Batterieaufbau
Das Wort Batterie bedeutet einfach eine Gruppe ähnlicher Komponenten. Im militärischen Vokabular bezieht sich eine „Batterie“ auf eine Ansammlung von Waffen. In der Elektrizität ist eine „Batterie“ ein Satz von Voltaic-Zellen, die dafür ausgelegt sind, eine größere Spannung und/oder einen größeren Strom bereitzustellen, als dies mit einer einzigen Zelle möglich ist.
Das Symbol für eine Zelle ist sehr einfach, bestehend aus einer langen Linie und einer kurzen Linie, parallel zueinander, mit Verbindungsdrähten:
Das Symbol für eine Batterie ist nichts anderes als ein paar in Reihe gestapelte Zellensymbole:
Wie bereits erwähnt, wird die von einem bestimmten Zelltyp erzeugte Spannung strikt durch die Chemie dieses Zelltyps bestimmt. Die Größe der Zelle ist für ihre Spannung unerheblich. Um eine höhere Spannung als die Leistung einer einzelnen Zelle zu erhalten, müssen mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden. Die Gesamtspannung einer Batterie ist die Summe aller Zellspannungen. Eine typische Blei-Säure-Batterie für Kraftfahrzeuge hat sechs Zellen für eine Nennspannung von 6 x 2,0 oder 12,0 Volt:
Die Zellen einer Autobatterie sind im gleichen Hartgummigehäuse untergebracht und mit dicken Bleistäben anstelle von Drähten verbunden. Die Elektroden und Elektrolytlösungen für jede Zelle sind in separaten, unterteilten Abschnitten des Batteriegehäuses enthalten. In großen Batterien haben die Elektroden üblicherweise die Form dünner Metallgitter oder -platten und werden oft als Platten bezeichnet statt Elektroden.
Der Einfachheit halber sind Batteriesymbole normalerweise auf vier Zeilen begrenzt, die abwechselnd lang / kurz sind, obwohl die tatsächliche Batterie, die sie darstellt, viel mehr Zellen haben kann. Gelegentlich können Sie jedoch auf ein Symbol für eine Batterie mit ungewöhnlich hoher Spannung stoßen, das absichtlich mit zusätzlichen Linien gezeichnet wurde. Die Linien stehen natürlich stellvertretend für die einzelnen Zellplatten:
Wie ist die Größe der Batterie relevant?
Wenn die physikalische Größe einer Zelle keinen Einfluss auf ihre Spannung hat, was beeinflusst sie dann? Die Antwort ist Widerstand, der wiederum die maximale Strommenge beeinflusst, die eine Zelle liefern kann. Jede Voltaic-Zelle enthält aufgrund der Elektroden und des Elektrolyten einen gewissen Innenwiderstand. Je größer eine Zelle aufgebaut ist, desto größer ist die Kontaktfläche der Elektrode mit dem Elektrolyten und desto geringer der Innenwiderstand.
Obwohl wir eine Zelle oder Batterie in einem Stromkreis im Allgemeinen als perfekte Spannungsquelle (absolut konstant) betrachten, wird der Strom durch sie allein von der externen Widerstand des Stromkreises, an den es angeschlossen ist, ist dies im wirklichen Leben nicht ganz richtig. Da jede Zelle oder Batterie einen Innenwiderstand enthält, muss dieser Widerstand den Strom in einem bestimmten Stromkreis beeinflussen:
Die oben in den gestrichelten Linien gezeigte reale Batterie hat einen Innenwiderstand von 0,2 , was ihre Fähigkeit zur Stromzufuhr zum Lastwiderstand von 1 beeinflusst. Die ideale Batterie auf der linken Seite hat keinen Innenwiderstand, und daher liefern uns unsere Berechnungen des Ohmschen Gesetzes für den Strom (I=E/R) einen perfekten Wert von 10 Ampere für den Strom bei einer 1-Ohm-Last und einer 10-Volt-Versorgung. Die echte Batterie mit ihrem eingebauten Widerstand, der den Stromfluss weiter behindert, kann bei gleicher Widerstandslast nur 8,333 Ampere liefern.
Die ideale Batterie könnte im Kurzschluss mit 0 Widerstand unendlich viel Strom liefern. Die echte Batterie hingegen kann aufgrund ihres Innenwiderstands nur 50 Ampere (10 Volt / 0,2 Ω) bei einem Kurzschluss von 0 Widerstand liefern. Die chemische Reaktion in der Zelle liefert möglicherweise immer noch genau 10 Volt, aber die Spannung fällt über diesen Innenwiderstand ab, wenn Strom durch die Batterie fließt, wodurch die an den Batteriepolen für die Last verfügbare Spannung reduziert wird.
Wie verbinde ich Zellen, um den Innenwiderstand der Batterie zu minimieren?
Da wir in einer unvollkommenen Welt mit unvollkommenen Batterien leben, müssen wir die Auswirkungen von Faktoren wie dem Innenwiderstand verstehen. Typischerweise werden Batterien in Anwendungen eingesetzt, bei denen ihr Innenwiderstand im Vergleich zu dem der Schaltungslast vernachlässigbar ist (wo ihr Kurzschlussstrom ihren üblichen Laststrom bei weitem übersteigt) und die Leistung daher der einer idealen Spannungsquelle sehr nahe kommt.
Wenn wir eine Batterie mit einem niedrigeren Widerstand konstruieren müssen, als eine Zelle liefern kann (für eine höhere Stromkapazität), müssen wir die Zellen parallel schalten:
Im Wesentlichen haben wir hier das Thevenin-Äquivalent der fünf parallel geschalteten Zellen bestimmt (ein äquivalentes Netzwerk aus einer Spannungsquelle und einem Serienwiderstand). Das äquivalente Netzwerk hat die gleiche Quellenspannung, aber einen Bruchteil des Widerstands jeder einzelnen Zelle im ursprünglichen Netzwerk. Der Gesamteffekt der Parallelschaltung von Zellen besteht darin, den äquivalenten Innenwiderstand zu verringern, genauso wie parallele Widerstände den Gesamtwiderstand verringern. Der äquivalente Innenwiderstand dieser 5-Zellen-Batterie beträgt 1/5 desjenigen jeder einzelnen Zelle. Die Gesamtspannung bleibt gleich:2,0 Volt. Wenn diese Zellenbatterie einen Stromkreis mit Strom versorgen würde, würde der Strom durch jede Zelle 1/5 des gesamten Stromkreises betragen, da der Strom gleichmäßig durch parallele Zweige mit gleichem Widerstand aufgeteilt wird.
RÜCKBLICK:
- Eine Batterie ist ein Cluster von Zellen, die für eine höhere Spannungs- und/oder Stromkapazität miteinander verbunden sind.
- Zellen, die in Reihe geschaltet sind (die Polaritäten unterstützen), führen zu einer höheren Gesamtspannung.
- Die physikalische Zellgröße beeinflusst den Zellwiderstand, was wiederum die Fähigkeit der Zelle beeinflusst, Strom an einen Stromkreis zu liefern. Im Allgemeinen gilt:Je größer die Zelle, desto geringer der Innenwiderstand.
- Parallel verbundene Zellen führen zu einem geringeren Gesamtwiderstand und möglicherweise zu einem höheren Gesamtstrom.
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- Arbeitsblatt Batterien
- Arbeitsblatt zu Thevenins, Norton und Maximum Power Transfer Theorems
Industrietechnik