeit, in der der Akku voll sein sollte und das
Ladegerät abschaltet oder (Geiz ist geil!) der Benutzer es abstecken
sollte.

Am weitesten verbreitet ist dabei das "C/10"-Laden: ein Akku mit
2000mAh würde also mit 200mA geladen, und zwar für 14 Stunden (der
o.g. Faktor wird im Allgemeinen mit 1,4 angesetzt). C/10 wird deshalb
verwendet, weil NiCd-Akkus ein Überladen mit diesem Strom meistens
endlos überstehen; bei NiMh-Akkus ist das nicht unbedingt der Fall.

Das Problem bei diesem Ladeverfahren ist, daß es davon ausgeht, daß
der Akku erstens bei Ladebeginn leer ist und zweitens eine bekannte
Kapazität hat, was bei älteren Akkus nicht der Fall ist. Das Risiko, den Akku zu überladen und dadurch zu schädigen, ist also hoch.

===Temperaturgesteuertes Laden===

Das temperaturgesteuerte Laden wird für Ni*-Akkus verwendet und
basiert auf dem Umstand, daß am Ende des Ladevorganges die in den Akku
eingespeiste Energie nicht mehr chemisch umgewandelt, sondern zu Hitze
wird; die Temperaturerhöhung wird gemessen und bei Überschreiten eines
Schwellwertes wird der Ladevorgang beendet.

Dieses Ladeverfahren funktioniert bei mittleren bis hohen Ladeströmen
prinzipiell zuverlässig und kann auch mit wechselnden Ladezuständen
und Kapazitäten umgehen, es muß allerdings gewährleistet sein, daß der
Temperaturfühler guten Kontakt zu den Zellen hat und die Temperatur
nicht z.B. durch Luftzug verfälscht wird. Am besten funktioniert das
Verfahren mit Akkupacks, in denen ein Fühler eingebaut ist, etwa in
den Packs mancher Akkuschrauber.

===-dU===

Das "-dU"-Verfahren wird für Ni*-Akkus verwendet und macht sich den
Umstand zunutze, daß die Spannung eines Akkus gegen Ende des Ladens
erst ansteigt, um dann wieder zurückzugehen; dieses Zurückgehen ist
das "negative Delta U", nach dem das Verfahren benannt ist und das
erkannt werden muß.

Dieses Verfahren funktioniert bei unterschiedlichen Ladezuständen und
Kapazitäten und ist ''State of the Art'' bei hochwertigen Ladegeräten.

Problematisch bei -dU ist der Umstand, daß die Spannungsspitze bei
NiMH-Akkus recht gering ausfällt, insbesondere bei niedrigen
Ladeströmen (<C/2); das Laden von NiMH-Akkus in älteren Ladegeräten,
die für NiCd ausgelegt sind, wird daher nicht immer zuverlässig
beendet. Auch das Laden von Akkupacks ist um so problematischer, je
mehr Zellen diese beinhalten und je unterschiedlicher die Kapazitäten
dieser Zellen sind: wenn die Zellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten
vollgeladen sind, "verschleift" sich die Spannungsspitze u.U. so, daß
sie nicht mehr erkannt wird.

===CCCV/Spannungsbegrenztes Konstantstromladen===

Für Lithium- und Bleiakkus kommt dieses Verfahren zum Einsatz. Es
hat zwei Parameter: den max. Ladestrom und die Ladeschlußspannung.

Zu Beginn des Ladevorganges liegt die Akkuspannung unterhalb der
Ladeschlußspannung, es wird mit dem maximalen Ladestrom geladen. Bei
Erreichen der Ladeschlußspannung wird der Strom sukzessive reduziert,
um den Akku genau auf der Ladeschlußspannung zu halten, fällt der
Strom dann unter einen Mindestwert, ist der Ladevorgang beendet.

Wesentlich bei diesem Ladeverfahren ist die korrekte
Ladeschlußspannung: bei Lithium-Akkus ist sie von der konkreten Bauart
abhängig und muß auf wenige mV genau eingehalten werden, bei Bleiakkus
ist sie von der Bauart und der Temperatur abhängig, dafür nicht so
exakt einzuhalten.
==Wirtschaftliche Betrachtung==
Die Auswahl eines Akkus wird oft nach technischen Anforderungen vorgenommen. Daneben darf auch die Wirtschaftliche Betrachtung nicht fehlen. Wenn aus technischer Sicht verschiedene Typen möglich sind, muß die Auswahl nach wirtschaftlichen Kriterien erfolgen. Dazu werden aus dem Datenblatt die entsprechenden Werte wie die möglichen Ladezyklen, auch bei Teilentladung, die tatsächliche Kapazität bei der Stromentnahme im konkreten Anwendungsfall und weiteres entnommen. Daraus und aus den Kosten für den Akku lassen sich die Kosten pro kWh errechnen. Bleiakkus erreichen hierbei Werte im Bereich von 0.5 bis 1€ pro kWh. NIMH Akkus liegen um 1€ und darüber. Die beliebten Lipos liegen meist über 5€ pro kWh. Anhand einer solchen Rechnung wird schnell klar, daß das Technisch beste nicht gleichzeitig das Wirtschaftlichste ist.

--[[Benutzer:Cmock|Cmock]] 03:27, 31. Aug 2009 (CEST)

[[Kategorie:Grundlagen]]

Akku-Grundlagen

2012-09-11T20:53:27Z

Thomas E.: Link funktioniert jetzt

In diesem Artikel wird versucht, einen Einstieg in die etwas
unübersichtliche Welt der Akkus zu geben. Bei der Leserin und dem
Leser werden dabei Grundbegriffe der Elektrotechnik vorausgesetzt.

==Was ist eigentlich ein Akku?==

Ein Akku (kurz für "Akkumulator") ist ein wiederaufladbarer
elektrischer Energiespeicher. Beim Laden wird die elektrische Energie
in chemische Energie umgewandelt, beim Entladen wird aus der Chemie
wieder Elektrik. Einmal laden und wieder entladen ist ein "Zyklus",
und Akkus halten je nach Art und Behandlung 100 bis ca. 1000 Zyklen.

Eine Batterie ("Primärzelle") hingegen wandelt zwar beim Entladen auch
chemische in elektrische Energie um, läßt sich aber nicht wieder
aufladen, muß also nach Entnahme der Energie weggeworfen (bzw zu einer
entsprechenden Sammelstelle gebracht) werden.

Akkus verwendet man einerseits, weil sie auf Dauer kostengünstiger
sind als Batterien, andererseits, weil sie höhere Ströme abgeben
können als Batterien (Nickel- und Lithium-Akkus) oder weil sie bei
gleicher Energiemenge kleiner und leichter sind als Batterien
(Lithium-Akkus).

==Grundbegriffe==

===Zelle/Pack===

Eine Zelle ist die kleinste Einheit eines Akkus. Da die Spannung einer einzelnen Zelle bei den meisten Akkutypen nicht für den praktischen Einsatz reicht
(z.B. 1,2V bei Ni*-Akkus), werden mehrere Zellen zu einem "Pack" in
Reihe geschaltet. Die Gesamtspannung ergibt sich dann aus der Anzahl
der Zellen mal der Zellenspannung: ein Pack aus 6 NiMH-Zellen hat eine
Nennspannung von 7,2V.

===Kapazität===

Die Kapazität eines Akkus wird in Ah (Ampere-Stunden) oder mAh
(Milliampere-Stunden) angegeben. Sie besagt, wie lange der Akku den
entsprechenden Strom liefern kann: Ein Akku mit 2Ah (=2000mAh) kann
also ein Gerät, das 200mA Strom aufnimmt, 10 Stunden lang betreiben.

Dabei ist zu beachten, daß bei höheren Strömen i.A. weniger Kapazität
entnommen werden kann als bei niedrigeren Strömen (besonders
ausgeprägt ist dies bei Bleiakkus), und daß die Hersteller die
Kapazität für verschiedene Entladedauern bzw. Stromstärken angeben.
Ein Akku, der mit 2Ah bei einem Strom von 1A angegeben ist, sollte
also diesen Strom wirklich 2 Stunden lang liefern können, während dies
bei einem Akku, der mit 2Ah bei 100mA angegeben ist, nicht so sein
muß.

==="C"===

"C" ist derjenige Strom, der der Kapazität dividiert durch eine Stunde
entspricht; diese Angabe wird oft für Lade- und Entladeströme
verwendet.

Wenn für einen 2000mAh-Akku angegeben ist, er könne mit 5C
entladen und mit 2C geladen werden, ist C = 2000mAh/1h = 2A, er kann
also mit (bis zu) 10A entladen und mit (bis zu) 4A geladen werden.

===Spannungen===

Die "Nennspannung" eines Akkus ist eine nominelle Angabe, in
Wirklichkeit liegt die Spannung eines vollgeladenen Akkus deutlich
darüber, gegen Ende der Entladung deutlich darunter.

Die Entladeschlußspannung ist diejenige Spannung, unter die man den
Akku nicht entladen sollte; einerseits würde durch ein weiteres
Entladen kaum mehr Kapazität gewonnen, andererseits können Blei- und
Lithiumakkus bei Unterschreiten der angegebenen Entladeschlußspannung
Schaden nehmen.
Eine sehr einfache und billige Möglichkeit, eine Unterschreitung der Entladeschlussspannung auszuwerten findet sich unter [[Einfache Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige]].

Die Ladeschlußspannung wiederum ist diejenige Spannung, die man beim
Laden des Akkus nicht überschreiten sollte; sie ist nicht bei allen
Akkutypen relevant.

===Innenwiderstand===

Der Innenwiderstand ist der (theoretische) elektrische Widerstand im
Inneren eines Akkus. Bei einem Akku mit hohem Innenwiderstand sinkt
bei hoher Stromentnahme die Spannung stärker als bei einem Akku mit
niedrigerem Innenwiderstand. Wenn man z.B. an einem Akku mit 40mOhm
Innenwiderstand einen uC mit einer LED betreibt, die zusammen 40mA
brauchen, wird die Spannung um 1,6mV sinken.
Bei Betrieb eines Motors mit 10A Stromaufnahme hingegen sinkt die
Klemmenspannung am Akku schon um 0,4V.

==Arten von Akkus==

Für die Robotik sind folgende Arten von Akkus relevant:

===NiCd (Nickel-Cadmium)===

NiCd-Akkus sind die "älteste" Energiequelle der Modellbauszene und
dort auch immer noch im Einsatz, da sie sehr hohe Ströme (zig Ampere)
liefern können. Wo diese hohen Ströme nicht notwendig sind, sind sie
wegen geringerer Kapazität und wegen des verwendeten Schwermetalls
Cadmium von NiMH abgelöst worden.

NiCd-Zellen kommen in den üblichen Batterie-Baugrößen (AA, AAA, C,
D...) vor, im Modellbaubereich aber auch in diversen anderen
zylindrischen Bauformen, aus denen sich Packs in verschiedenen Formen
zusammenstellen lassen.

Die Nennspannung bei NiCd-Akkus beträgt 1,2V, die
Entladeschlußspannung üblicherweise 0,9V-1,0V. Als Ladeverfahren kommt
zeitgesteuertes Laden, temperaturgesteuertes Laden oder das
-dU-Verfahren zum Einsatz.

===NiMH (Nickel-Metallhydrid)===

NiMH-Akkus sind die Nachfolger der NiCd-Akkus und haben diese, wenn es
nicht um extreme Hochstromanwendungen geht, ersetzt. Sie haben bei
gleicher Baugröße etwa die doppelte Kapazität und kommen ohne das
schädliche Cadmium aus. Auch NiMH-Akkus liefern recht hohe Ströme und
weisen einen deutlich geringeren Innenwiderstand als gleichgroße
Batterien auf.

NiMH-Akkus kommen in denselben Bauformen wie NiCd-Akkus vor, auch
Nenn- und Entladeschlußspannung sind identisch. Allerdings sind die NiMH Akkus empfindlicher als NiCd gegen Überladen. Die Ladeverfahren sind wie bei NiCd, aber die Abschaltung sollte etwas früher erfolgen und muss in der Regel empfindlicher sein. Ein Ladegerät für NiMH Akkus kann in aller Regel ohne Probleme auch für NiCd Akkus genutzt werden, andersherum besteht aber die Gefahr einer reduzierten Lebensdauer.

===Blei-Akkus===

Blei-Akkus basieren auf Blei und Schwefelsäure, sind recht schwer,
dafür aber preisgünstig, einfach zu laden und (je nach Ausführung) sehr
hochstromfähig, bis zu vielen hundert Ampere in Starterbatterien für
Autos.

Es existieren verschiedene Arten von Bleiakkus, im wesentlichen
reduziert sich das in der Praxis aber auf solche mit flüssigem
Elektrolyten (wie die klassische Autobatterie), die man
naheliegenderweise nur stehend betreiben sollte, und solche mit
Gel-Elektrolyten ("Blei-Gel", "AGM", ...), die lageunabhängig zu
betreiben sind. Bei den Akkus mit flüssigem Elektrolyten gibt es noch
die Unterscheidung in "Wartungsfrei" und "nicht Wartungsfrei", bei den
nicht-wartungsfreien kann man (destilliertes/entmineralisiertes)
Wasser nachfüllen, wenn sich der Flüssigkeitsstand wegen Überladung
reduziert hat.

Bleiakkus werden im wesentlichen in Quaderform gebaut und kommen
(jedenfalls im für uns relevanten Bereich) nicht als Einzelzellen vor,
sondern nur als Pack; allerdings heißt das "Pack" bei Bleiakkus
"Batterie".

Die Nennspannung pro Zelle beträgt 2V, die Entladeschlußspannung um
die 1,8V und die Ladeschlußspannung je nach Bauart bis 2,4V. Als
Ladeverfahren wird spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet
("CCCV").

Kapazitäten bei Blei-Akkus werden oft auf Basis einer zwanzigstündigen
Entladedauer angegeben, bei einer Entladung mit höheren Strömen steht
dann deutlich weniger Kapazität zur Verfügung ("Peukert-Effekt").

===LiIon (Lithium-Ionen) und LiPo (Lithium-Polymer)===

Lithium-basierte Akkus sind in den letzten Jahren marktreif geworden
und aus der Welt der Handys und Notebooks nicht mehr wegzudenken. Sie
bieten, sowohl nach Gewicht als auch nach Volumen, die höchste
Energiedichte aller Akkutypen, sind hochstromfähig und daher
besonders bei Modellfliegern sehr beliebt.

Lithium-Akkus werden in allen möglichen Bauformen angeboten, von
zylindrischen Zellen (allerdings nicht in den üblichen Batteriegrößen)
bis zu flachen, tütenförmigen Formen. Im Modellbauhandel erhält man
sowohl Einzelzellen wie fertige Packs.

Lithium-Akkus (ausgenommen die neuen LiFePo-Akkus) sind recht
empfindlich, was Über- und Unterschreiten der Spannungsgrenzen,
Überschreiten der spezifizierten Lade- und Entladeströme und
mechanische Beschädigung angeht; sie können brennen und sogar
explodieren. Da gerade die Ladeschlußspannungen auf wenige Millivolt
exakt eingehalten werden müssen, ist beim Laden von Packs ein sog.
"Balancer" sehr empfehlenswert, der die Spannungen der einzelnen
Zellen im Pack überwacht.

Die Nennspannung von Lithium-Akkus liegt je nach Untertyp bei
3,6V-3,7V, die Ladeschlußspannung bei 4,1V-4,2V und die
Entladeschlußspannung bei um die 3V. Als Ladeverfahren wird
spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet.

==Ladeverfahren==

===Zeitgesteuertes Laden===

Das zeitgesteuerte Laden ist die primitivste Art, einen Akku zu laden,
es kommt vor allem bei billigen "Ladegeräten" für Ni*-Akkus zum
Einsatz.

Bei diesem Verfahren wird die Kapazität des Akkus durch den Ladestrom
dividiert, ein Faktor für die Ladeverluste dazumultipliziert, und
daraus ergibt sich die Zeit, in der der Akku voll sein sollte und das
Ladegerät abschaltet oder (Geiz ist geil!) der Benutzer es abstecken
sollte.

Am weitesten verbreitet ist dabei das "C/10"-Laden: ein Akku mit
2000mAh würde also mit 200mA geladen, und zwar für 14 Stunden (der
o.g. Faktor wird im Allgemeinen mit 1,4 angesetzt). C/10 wird deshalb
verwendet, weil NiCd-Akkus ein Überladen mit diesem Strom meistens
endlos überstehen; bei NiMh-Akkus ist das nicht unbedingt der Fall.

Das Problem bei diesem Ladeverfahren ist, daß es davon ausgeht, daß
der Akku erstens bei Ladebeginn leer ist und zweitens eine bekannte
Kapazität hat, was bei älteren Akkus nicht der Fall ist. Das Risiko, den Akku zu überladen und dadurch zu schädigen, ist also hoch.

===Temperaturgesteuertes Laden===

Das temperaturgesteuerte Laden wird für Ni*-Akkus verwendet und
basiert auf dem Umstand, daß am Ende des Ladevorganges die in den Akku
eingespeiste Energie nicht mehr chemisch umgewandelt, sondern zu Hitze
wird; die Temperaturerhöhung wird gemessen und bei Überschreiten eines
Schwellwertes wird der Ladevorgang beendet.

Dieses Ladeverfahren funktioniert bei mittleren bis hohen Ladeströmen
prinzipiell zuverlässig und kann auch mit wechselnden Ladezuständen
und Kapazitäten umgehen, es muß allerdings gewährleistet sein, daß der
Temperaturfühler guten Kontakt zu den Zellen hat und die Temperatur
nicht z.B. durch Luftzug verfälscht wird. Am besten funktioniert das
Verfahren mit Akkupacks, in denen ein Fühler eingebaut ist, etwa in
den Packs mancher Akkuschrauber.

===-dU===

Das "-dU"-Verfahren wird für Ni*-Akkus verwendet und macht sich den
Umstand zunutze, daß die Spannung eines Akkus gegen Ende des Ladens
erst ansteigt, um dann wieder zurückzugehen; dieses Zurückgehen ist
das "negative Delta U", nach dem das Verfahren benannt ist und das
erkannt werden muß.

Dieses Verfahren funktioniert bei unterschiedlichen Ladezuständen und
Kapazitäten und ist ''State of the Art'' bei hochwertigen Ladegeräten.

Problematisch bei -dU ist der Umstand, daß die Spannungsspitze bei
NiMH-Akkus recht gering ausfällt, insbesondere bei niedrigen
Ladeströmen (<C/2); das Laden von NiMH-Akkus in älteren Ladegeräten,
die für NiCd ausgelegt sind, wird daher nicht immer zuverlässig
beendet. Auch das Laden von Akkupacks ist um so problematischer, je
mehr Zellen diese beinhalten und je unterschiedlicher die Kapazitäten
dieser Zellen sind: wenn die Zellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten
vollgeladen sind, "verschleift" sich die Spannungsspitze u.U. so, daß
sie nicht mehr erkannt wird.

===CCCV/Spannungsbegrenztes Konstantstromladen===

Für Lithium- und Bleiakkus kommt dieses Verfahren zum Einsatz. Es
hat zwei Parameter: den max. Ladestrom und die Ladeschlußspannung.

Zu Beginn des Ladevorganges liegt die Akkuspannung unterhalb der
Ladeschlußspannung, es wird mit dem maximalen Ladestrom geladen. Bei
Erreichen der Ladeschlußspannung wird der Strom sukzessive reduziert,
um den Akku genau auf der Ladeschlußspannung zu halten, fällt der
Strom dann unter einen Mindestwert, ist der Ladevorgang beendet.

Wesentlich bei diesem Ladeverfahren ist die korrekte
Ladeschlußspannung: bei Lithium-Akkus ist sie von der konkreten Bauart
abhängig und muß auf wenige mV genau eingehalten werden, bei Bleiakkus
ist sie von der Bauart und der Temperatur abhängig, dafür nicht so
exakt einzuhalten.
==Wirtschaftliche Betrachtung==
Die Auswahl eines Akkus wird oft nach technischen Anforderungen vorgenommen. Daneben darf auch die Wirtschaftliche Betrachtung nicht fehlen. Wenn aus technischer Sicht verschiedene Typen möglich sind, muß die Auswahl nach wirtschaftlichen Kriterien erfolgen. Dazu werden aus dem Datenblatt die entsprechenden Werte wie die möglichen Ladezyklen, auch bei Teilentladung, die tatsächliche Kapazität bei der Stromentnahme im konkreten Anwendungsfall und weiteres entnommen. Daraus und aus den Kosten für den Akku lassen sich die Kosten pro kWh errechnen. Bleiakkus erreichen hierbei Werte im Bereich von 0.5 bis 1€ pro kWh. NIMH Akkus liegen um 1€ und darüber. Die beliebten Lipos liegen meist über 5€ pro kWh. Anhand einer solchen Rechnung wird schnell klar, daß das Technisch beste nicht gleichzeitig das Wirtschaftlichste ist.

--[[Benutzer:Cmock|Cmock]] 03:27, 31. Aug 2009 (CEST)

[[Kategorie:Grundlagen]]

Akku-Grundlagen

2012-09-11T20:52:18Z

Thomas E.: Link zu "Einfache Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige" eingefügt

In diesem Artikel wird versucht, einen Einstieg in die etwas
unübersichtliche Welt der Akkus zu geben. Bei der Leserin und dem
Leser werden dabei Grundbegriffe der Elektrotechnik vorausgesetzt.

==Was ist eigentlich ein Akku?==

Ein Akku (kurz für "Akkumulator") ist ein wiederaufladbarer
elektrischer Energiespeicher. Beim Laden wird die elektrische Energie
in chemische Energie umgewandelt, beim Entladen wird aus der Chemie
wieder Elektrik. Einmal laden und wieder entladen ist ein "Zyklus",
und Akkus halten je nach Art und Behandlung 100 bis ca. 1000 Zyklen.

Eine Batterie ("Primärzelle") hingegen wandelt zwar beim Entladen auch
chemische in elektrische Energie um, läßt sich aber nicht wieder
aufladen, muß also nach Entnahme der Energie weggeworfen (bzw zu einer
entsprechenden Sammelstelle gebracht) werden.

Akkus verwendet man einerseits, weil sie auf Dauer kostengünstiger
sind als Batterien, andererseits, weil sie höhere Ströme abgeben
können als Batterien (Nickel- und Lithium-Akkus) oder weil sie bei
gleicher Energiemenge kleiner und leichter sind als Batterien
(Lithium-Akkus).

==Grundbegriffe==

===Zelle/Pack===

Eine Zelle ist die kleinste Einheit eines Akkus. Da die Spannung einer einzelnen Zelle bei den meisten Akkutypen nicht für den praktischen Einsatz reicht
(z.B. 1,2V bei Ni*-Akkus), werden mehrere Zellen zu einem "Pack" in
Reihe geschaltet. Die Gesamtspannung ergibt sich dann aus der Anzahl
der Zellen mal der Zellenspannung: ein Pack aus 6 NiMH-Zellen hat eine
Nennspannung von 7,2V.

===Kapazität===

Die Kapazität eines Akkus wird in Ah (Ampere-Stunden) oder mAh
(Milliampere-Stunden) angegeben. Sie besagt, wie lange der Akku den
entsprechenden Strom liefern kann: Ein Akku mit 2Ah (=2000mAh) kann
also ein Gerät, das 200mA Strom aufnimmt, 10 Stunden lang betreiben.

Dabei ist zu beachten, daß bei höheren Strömen i.A. weniger Kapazität
entnommen werden kann als bei niedrigeren Strömen (besonders
ausgeprägt ist dies bei Bleiakkus), und daß die Hersteller die
Kapazität für verschiedene Entladedauern bzw. Stromstärken angeben.
Ein Akku, der mit 2Ah bei einem Strom von 1A angegeben ist, sollte
also diesen Strom wirklich 2 Stunden lang liefern können, während dies
bei einem Akku, der mit 2Ah bei 100mA angegeben ist, nicht so sein
muß.

==="C"===

"C" ist derjenige Strom, der der Kapazität dividiert durch eine Stunde
entspricht; diese Angabe wird oft für Lade- und Entladeströme
verwendet.

Wenn für einen 2000mAh-Akku angegeben ist, er könne mit 5C
entladen und mit 2C geladen werden, ist C = 2000mAh/1h = 2A, er kann
also mit (bis zu) 10A entladen und mit (bis zu) 4A geladen werden.

===Spannungen===

Die "Nennspannung" eines Akkus ist eine nominelle Angabe, in
Wirklichkeit liegt die Spannung eines vollgeladenen Akkus deutlich
darüber, gegen Ende der Entladung deutlich darunter.

Die Entladeschlußspannung ist diejenige Spannung, unter die man den
Akku nicht entladen sollte; einerseits würde durch ein weiteres
Entladen kaum mehr Kapazität gewonnen, andererseits können Blei- und
Lithiumakkus bei Unterschreiten der angegebenen Entladeschlußspannung
Schaden nehmen.
Eine sehr einfache und billige Möglichkeit, eine Unterschreitung der Entladeschlussspannung auszuwerten findet sich unter [Einfache Batterie-Entladeschlussspannungsanzeige].

Die Ladeschlußspannung wiederum ist diejenige Spannung, die man beim
Laden des Akkus nicht überschreiten sollte; sie ist nicht bei allen
Akkutypen relevant.

===Innenwiderstand===

Der Innenwiderstand ist der (theoretische) elektrische Widerstand im
Inneren eines Akkus. Bei einem Akku mit hohem Innenwiderstand sinkt
bei hoher Stromentnahme die Spannung stärker als bei einem Akku mit
niedrigerem Innenwiderstand. Wenn man z.B. an einem Akku mit 40mOhm
Innenwiderstand einen uC mit einer LED betreibt, die zusammen 40mA
brauchen, wird die Spannung um 1,6mV sinken.
Bei Betrieb eines Motors mit 10A Stromaufnahme hingegen sinkt die
Klemmenspannung am Akku schon um 0,4V.

==Arten von Akkus==

Für die Robotik sind folgende Arten von Akkus relevant:

===NiCd (Nickel-Cadmium)===

NiCd-Akkus sind die "älteste" Energiequelle der Modellbauszene und
dort auch immer noch im Einsatz, da sie sehr hohe Ströme (zig Ampere)
liefern können. Wo diese hohen Ströme nicht notwendig sind, sind sie
wegen geringerer Kapazität und wegen des verwendeten Schwermetalls
Cadmium von NiMH abgelöst worden.

NiCd-Zellen kommen in den üblichen Batterie-Baugrößen (AA, AAA, C,
D...) vor, im Modellbaubereich aber auch in diversen anderen
zylindrischen Bauformen, aus denen sich Packs in verschiedenen Formen
zusammenstellen lassen.

Die Nennspannung bei NiCd-Akkus beträgt 1,2V, die
Entladeschlußspannung üblicherweise 0,9V-1,0V. Als Ladeverfahren kommt
zeitgesteuertes Laden, temperaturgesteuertes Laden oder das
-dU-Verfahren zum Einsatz.

===NiMH (Nickel-Metallhydrid)===

NiMH-Akkus sind die Nachfolger der NiCd-Akkus und haben diese, wenn es
nicht um extreme Hochstromanwendungen geht, ersetzt. Sie haben bei
gleicher Baugröße etwa die doppelte Kapazität und kommen ohne das
schädliche Cadmium aus. Auch NiMH-Akkus liefern recht hohe Ströme und
weisen einen deutlich geringeren Innenwiderstand als gleichgroße
Batterien auf.

NiMH-Akkus kommen in denselben Bauformen wie NiCd-Akkus vor, auch
Nenn- und Entladeschlußspannung sind identisch. Allerdings sind die NiMH Akkus empfindlicher als NiCd gegen Überladen. Die Ladeverfahren sind wie bei NiCd, aber die Abschaltung sollte etwas früher erfolgen und muss in der Regel empfindlicher sein. Ein Ladegerät für NiMH Akkus kann in aller Regel ohne Probleme auch für NiCd Akkus genutzt werden, andersherum besteht aber die Gefahr einer reduzierten Lebensdauer.

===Blei-Akkus===

Blei-Akkus basieren auf Blei und Schwefelsäure, sind recht schwer,
dafür aber preisgünstig, einfach zu laden und (je nach Ausführung) sehr
hochstromfähig, bis zu vielen hundert Ampere in Starterbatterien für
Autos.

Es existieren verschiedene Arten von Bleiakkus, im wesentlichen
reduziert sich das in der Praxis aber auf solche mit flüssigem
Elektrolyten (wie die klassische Autobatterie), die man
naheliegenderweise nur stehend betreiben sollte, und solche mit
Gel-Elektrolyten ("Blei-Gel", "AGM", ...), die lageunabhängig zu
betreiben sind. Bei den Akkus mit flüssigem Elektrolyten gibt es noch
die Unterscheidung in "Wartungsfrei" und "nicht Wartungsfrei", bei den
nicht-wartungsfreien kann man (destilliertes/entmineralisiertes)
Wasser nachfüllen, wenn sich der Flüssigkeitsstand wegen Überladung
reduziert hat.

Bleiakkus werden im wesentlichen in Quaderform gebaut und kommen
(jedenfalls im für uns relevanten Bereich) nicht als Einzelzellen vor,
sondern nur als Pack; allerdings heißt das "Pack" bei Bleiakkus
"Batterie".

Die Nennspannung pro Zelle beträgt 2V, die Entladeschlußspannung um
die 1,8V und die Ladeschlußspannung je nach Bauart bis 2,4V. Als
Ladeverfahren wird spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet
("CCCV").

Kapazitäten bei Blei-Akkus werden oft auf Basis einer zwanzigstündigen
Entladedauer angegeben, bei einer Entladung mit höheren Strömen steht
dann deutlich weniger Kapazität zur Verfügung ("Peukert-Effekt").

===LiIon (Lithium-Ionen) und LiPo (Lithium-Polymer)===

Lithium-basierte Akkus sind in den letzten Jahren marktreif geworden
und aus der Welt der Handys und Notebooks nicht mehr wegzudenken. Sie
bieten, sowohl nach Gewicht als auch nach Volumen, die höchste
Energiedichte aller Akkutypen, sind hochstromfähig und daher
besonders bei Modellfliegern sehr beliebt.

Lithium-Akkus werden in allen möglichen Bauformen angeboten, von
zylindrischen Zellen (allerdings nicht in den üblichen Batteriegrößen)
bis zu flachen, tütenförmigen Formen. Im Modellbauhandel erhält man
sowohl Einzelzellen wie fertige Packs.

Lithium-Akkus (ausgenommen die neuen LiFePo-Akkus) sind recht
empfindlich, was Über- und Unterschreiten der Spannungsgrenzen,
Überschreiten der spezifizierten Lade- und Entladeströme und
mechanische Beschädigung angeht; sie können brennen und sogar
explodieren. Da gerade die Ladeschlußspannungen auf wenige Millivolt
exakt eingehalten werden müssen, ist beim Laden von Packs ein sog.
"Balancer" sehr empfehlenswert, der die Spannungen der einzelnen
Zellen im Pack überwacht.

Die Nennspannung von Lithium-Akkus liegt je nach Untertyp bei
3,6V-3,7V, die Ladeschlußspannung bei 4,1V-4,2V und die
Entladeschlußspannung bei um die 3V. Als Ladeverfahren wird
spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet.

==Ladeverfahren==

===Zeitgesteuertes Laden===

Das zeitgesteuerte Laden ist die primitivste Art, einen Akku zu laden,
es kommt vor allem bei billigen "Ladegeräten" für Ni*-Akkus zum
Einsatz.

Bei diesem Verfahren wird die Kapazität des Akkus durch den Ladestrom
dividiert, ein Faktor für die Ladeverluste dazumultipliziert, und
daraus ergibt sich die Zeit, in der der Akku voll sein sollte und das
Ladegerät abschaltet oder (Geiz ist geil!) der Benutzer es abstecken
sollte.

Am weitesten verbreitet ist dabei das "C/10"-Laden: ein Akku mit
2000mAh würde also mit 200mA geladen, und zwar für 14 Stunden (der
o.g. Faktor wird im Allgemeinen mit 1,4 angesetzt). C/10 wird deshalb
verwendet, weil NiCd-Akkus ein Überladen mit diesem Strom meistens
endlos überstehen; bei NiMh-Akkus ist das nicht unbedingt der Fall.

Das Problem bei diesem Ladeverfahren ist, daß es davon ausgeht, daß
der Akku erstens bei Ladebeginn leer ist und zweitens eine bekannte
Kapazität hat, was bei älteren Akkus nicht der Fall ist. Das Risiko, den Akku zu überladen und dadurch zu schädigen, ist also hoch.

===Temperaturgesteuertes Laden===

Das temperaturgesteuerte Laden wird für Ni*-Akkus verwendet und
basiert auf dem Umstand, daß am Ende des Ladevorganges die in den Akku
eingespeiste Energie nicht mehr chemisch umgewandelt, sondern zu Hitze
wird; die Temperaturerhöhung wird gemessen und bei Überschreiten eines
Schwellwertes wird der Ladevorgang beendet.

Dieses Ladeverfahren funktioniert bei mittleren bis hohen Ladeströmen
prinzipiell zuverlässig und kann auch mit wechselnden Ladezuständen
und Kapazitäten umgehen, es muß allerdings gewährleistet sein, daß der
Temperaturfühler guten Kontakt zu den Zellen hat und die Temperatur
nicht z.B. durch Luftzug verfälscht wird. Am besten funktioniert das
Verfahren mit Akkupacks, in denen ein Fühler eingebaut ist, etwa in
den Packs mancher Akkuschrauber.

===-dU===

Das "-dU"-Verfahren wird für Ni*-Akkus verwendet und macht sich den
Umstand zunutze, daß die Spannung eines Akkus gegen Ende des Ladens
erst ansteigt, um dann wieder zurückzugehen; dieses Zurückgehen ist
das "negative Delta U", nach dem das Verfahren benannt ist und das
erkannt werden muß.

Dieses Verfahren funktioniert bei unterschiedlichen Ladezuständen und
Kapazitäten und ist ''State of the Art'' bei hochwertigen Ladegeräten.

Problematisch bei -dU ist der Umstand, daß die Spannungsspitze bei
NiMH-Akkus recht gering ausfällt, insbesondere bei niedrigen
Ladeströmen (<C/2); das Laden von NiMH-Akkus in älteren Ladegeräten,
die für NiCd ausgelegt sind, wird daher nicht immer zuverlässig
beendet. Auch das Laden von Akkupacks ist um so problematischer, je
mehr Zellen diese beinhalten und je unterschiedlicher die Kapazitäten
dieser Zellen sind: wenn die Zellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten
vollgeladen sind, "verschleift" sich die Spannungsspitze u.U. so, daß
sie nicht mehr erkannt wird.

===CCCV/Spannungsbegrenztes Konstantstromladen===

Für Lithium- und Bleiakkus kommt dieses Verfahren zum Einsatz. Es
hat zwei Parameter: den max. Ladestrom und die Ladeschlußspannung.

Zu Beginn des Ladevorganges liegt die Akkuspannung unterhalb der
Ladeschlußspannung, es wird mit dem maximalen Ladestrom geladen. Bei
Erreichen der Ladeschlußspannung wird der Strom sukzessive reduziert,
um den Akku genau auf der Ladeschlußspannung zu halten, fällt der
Strom dann unter einen Mindestwert, ist der Ladevorgang beendet.

Wesentlich bei diesem Ladeverfahren ist die korrekte
Ladeschlußspannung: bei Lithium-Akkus ist sie von der konkreten Bauart
abhängig und muß auf wenige mV genau eingehalten werden, bei Bleiakkus
ist sie von der Bauart und der Temperatur abhängig, dafür nicht so
exakt einzuhalten.
==Wirtschaftliche Betrachtung==
Die Auswahl eines Akkus wird oft nach technischen Anforderungen vorgenommen. Daneben darf auch die Wirtschaftliche Betrachtung nicht fehlen. Wenn aus technischer Sicht verschiedene Typen möglich sind, muß die Auswahl nach wirtschaftlichen Kriterien erfolgen. Dazu werden aus dem Datenblatt die entsprechenden Werte wie die möglichen Ladezyklen, auch bei Teilentladung, die tatsächliche Kapazität bei der Stromentnahme im konkreten Anwendungsfall und weiteres entnommen. Daraus und aus den Kosten für den Akku lassen sich die Kosten pro kWh errechnen. Bleiakkus erreichen hierbei Werte im Bereich von 0.5 bis 1€ pro kWh. NIMH Akkus liegen um 1€ und darüber. Die beliebten Lipos liegen meist über 5€ pro kWh. Anhand einer solchen Rechnung wird schnell klar, daß das Technisch beste nicht gleichzeitig das Wirtschaftlichste ist.

--[[Benutzer:Cmock|Cmock]] 03:27, 31. Aug 2009 (CEST)

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