Conrad 553893 Operation Manual [de]

10127-1 Booklet+Impressum 11.11.13 09:22 Seite 1

Liebe Kunden!

Dieses Produkt wurde in Übereinstimmung mit den geltenden europäischen Richtlinien hergestellt und trägt daher das CE-Zeichen. Der bestimmungsgemäße Gebrauch ist in der beiliegenden Anleitung beschrieben.

Bei jeder anderen Nutzung oder Veränderung des Produktes sind allein Sie für die Einhaltung der geltenden Regeln verantwortlich. Bauen Sie die Schaltungen deshalb genau so auf, wie es in der Anleitung beschrieben wird. Das Produkt darf nur zusammen mit dieser Anleitung weitergegeben werden.

Das Symbol der durchkreuzten Mülltonne bedeutet, dass dieses Produkt getrennt vom Hausmüll als Elektroschrott dem Recycling zugeführt werden muss. Wo Sie die nächstgelegene kostenlose Annahmestelle ﬁnden, sagt Ihnen Ihre kommunale Verwaltung.

Achtung! Augenschutz und LEDs:

Blicken Sie nicht aus geringer Entfernung direkt in eine LED, denn ein direkter Blick kann Netzhautschäden verursachen! Dies gilt besonders für helle LEDs im klaren Gehäuse sowie in besonderem Maße für Power-LEDs. Bei weißen, blauen, violetten und ultravioletten LEDs gibt die scheinbare Helligkeit einen falschen Eindruck von der tatsächlichen Gefahr für Ihre Augen. Besondere Vorsicht ist bei der Verwendung von Sammellinsen geboten. Betreiben Sie die LEDs so wie in der Anleitung vorgesehen, nicht aber mit größeren Strömen.

Achtung! Richtiger Umgang mit Akkus:

Akkus niemals kurzschließen, gewaltsam öffnen oder ins Feuer werfen. Nicht wiederauﬂadbare Batterien dürfen nicht ans Ladegerät angeschlossen werden. Bleiben Sie in der Nähe, während Sie Akkus laden. Bei unsachgemäßer Handhabung von Akkus besteht Explosionsgefahr!

Bibliograﬁsche Information der Deutschen Bibliothek

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliograﬁe; detaillierte Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Alle in diesem Buch vorgestellten Schaltungen und Programme wurden mit der größtmöglichen Sorgfalt entwickelt, geprüft und getestet. Trotzdem können Fehler im Buch und in der Software nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag und Autor haften in Fällen des Vorsatzes oder der groben Fahrlässigkeit nach den gesetzlichen Bestimmungen. Im Übrigen haften Verlag und Autor nur nach dem Produkthaftungsgesetz wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit oder wegen der schuldhaften Verletzung wesentlicher Vertragspﬂichten. Der Schadensersatzanspruch für die Verletzung wesentlicher Vertragspﬂichten ist auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht ein Fall der zwingenden Haftung nach dem Produkthaftungsgesetz gegeben ist.

Impressum

Autor: Ulrich Stempel Art & Design, Satz: www.ideehoch2.de

ISBN 978-3-645-10127-1 Produziert im Auftrag der Firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau

10127-1 Booklet+Impressum 11.11.13 09:22 Seite 2

Inhaltsverzeichnis

1 Vertraut machen mit den Komponenten

des Lernpakets ................................................................. 5

1.1 Das Experimentierbrett............................................... 6

1.2 USB-Anschlusskabel.....................................................7

1.3 Solarmodul ................................................................. 8

1.4 Dioden......................................................................... 9

1.5 Leuchtdioden ..............................................................11

1.6 Transistoren............................................................... 12

1.7 Widerstände............................................................... 13

1.8 Elektrolytkondensatoren............................................ 15

1.9 Akkuhalter.................................................................. 15

1.10 Experimentierkabel.................................................... 16

1.11 Schaltdraht................................................................. 17

2 Verwendung des USB-Kabels............................................ 17

2.1 USB-Kabel am Steckbrett anschließen ......................18

3 Energie speichern ........................................................... 20

3.1 Energiespeicherung mit dem Elko............................. 21

4 Vertraut machen mit den Akkutypen................................22

5 Erster Schritt mit dem Solarmodul ...................................23

6 Akkus mit der USB-Quelle laden.......................................26

7 NiMH- und NiCd-Akkus laden.......................................... 28

8 Konstantstromladen......................................................... 31

9 Impulsladen.....................................................................35

10 Nickel-Zink-Zelle laden ....................................................38

11 Lithium-Akku Laden.........................................................42

12 Laden überwachen ......................................................... 48

12.1 Akkutankanzeige....................................................... 48

13 Akkus testen................................................................... 50

13.1 Test mit niedrigem Strom ......................................... 52

13.2 Test mit hohem Strom .............................................. 54

14 Akku und Solarmodul ...................................................... 57

14.1 Akkus mit Solarenergie laden.................................... 61

14.2 Solarlader – was es zu beachten gilt ........................ 63

15 Rückstromsperre verwenden ...........................................65

16 Laderegler einsetzen....................................................... 68

17 Solare Ladeüberwachung des Lithium-

Akkus ..............................................................................70

18 Kombilader, Laden und Ladung erhalten.......................... 72

19 Solarnachtlicht.................................................................75

20 Erhalt der Leistungsfähigkeit von Akkus ...........................79

20.1 Akku-Notfallrettung....................................................79

20.2 Akkupflege .................................................................81

1 Vertraut machen mit den Komponenten

des Lernpakets

Stück Komponente Spezifikation

1 Steckbrett SYB 46, 270 Kontakte

1 Solarmodul

USB-Stecker mit Kabel und Enden

fürs Steckbrett

1 Transistor 2N3904

1 Transistor 2N3906

1 Schottky-Diode, blau BAT 42

2 Siliziumdioden 1N4001

1 LED, rot 5 mm

1 LED, orange 5 mm

1 Blink-LED, rot 5 mm

1 Kohlewiderstand 1 W 8 Kohlewiderstände ¼ W

1 Elektrolytkondensator 1.000 µF, 10 V

1 Batteriehalter mit Kabel Mignon, AA

4 Steckstifte

2 Krokodilkabel, rot und schwarz

1 Schaltdraht 1,0 m

1.1 Das Experimentierbrett

Mit dem Experimentierbrett, auch als

Steckbrett

nur aufgebaut werden. Es besteht im Inneren aus Kontaktfedern, die in einem Reihensystem miteinander verbunden sind. Die elektronischen Bauteile und Verbindungsdrähte können wiederholt in die Kontakte eingesteckt werden und ermöglichen somit einen Schaltungsaufbau ohne Löten oder Schrauben. Schräg mit dem Seitenschneider abgezwickte Anschlussdrähte lassen sich am leichtesten einstecken.

Das dem Lernpaket beigelegte Steckbrett hat insgesamt 270 Kontakte im 2,54-mm-Raster. Die 230 Kontakte im mittleren Bereich sind jeweils durch vertikale Streifen in 5er-Reihen verbunden.

An den Rändern der breiten Seite gibt es je eine Reihe mit 20 Kontaktpunkten, die horizontal mit einer Schiene verbunden sind. Diese »obere« und »untere« Reihe eignen sich gut als Stromversorgungsschienen.

bezeichnet, können die Experimente ohne Lötkolben

Laborsteckbrett

oder einfach

Abb. 001: Das Steckbrett – oben und unten die Stromversorgungsschienen

1.2 USB-Anschlusskabel

Das USB-Anschlusskabel des Lernpakets hat auf der einen Seite einen USB-A-Stecker und auf der anderen Seite einen Stiftstecker für das Steckbrett. Damit ist es möglich, die 5 V (Volt) Stromversorgung einer USB-Quelle (USB-Netzteilstecker) mit dem Steckbrett zu verbinden.

Wichtig! Beim Anschluss des Stiftsteckers an das Steckbrett unbedingt auf die Polarität achten! Das rote Kabel zum Stiftstecker ist der Pluspol, der schwarze der Minuspol.

Abb. 002: USB-Anschlusskabel, Anschlussbelegung des Steckers: 1) = -5 V,

2) = D+, 3) = D-, 4) = +5 V

Wichtiger Hinweis zur Nutzung der USB-Stromversorgung Es wird dringend empfohlen, für die nachfolgenden Experimente ein einfaches USB-Netzteil (z. B. für ein Mobiltelefon) mit 5 V Spannung und mindestens 500 mA (Milliampere) Leistungsabgabe zu verwenden. Die USB-Stromversorgung für die Experimente könnte zwar von der Computer-USB-Buchse kommen, davon wird aber dringend abgeraten!

Der Grund: Im Prinzip dürfen High power Devices an der Computer-USB-Buchse einen Stromverbrauch von 500 mA haben, Low power Devices maximal 100 mA. Leider sind nicht alle USB-Buchsen (abhängig vom Computertyp) kurzschlussfest! Oft ist nur eine Sicherung an der Buchse eingelötet, manchmal auch ein entsprechender Widerstand. Bei einigen Geräten gibt es eine Sicherung, die sich von selbst zurückstellt, bei anderen Geräten muss sie nach einem Kurzschluss ausgetauscht werden. Es gibt auch mobile Computersysteme, bei denen die USBBuchse eine reduzierte Spannung und einen reduzierten Strom abgibt.

1.3 Solarmodul

Das beiliegende Solarmodul besteht aus mehreren polykristallinen Solarzellen. Das Siliziummaterial, zusammengesetzt aus mehreren Kristallen, wird durch absichtliche Dotierungen so verunreinigt, dass dadurch eine negative und eine positive Schicht entstehen. Oben ist die N-Schicht (negativ dotiert), zur besseren Absorption des Lichts dunkelblau beschichtet. Die untere Schicht ist die PSchicht. Durch auftreffendes Licht kommen die Elektronen in Bewegung und es entsteht eine Spannung zwischen den beiden beschriebenen Schichten. Diese Spannung und den fließenden Strom können wir verwenden. Eine einzige kristalline Siliziumsolarzelle kommt auf ca. 0,5 V pro Zelle. Der Strom ist abhängig von der Zellengröße.

Abb. 003: a) Solarmodul mit Schutzfolie,

b) Schaltsymbol

1.4 Dioden

Dioden lassen den Strom nur in eine Richtung durch. Sie werden deshalb unter anderem zum Gleichrichten von Wechselspannungen und zur Abblockung unerwünschter Polarität bei Gleichspannung eingesetzt. Die Funktion einer Diode können Sie sich im Normalbetrieb am einfachsten sinnbildlich als Rückschlagventil (Wasserinstallation) vorstellen.

Abb. 004: a) Siliziumdiode Typ 1N 4001; die Kathode der Diode ist an dem aufgedruckten Strich zu erkennen, der andere Anschlussdraht ist die Anode. Die technische Stromrichtung geht von der Anode zur Kathode. b) Schaltsymbol der

Diode

In Durchlassrichtung (Schaltsymbol Pfeil) beginnt bei der Siliziumdiode wie z. B. der 1N 4001 erst ab einer Spannung von ca. 0,6– 0,7 V oder 700 mV (Millivolt) nennenswert Strom zu fließen.

Abb. 005: a) Schottky-Diode, b) ihr Schaltbild

In Photovoltaik-Anlagen werden verlustarme Schottky-Dioden in der Regel auf zwei Arten genutzt: als Sperrdioden und als Bypass-Dioden. Die Sperrdioden verhindern, dass sich der Akku durch die Photovol-

taik-Module bei fehlendem Sonnenlicht entlädt. Die Bypass-Dioden schützen Solarzellen und das Paneel vor möglichen Schäden, die durch partielle Verschattungen verursacht werden könnten.

1.5 Leuchtdioden

Die LED (light emitting diode = Licht emittierende Diode) hat neben den Eigenschaften einer normalen Diode noch eine weitere Eigenschaft: Sie leuchtet, wenn Spannung angelegt wird. LEDs sollten normalerweise immer mit einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung betrieben werden. Rote LEDs benötigen die geringste Spannung (1,8 V). Danach folgen die gelben, grünen, blauen und zuletzt die weißen LEDs mit der höchsten Spannung (bis zu 3,6 V).

Abb. 006: a) Anschlussbelegung der Leuchtdioden: die Anode (+) mit dem längeren Anschlussdraht (links) und die Kathode (–), b) zusätzlich durch eine Abflachung am Gehäuse markiert. c) Das Schaltsymbol der LED

Neben den »normalen« LEDs gibt es auch Spezialausführungen wie z. B. eine blinkende LED. Die Blink-LED erkennen Sie an dem kleinen schwarzen Punkt innerhalb des roten Gehäuses. Dieser Punkt beinhaltet eine winzig kleine Elektronik in Form eines inte-

grierten Schaltkreises, der die LED – sobald die richtige Spannung angelegt wird – zum Blinken bringt.

1.6 Transistoren

Transistoren sind aktive Bauelemente, die in elektronischen Anwendungen zum Schalten und Verstärken von Strom und Spannung eingesetzt werden.

Die dem Lernpaket beigelegten bipolaren Transistoren haben die Typenbezeichnung 2N 3904 und 2N 3906. Es handelt sich dabei um komplementäre Kleinleistungstransistoren, die für eine maximale Betriebsspannung von 30 V und einen Strom von maximal 200 mA geeignet sind. Komplementär bedeutet, dass es sich um ein zueinander passendes Transistorpaar aus einem NPN- und einem PNPTransistor handelt. Die Bezeichnungen »N« und »P« stehen für die negativen und positiven Halbleiterschichten im Transistor. Für den Fall, das Ihnen diese Begriffe noch nicht viel sagen, können Sie die Funktionen später anhand der Experimente praktisch nachvollziehen.

Abb. 007:

Transistoranschlüsse. E = Emitter, B = Basis, C = Kollektor

So funktioniert der Transistor Ein kleiner an der Basis-Emitter-Strecke angelegter Strom kann einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern. D. h., fließt ein geringer Basisstrom (bei NPN-Transistoren positiv, bei PNP-Transistoren negativ), leitet der Transistor den Strom vom Kollektor zum Emitter, bzw. umgekehrt. Fließt über die Basis kein Strom oder ist der Basisanschluss auf negativem (NPN) bzw. positivem Potenzial (PNP), sperrt der Transistor.

Abb. 008: Schaltsymbole für NPN- und PNP-Transistor.

1.7 Widerstände

Ein Widerstand ist ein passives Bauelement in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Seine Hauptaufgabe ist die Reduzierung des fließenden Stroms auf sinnvolle Werte (siehe auch Kapitel »Leuchtdioden«).

Die bekannteste Widerstandsbauform ist der zylindrische keramische Träger mit axialen Anschlussdrähten.

Abb. 009: a) Widerstand,

b) Schaltsymbol

Die Widerstandswerte sind codiert und in Form von farbigen Ringen aufgedruckt. Im Lernpaket befinden sich Kohleschichtwiderstände mit folgenden, in der Tabelle angegebenen Werten und Farbringen:

Anzahl Wider-

stands-

1. Ring

1. Ziffer

2. Ring

2. Ziffer

3. Ring

Multiplikator

4. Ring

Toleranz

wert

1 1,2 Ω Braun Rot Gold Gold

1 1,5 Ω Braun Grün Gold Gold

1 10 Ω Braun Schwarz Schwarz Gold

1 100 Ω Braun Schwarz Braun Gold

3 1 kΩ Braun Schwarz Rot Gold

1 2,2 kΩ Rot Rot Rot Gold

1 100 kΩ Braun Schwarz Gelb Gold

1.8 Elektrolytkondensatoren

Elektrolytkondensatoren (Elkos) haben im Vergleich zu normalen Kondensatoren eine hohe Kapazität. Aufgrund des Elektrolyts ist ein Elko polungsabhängig, und die Anschlüsse sind mit einem Pluspol und einem Minuspol bezeichnet. Wird das Bauteil über längere Zeit »falsch herum« angeschlossen, wird dadurch der Elektrolyt des Kondensators zerstört. Die aufgedruckte maximale Spannungsangabe sollte nicht überschritten werden. Andernfalls kann die Isolierschicht zerstört werden.

ist immer der millionste Teil der Grundeinheit. µF steht für

Mikrofarad.

a) b)

Abb. 010: a) Elektrolytkondensator. Der Minuspol ist am Gehäuse durch einen hellen Strich gekennzeichnet. b) Das Schaltsymbol des Elkos

1.9 Akkuhalter

Der Akkuhalter dient der Aufnahme von Akkus des Formats AAMignon. Der Akkuhalter kann auch für das Format AAA-Mikro verwendet werden, wenn die Feder am Minuspolanschluss etwas in die Länge gezogen wird.

Abb. 011: a) Akkuhalter; b) Schaltsymbol des Akkus

1.10 Experimentierkabel

Mit den roten und schwarzen Experimentierkabeln, an deren Enden jeweils Krokodilklemmen angeschlossen sind, können Sie schnell und einfach einzelne Teile elektrisch anschließen und verbinden – ohne Lötkolben und ohne Schraubendreher. Sinnvoll ist, die roten Anschlusskabel für den Pluspol und die schwarzen für den Minuspol zu verwenden.

Abb. 012: Experimentierkabel mit Krokodilklemmen

1.11 Schaltdraht

Drahtbrücken können Sie mit dem beiliegenden Schaltdraht herstellen. Dazu ist die ungefähre Länge der Drahtbrücke abzuschätzen oder abzumessen (zuzüglich der Länge für die Drahtenden, die in die Steckkontakte eingesteckt werden sollen). Die Enden sind dann ca. 8 mm lang abzuisolieren. Schräg mit dem Seitenschneider abgezwickte Anschlussdrähte lassen sich leichter stecken. Die einmal hergestellten Drahtbrücken können immer wieder verwendet werden.

2 Verwendung des USB-Kabels

Das beiliegende USB-Kabel sollte an ein 5-V-USB-Steckernetzteil angeschlossen werden, wie es zum Laden von Mobiltelefonen verwendet wird. Prinzipiell ist der Anschluss am USB-Ausgang eines PCs möglich, davon wird aber abgeraten. Der Grund: Bei einem versehentlichen Kurzschluss beim Schaltungsaufbau kann die im Computer eingebaute Strombegrenzung (meist in Form eines Widerstands) zerstört werden.

2.1 USB-Kabel am Steckbrett anschließen

Versuchsaufbau: Steckbrett, Kabel mit USB-A-Stecker und Pins, Widerstand 1 k, Widerstand 1,5 Ω, rote LED

Für die folgenden Ladeexperimente kann das USB-Kabel am Steckbrett angeschlossen bleiben.

Den Stiftstecker des USB-Kabels in die Kontakte des Steckbretts stecken. Darauf achten, dass der Pluspol des Stiftsteckers zur oberen Stromversorgungsschiene führt. Dann mit dem beiliegenden Schaltdraht den mit dem roten Kabel verbundenen Stift mit der Pluspolleiste und den Stift des schwarzen Kabels mit der Minuspolleiste verbinden (siehe Abbildung). Der Schutzwiderstand mit 1,5 Ω dient als Kurzschlussschutz für alle Fälle.

Abb. 013: a) und b): Stiftstecker mit dem Steckbrett verbinden; an den Pluspol den 1,5-Ω-Schutzwiderstand stecken. c): Die LED und den 1-k-Widerstand hinzufügen.

Im nächsten Schritt die rote LED stecken. Hier ist zu beachten, dass der längere Anschlussdraht zum Pluspol kommt. Zusätzlich den Widerstand 1 k in das Steckbrett stecken. Wenn nun der USBStecker mit der USB-Stromquelle verbunden wird, sollte die LED leuchten.

Abb. 014: Schaltbild mit USB-Anschluss und roter LED

3 Energie speichern

Das mit unseren Sinnen nicht wahrnehmbare Prinzip der Energiespeicherung mit elektrischem Strom lässt sich mit einem Prinzip, das wir beim Wasser beobachten können, vergleichen und erklären: Über einen Wasserhahn wird ein Wasserbehälter mit Wasser gefüllt. Das Wasser kann zu einem späteren Zeitpunkt wieder entnommen werden.

Abb. 015: Prinzip der Energiespeicherung, verdeutlicht anhand eines Wasserbehälters

Der »Energiespeicher« hat in der elektronischen Welt unterschiedliche Ausbildungsformen. Dem Lernpaket liegt ein Elektrolytkondensator bei. Die Speicherwirkung kann man damit gut nachvollziehen. Der Vorteil des Kondensatorspeichers liegt darin, dass er eine sehr lange Lebensdauer hat. Im Vergleich zum Akku ist die Speicherkapazität aber nur gering, was für die Experimente den Vorteil hat, dass das Prinzip der Speicherung in einer überschaubar kurzen Zeitspanne abläuft. Vergleich: Der Wasserhahn füllt nur einen kleinen Becher. Das geht dann natürlich auch viel schneller als bei einem großen Becken.

3.1 Energiespeicherung mit dem Elko

Versuchsaufbau: Steckbrett, Kabel mit USB-A-Stecker und Pins, Widerstand 1 k, rote LED, Elko 1.000 µF

Der vorhergehende Aufbau wird um den Elko erweitert. Die Anschlussdrähte des Elkos zeigen mit dem Pluspol zur Pluspolschiene des Steckbretts. Wenn der Elko korrekt gesteckt ist, den USB-Stecker in das USB-Steckernetzteil einstecken. Die LED leuchtet. Den USBStecker von der USB-Quelle trennen, und die rote LED leuchtet noch kurze Zeit weiter, obwohl die Stromversorgung unterbrochen wurde. Die Energie wurde im Elko zwischengespeichert.

Abb. 016: Steckbrett mit Speicherelko

Abb. 017: Schaltbild

4 Vertraut machen mit den Akkutypen

Die gebräuchlichsten und im Alltag verwendeten Akkutypen:

1. Bleiakkus (Bleisäure, Bleigel), z. B. Starterbatterie im Kfz.

2. Nickel-Kadmium (NiCa; nicht mehr im Handel), oft in Akkuschraubern verwendet.

3. Nickel-Metallhydrid (NiMH)

4. Nickel-Zink (NiZn; neu auf dem Markt)

5. Lithium (Li) in unterschiedlichsten Ausführungen

Den Bleiakku kennt man vom Auto als sog. »Starterbatterie«. Dieser Akkutyp ist preiswert, langzeitstabil und sehr robust, aber schwer. Er hat, bezogen auf das Gewicht, nur einen geringen Energiegehalt. Blei ist ein Schwermetall. Alte Akkus müssen zurückgegeben werden und werden dann recycelt.

Die Akkutypen 2 bis 5 sind Gegenstand der nachfolgenden Experimente. Obwohl der Nickel-Kadmium-Akku nicht mehr im Handel ist, gibt es dank der Langlebigkeit dieses Akkutyps immer noch zahlreiche Akkus in der Nutzung.

Bei den Experimenten kann man die unterschiedlichen Ladeverfahren, und was es zu beachten gibt, praktisch erfahren.

5 Erster Schritt mit dem Solarmodul

Experimentieraufbau: Solarmodul, Krokodilklemmen, 2 rote LEDs

Im Lernpaket gibt es zwei rote LEDs, die sich äußerlich kaum unterscheiden lassen. Um herauszufinden, welches die Blink-LED und welches die »normale« LED ist, kann man folgendes einfache Experiment mit den Krokodilkabeln und dem Solarmodul machen: Die Krokodilkabel und Klemmen an die Anschlussdrähte des Solarmoduls anschließen, Rot an Rot und Schwarz an Schwarz. Dann die rote Krokodilklemme mit dem längeren Anschlussdraht

einer der roten LEDs und die schwarze mit dem kürzeren Anschlussdraht verbinden. Wenn etwas Licht auf das Solarmodul fällt, kann man sehen, dass die angeschlossene LED entweder blinkt oder mit Dauerlicht leuchtet.

Abb. 018: Experimentieraufbau mit Krokodilklemmen

Abb. 019: Schaltbild, links das Symbol für das Solarmodul

Normalerweise sollten LEDs mit einem Vorwiderstand betrieben werden. Da das Solarmodul nur einen begrenzten Strom liefert und es sich hier um ein Kurzzeitexperiment handelt, kann man eine Ausnahme machen, um herauszufinden, welches die dauerhaft leuchtende LED und welches die Blink-LED ist. Die Blink-LED dann mit einem Stück Klebeband für die weiteren Experimente markieren.

Abb. 020: Markierte Blink-LED

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