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8.12 Elektrische Anlage und Batterien
- 8.12.1 Grundlagen und Begriffe der Elektrotechnik
- 8.12.2 Batterien
- 8.12.5 Elektrische Bauelemente
8.12.1 Grundlagen und Begriffe der Elektrotechnik
Electrics: general and definitions
Die Grundlagen der Elektrotechnik umfassen die Begriffe Strom, Spannung und Widerstand.
Der Strom ist der Transport von elektrischen Ladungsträgern, wie beispielsweise von Elektronen in Leitern oder Halbleitern oder von Ionen in Elektrolyten.
Die Stromstärke wird in Ampere (A) angegeben.
Die Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Energie nötig ist, um eine elektrische Ladung zu bewegen. Spannung ist eine Voraussetzung dafür, dass Strom fließen kann. Die Stärke der Spannung wird in Volt (V) angegeben.
Der elektrische Widerstand ist in der Elektrotechnik ein Maß dafür, welche Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte elektrische Stromstärke durch einen Leiter fließen zu lassen. Wie groß der Widerstand ist, wird in Ohm (Ω) angegeben.
Das Ohmsche Gesetz besagt, dass bei konstanter Temperatur der Strom durch einen Leiter proportional zur Spannung an den Enden des Leiters ist und umgekehrt proportional zum Widerstand des Leiters.
8.12.2 Batterien
Batteries
Die Batterie hat die Funktion eines chemischen Speichers für die elektrische Energie, die der Generator erzeugt. Sie muss in der Lage sein, dem Anlasser kurzfristig einen hohen Strom für das Anlassen des Triebwerks zu liefern. Sie hat aber auch bei Leerlauf oder stillstehendem Triebwerk die anderen Verbraucher im Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen.
Meistens wird dazu ein Blei-Schwefelsäure-Akkumulator (u.U. mit gebundenen Elektrolyten als wartungsfreier und lageunabhängiger Blei-Gel-Akku) verwendet. Die Nennspannung des Bordnetzes (und der Batterie) beträgt 12 V.
Das Speichervermögen der Batterie wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Im Bordnetz wird die Batterie mit Spannungsbegrenzung (IU-Kennlinie) geladen. Dafür sorgt der Regler, der die Generatorspannung auf einen Wert von ca. 14 V begrenzt und damit die die Batterie vor Überladung und das Bordnetz vor Überspannungen schützt.
Die Batterien müssen stets unbeschädigt, sauber und trocken sein.
Überwinterung von Li-Ionen-Batterien
- im Haus (Keller) lagern
- Auf 50% ihrer Nennkapazität entladen
Überwinterung von Blei-Batterien
- Bei möglichst kühlen Temperaturen lagern (Keller)
- Vor der Einlagerung auf 100% aufladen.
Ein besonderes Augenmerk gilt den Lithiumbatterien.
Lithiumbatterien sind für ihre sehr hohe Energiedichte bekannt und werden daher gerne für Elektromotoren verwendet, die Propeller antreiben. Bei unsachgemäßer Verwendung oder Beschädigung können sich diese Batterien selbst entzünden.
Daher:
- Nur geeignete Ladegeräte verwenden (korrekte Ladeschlußspannung mit CCCV-Modus)
- Batterien vor mechanischer Beschädigung schützen (nicht fallenlassen)
- Batterien vor eindringender Feuchtigkeit (Kondenswasser) schützen
- Nie unter die Minimalspannung entladen
- Nie bei niedrigen Temperaturen (<5°C) laden
Da die Kapazität einer Batterie im Laufe ihres Lebens abnimmt, sollte sie hin und wieder auf ihre Restkapazität überprüft werden.
Ist die Restkapazität einer Batterie auf unter 80% ihrer ursprünglichen Kapazität gefallen, sollte sie ersetzt werden.
8.12.3 Statische Elektrizität: Grundlagen
Static electricity: general Basic principles
Statische Elektrizität ist eine Form der Elektrizität, die durch eine Ansammlung von elektrischen Ladungen auf einem Körper entsteht. Diese Ladungen können durch Reibung, Trennung oder Kontakt zwischen zwei Materialien erzeugt werden. Im Gegensatz zur fließenden Elektrizität, die wir in unserem Alltag nutzen, bleibt die statische Elektrizität an einem Ort und bewegt sich nicht weiter. Die Ladungen können sich jedoch auf andere Körper übertragen, wenn sie in Kontakt kommen.
8.12.4 Stromerzeugung, Verteilung und Verbrauch
Generation: production, distribution and use
Für die Stromerzeugung eignen sich Drehstromgeneratoren am besten. Sie liefern im Gegensatz zu Gleichstromgeneratoren auch bei niedrigen Drehzahlen ihre Nennspannung und sind bei gleicher Leistung 50.% leichter. Allerdings muss der dreiphasige Wechselstrom durch einen Gleichrichter in den im Bordnetz benötigten Gleichstrom umgewandelt werden.
Die korrekte Funktion von Generator und Regler kann am Voltmeter abgelesen werden. Ist stattdessen ein Amperemeter eingebaut, erkennt man immerhin, ob die Batterie geladen oder entladen wird.
Für jedes elektrische Gerät muss eine Überstrom-Schutzeinrichtung vorhanden sein. Hierzu dienen entweder Schmelzsicherungen oder Sicherungsautomaten. Jeder für die Flugsicherheit wesentliche Stromkreis muss separat abgesichert sein.
Abb. Elektrisches System im FlugzeugEine Hauptschaltereinrichtung ermöglicht die schnelle Trennung aller Stromquellen (Generator und Batterie) von der Hauptsammelschiene, an die alle elektrisch betriebenen Bordanlagen und Instrumente angeschlossen sind.
8.12.5 Elektrische Bauelemente
Electric components Basic elements: basic principles of switches, circuit-breakers and relays
Die Grundprinzipien von Schaltern, Leistungsschaltern und Relais sind wie folgt:
Schalter: Ein Schalter ist ein elektrisches Bauteil, das dazu dient, einen Stromkreis zu öffnen oder zu schließen. Ein Schalter besteht aus einem beweglichen Kontakt, der durch eine Feder in eine bestimmte Position gebracht wird, und einem festen Kontakt, der mit dem beweglichen Kontakt in Berührung kommt, wenn der Schalter betätigt wird. Die Stärke des Stroms, der durch den Schalter fließt, hängt von der Größe des Kontaktabstands ab. Schalter können manuell oder automatisch betätigt werden.
Auf dem Instrumentenbrett findest du etliche Schalter. Je nach Stärke des Stroms den sie unterbrechen sollen, sind sie verschieden ausgeführt.
Leistungsschalter: Ein Leistungsschalter ist ein elektrischer Schalter, der dazu dient, einen Stromkreis bei Überlastung oder Kurzschluss abzuschalten. Im Gegensatz zu Lastschaltern können Leistungsschalter auch hohe Überlastströme und Kurzschlussströme schalten. Leistungsschalter bestehen aus einem beweglichen Kontakt und einem festen Kontakt. Wenn ein hoher Strom durch den Leistungsschalter fließt, wird das Magnetfeld so stark, dass der bewegliche Kontakt angezogen wird und sich mit dem festen Kontakt verbindet. Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen.
Auf dem Instrumentenbrett findest du auch die Sicherungen, die jedes einzelne Gerät vor Überspannung schützt.
Relais: Ein Relais ist ein elektromechanischer Schalter, der dazu dient, einen Stromkreis mit Hilfe von Kleinleistungssignalen oder einem Signal zu steuern. Relais bestehen aus einem Elektromagneten, einem Anker, einer Feder und einer Reihe von elektrischen Kontakten. Die Elektromagnetspule wird über einen Schalter oder einen Relaistreiber mit Strom versorgt und bewirkt, dass der Anker so angeschlossen wird, dass die Last die Stromversorgung erhält. Die Bewegung des Ankers erfolgt über eine Feder. Somit besteht das Relais aus zwei getrennten Stromkreisen, die nur durch magnetische Verbindung miteinander verbunden sind und das Relais wird durch die Steuerung des Schaltens des Elektromagneten gesteuert.
8.12.6 Bordnetz
Distribution
Alle elektrischen Instrumente benötigen eine Stromversorgung. Bevor auf diese Instrumente eingegangen wird, erfolgt eine kleine Abhandlung über die elektrische Energieversorgung an Bord von Segelflugzeugen und die damit verbundenen Grundsätze aus der Elektrizitätslehre.
Batterie
Die Quelle der elektrischen Energie ist die Batterie oder besser gesagt der Akku. Eine Batterie ist eine Zusammenfassung elektrochemischer Zellen, in denen durch einen chemischen Prozess elektrische Energie erzeugt wird. Während dieses Prozesses kommt es zur Umwandlung der beteiligten Stoffe, die irgendwann erschöpft sind und die Stromerzeugung zum Erliegen kommt. Bei wieder aufladbaren Zellen ist dieser Vorgang reversibel. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Zelle wird eine bestimmte Spannung erzeugt.
Die elektrische Spannung wird mit der Bezeichnung U versehen und in der Einheit V [Volt] ausgedrückt.
Eine Zelle hat einen Pluspol und einen Minuspol. Bei der üblicherweise verwendeten Blei-Säure-Zelle ist die Spannung am Pluspol ca. 2 V höher als am Minuspol. Zwischen den Polen besteht eine Spannungsdifferenz von 2 V, oder anders ausgedrückt, die Zellenspannung beträgt 2 V. Werden nun mehrere Zellen in Reihe geschaltet, so addieren sich die einzelnen Zellspannungen zur Batteriespannung. Die Stromverbraucher an Bord von Segelflugzeugen sind für eine Versorgungsspannung von 12 V ausgelegt. Um einen 12-V-Bleiakku herzustellen, werden sechs Bleizellen benötigt, die in Reihe geschaltet werden.
Manchmal werden mehrere Batterien verwendet. Diese werden dann nebeneinander (parallel) angeordnet. Die Spannung bleibt gleich, aber die Kapazität der Batterie wird erhöht. Mit anderen Worten: Die Batterien halten länger.
Hinweis: Will man zwei Batterien parallelschalten, dann sollten beide Batterien auf die gleiche Spannung aufgeladen sein.
Hinweis: Manchmal wird ein Schalter verwendet werden, mit dem man zwischen Batterie 1 oder Batterie 2 wählen kann.
Die Kapazität von Batterien wird durch ihre Fähigkeit ausgedrückt, einen bestimmten elektrischen Strom für eine bestimmte Zeitspanne zu liefern. Elektrischer Strom wird mit I bezeichnet und seine Einheit ist das Ampere A. Eine Batterie mit einer Kapazität von 10 Ah kann theoretisch eine Stunde lang einen Strom von 10 A liefern. Die gleiche Batterie kann theoretisch 10 Stunden lang einen Strom von 1 A liefern, usw. In der Praxis sind diese Werte abhängig von der Temperatur und dem Zustand (Alter, Ladezyklen, Pflege) der Batterie.
Hinweis: Für ein langes Batterieleben sollten Blei-Säure-Batterien nach Gebrauch gleich wieder nachgeladen werden und nur in vollgeladenem Zustand gelagert und überwintert werden.
Ein Strom kann nur fließen, wenn der Pluspol und der Minuspol der Batterie in irgendeiner Weise verbunden sind. Eine nicht angeschlossene Batterie hat eine Spannung, aber es fließt kein Strom. Das liegt daran, dass sich zwischen den Polen der Batterie nichts als Luft befindet. Luft ist ein guter Isolator und daher ein schlechter Leiter für Elektrizität.
Mit anderen Worten: Luft hat einen sehr hohen elektrischen Widerstand. Der elektrische Widerstand wird durch mit R bezeichnet und mit der Einheit Ohm versehen, die wiederum durch den griechischen Buchstaben Omega (W) dargestellt wird. Luft ist also ein schlechter Stromleiter; Metall hingegen ist ein guter Stromleiter. Der elektrische Widerstand hängt also von der Art des Materials zwischen den Polen ab (Leiter oder Isolator). Außerdem hängt der Widerstand einer Leitung von ihrer Länge und Dicke ab. Je kürzer und/oder je dicker die Leitung ist, desto geringer ist ihr Widerstand. Wenn die Pole der Batterie über ein Stück Metall direkt miteinander verbunden sind (bitte niemals ausprobieren!), ist der Widerstand nahezu Null und es fließt - theoretisch - ein unendlich hoher Strom vom Pluspol zum Minuspol. In dieser Situation wird die Batterie "kurzgeschlossen"; dieser sehr hohe Strom geht mit einer starken Wärmeentwicklung einher und ist daher gefährlich für die Batterie, das Flugzeug und Menschen.
Zum Schutz vor den Folgen eines zu hohen Stroms befindet sich eine Sicherung an der Batterie. Dies ist ein kleines Glasrohr mit einem dünnen Draht im Inneren. Wenn der Strom zu hoch wird, schmilzt die Drahtsicherung und unterbricht den Stromkreis, um Schäden zu vermeiden.
Die Höhe des Stroms hängt von der Spannung und dem Widerstand ab. Dies wird im Ohmschen Gesetz ausgedrückt, das als I = U/R geschrieben werden kann. Es besagt, dass, wenn die Spannung U bei konstantem Widerstand R steigt, der Strom I zunimmt. Es besagt auch, dass wenn der Widerstand R bei konstanter Spannung U abnimmt, der Strom I ebenfalls zunimmt.
Moderne Batterien können ihre Spannung über einen längeren Zeitraum mehr oder weniger konstant halten, wodurch der Strom fast ausschließlich vom Widerstand der angeschlossenen Verbraucher abhängt.
Das Bordnetz wird anhand des Schaltplans eines typischen Segelflugzeugs besprochen.
Abb. Elektrisches System FlugzeugDie Verbraucher werden alle über einen Hauptschalter an den Pluspol der Batterie(n) angeschlossen. Außerdem hat jeder Verbraucher seinen eigenen Ein/Aus-Schalter.
Zusätzlich zur Hauptsicherung an der Batterie hat jeder Verbraucher seine eigene Sicherung in der Instrumententafel. Diese Sicherung schützt den Verbraucher vor den Folgen eines zu hohen Stroms, der dann auftreten kann, wenn der Verbraucher einen Defekt hat.
Merke: Da jeder Verbraucher einen eigenen Stromkreis mit einer Sicherung bekommt, können im Falle eines Schadens an einem Gerät, alle anderen noch weiter arbeiten.
Alle Verbraucher werden an 12 V angeschlossen. Je nach Anzahl der angeschlossenen Verbraucher fließt ein Strom vom Pluspol der Batterie über die Verbraucher zurück zum Minuspol der Batterie. Je mehr Verbraucher zwischen dem Pluspol und dem Minuspol angeschlossen sind, desto geringer ist der Widerstand, desto höher ist der Strom, der aus der Batterie entnommen wird. Je höher der Strom, desto schneller ist die Batterie entladen. Eine schwächelnde Batterie kündigt sich oft dadurch an, dass das Funkgerät nicht mehr senden will. Denn beim Drücken der Sendetaste wird viel Strom benötigt. Bei schlechtem Ladezustand bzw. bei weitgehend entladener Batterie kann der erforderliche Strom nicht mehr geliefert werden und das Funkgerät stellt den Sendebetrieb ein. Der Empfang anderer Funkstellen kann dagegen immer noch eine Weile funktionieren.
Am Ende eines Flugtages müssen die Batterien wieder aufgeladen werden. Dies geschieht mit speziellen Batterieladegeräten, die für den Batterietyp geeignet sind. Wenn man vergisst, die Batterie zu laden, wird die Batterie durch starke Korrosion der Zellen (Sulfatierung) beschädigt und verliert an Kapazität.
Neben der immer noch weit verbreiteten Blei-Säure-Batterie gibt es heute auch andere Batterietypen. Neben der Nickel-Metallhydrid-Batterie ist die Lithium-Batterie besonders beliebt. Im Vergleich zur Blei-Säure-Batterie haben diese Batterien ein geringeres Gewicht und eine höhere Kapazität.
Manchmal werden Solarzellen zur Stromversorgung an Bord von Segelflugzeugen eingesetzt. In Solarzellen wird Licht in Strom umgewandelt. Dies kann zum Laden einer Batterie verwendet werden.
Typische elektrische Verbraucher in Segelflugzeugen sind:
- Digitale Höhenmesser;
- GPS Geräte;
- Elektrisches Variometer;
- Funkgerät;
- Navigationscomputer;
- FLARM;
- Transponder
- Elektronisches Variometer
Anker: Batterien = Elek2; Stat El = Elek3; Stromerzeugung = Elek4; Bauelemente = Elek5; Bordnetz = Elek6
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