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Elektrotechnische Grundlagen im Auto - Arten der Spannungserzeugung

Spannung erfordert einen Unterschied an Ladungen, das bedeutet folglich auch: Will man Spannung erzeugen, muss man Ladungen trennen. Und werden Ladungen getrennt, muss zur Überwindung dieser Anziehungskraft Energie aufgewendet werden, die in den getrennten Ladungen gespeichert wird. Weil Ladungen dazu neigen, sich wieder auszugleichen, besteht zwischen ihnen eine Kraftwirkung, eine Spannung. Alle Bauteile, die elektrische Spannung liefern, nennen wir elektrische Spannungsquellen. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie dies umgesetzt werden kann.

Spannungserzeugung

Es gibt viele Möglichkeiten, wie Spannung erzeugt werden kann (Grafik: kfztech.de)

Auf „natürliche“ Weise entsteht elektrische Spannung zum Beispiel durch Reibung, bei Gewittern und bei Redoxreaktionen. Zur technischen Nutzung werden Spannungen meistens durch elektromagnetische Induktion sowie durch Elektrochemie erzeugt. Auch im Automobil verhält es sich so. Ohne das Zusammenwirken von Generator und Batterie liefe heute kein modernes Fahrzeug mehr.

Tabelle 1 bietet hierzu einen Überblick.

Erzeugung durch Bauelement Spannungsbereich Kfz

Elektromagnetische Induktion

  • Induktion der Bewegung
  • Induktion der Ruhe
  • Magnetfelder
  • Generator, Dynamo, Induktionsgeber
  • Transformator
  • Hall-Generator
  •   bis 500 V
  • mehrere kV
  • im mV-Bereich
Elektrochemische Vorgänge / Chemische Umwandlung Batterie, Akku (Galvanisches Element), Brennstoffzelle, Lambdasonde bis 24 V
Druck oder Biegung / Kristallverformung (Piezo-Effekt) Klopfsensor
Drucksensoren
im mV-Bereich
Licht (Lichtelektrischer Effekt, Photoelektrischer Effekt) Fotoelement, Solarzelle mV bis V
Erwärmung (Seebeck Effekt) Thermoelement mV-Bereich
Reibung / Spannungserzeugung durch Elektrostatische Entladung Entzündung von Kraftstoff durch elektrostatische Entladung bis kV

Elektromagnetische Induktion

Ursache für die Spannung, die ein Generator liefert, ist die Induktion. Darunter versteht man die Erzeugung elektrischer Spannung durch die Änderung eines Magnetfelds (Magnetflusses) in einer Spule oder Leiterschleife. Bewegt man beispielsweise einen Magneten in einer Spule (oder umgekehrt) hin und her, so entsteht in der Spule eine Wechselspannung. Man nennt diesen Vorgang auch Induktion der Bewegung. Die Spannung wird nur so lange erzeugt, wie sich der magnetische Fluss in der Spule ändert. Unter magnetischem Fluss versteht man die Gesamtzahl der magnetischen Feldlinien, die von der Spule umfasst werden. Die Höhe der induzierten Spannung ist abhängig von der Anzahl der Windungen der Spule und von der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses.

Im Kfz erzeugt neben dem Generator noch der Induktionsgeber auf diese Weise Spannung, um als Sensor für die Drehzahl des Motors oder der Räder zu dienen.

Drehstrom Generator

Das Kraftwerk im Automobil, der Drehstromgenerator – dahinter zerlegt in seine Hauptbauteile Gehäusevorderteil mit Rotor, Stator, Gehäuserückseite mit Diodenpalatte, Regler, Kunststoffabdeckung (Bild: Bosch)

Das Ändern des magnetischen Flusses kann aber noch auf andere Weise erfolgen, als durch Bewegen von Spule oder Magnet. Ändert man die Stromstärke periodisch in einem Transformator oder schaltet den Strom in einer Spule ein oder aus, so wird auch eine Spannung induziert. Hier spricht man auch von der Induktion der Ruhe, da keine Bewegung erforderlich ist.

Beispiele für die Anwendung in einem Automobil sind Transformatoren wie die Zündspule, bei der der Primärstrom im Zündzeitpunkt ausgeschaltet wird oder das Ein- und Ausschalten des Erregerstroms im Generator um die Erregerspannung zu regeln. Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die sich auf einem gemeinsamen Eisenkern befinden. Die Eingangswicklung (Primärwicklung) nimmt Energie auf, erzeugt ein Magnetfeld und gibt dieses an den Eisenkern und an die Ausgangswicklung (Sekundärwicklung) weiter. Das magnetische Wechselfeld, durch Wechselspannung oder periodisches Ein- und Ausschalten, induziert in der Sekundärwicklung eine Spannung. Die Primärspannung verhält sich zur Sekundärspannung wie die Windungszahl von Primärwicklung zur Sekundärwicklung.

Ein Hallgeber besitzt als Hauptbauteil einen Hall-Generator. Seine Halbleiterschicht wird von einem Versorgungsstrom durchflossen. Befindet sich senkrecht zur Halbleiterschicht ein Magnetfeld, so werden die freien Elektronen der des Halbleiters auf eine Seite gedrängt, es entsteht die Hallspannung. Hallsensoren werden im Kfz zur Drehzahlerfassung und als Bezugsmarkengeber verwendet.

Elektrochemische Vorgänge

Da die Spannung eines Generators immer nur dann vorhanden ist, wenn dieser auch läuft, benötigt man auch noch eine Möglichkeit Spannung zu speichern. Hier bietet sich als Lösung die Batterie, besser gesagt der Akkumulator an.

Batterie Varta

Die Batterie sorgt für die notwendige Energie, wenn der Motor nicht läuft

Eine Batterie in seiner ursprünglichen Form ist ein Galvanisches Element. Wenn man zwei verschiedene Metalle in eine elektrisch leitende Flüssigkeit (Elektrolyt) taucht, dann ist zwischen den beiden Polen (Elektroden) eine Gleichspannung vorhanden. Die Höhe der Spannung in einem Galvanischen Element ist dabei von der Stellung der Werkstoffpaarung der Elektroden in der Elektrochemischen Spannungsreihe abhängig (Tabelle 2). Bei der Stromentnahme erfolgt eine chemische Umwandlung im Inneren, der Elektrolyt wird zersetzt und das Elektrodenmaterial zersetzt bzw. umgewandelt. Galvanische Elemente, bei denen sich der chemische Umwandlungsprozess durch Laden umkehren lässt, nennt man Akkumulatoren. Bestes Beispiel ist die Starterbatterie.

Elemente (Auswahl) Spannung
Gold (Au) + 1,50 V
Platin (Pt) + 0,86 V
Silber (Ag) + 0,80 V
Kohle (C) + 0,74 V
Kupfer (Cu) + 0,34 V
Wasserstoff (H2) 0 V
Blei (Pb) - 0,13 V
Zinn (Sn) − 0,14 V
Nickel (Ni) − 0,23 V
Cadmium (Cd) − 0,40 V
Eisen (Fe) − 0,44 V
Zink (Zn) − 0,76 V
Aluminium (Al) − 1,67 V
Magnesium (Mg) − 2,40 V
Lithium (Li) − 2,96 V

Aber auch bei der Lambdasonde, dem Sauerstoffsensor im Abgasstrom, entsteht auf chemischem Wege durch Ladungstrennung eine kleine Spannung zwischen 0,1 und 0,9 V. Und die Brennstoffzelle, als künftiger Energielieferant seit Jahren angekündigt, ist auch ein kleines Chemie-Kraftwerk, das auf die Zerlegung von Wasser spezialisiert ist und als Nebenprodukt freie Elektronen liefert.

Kristallverformung

Übt man auf einen Kristall wie z.B. Siliziumdioxid einen Druck aus, so entsteht eine Spannung, weil an der Oberfläche des Quarzkristalls eine Ladungstrennung erfolgt. Solche Piezoelemente eignen sich hervorragend als Sensoren, bei denen sich schnell verändernde Drücke erfasst werden müssen.

Ladungstrennung Kristallverformung Piezo

Übt man auf einen Quarzkristall Druck aus, verformt sich dieser und es entsteht eine Ladungstrennung an der Oberfläche (Grafik: kfztech.de)

Im Automobil werden sie deshalb als Klopfsensoren im Verbrennungsmotor eingesetzt. Bei klopfender Verbrennung kann dadurch der Zündzeitpunkt gezielt in Richtung früh gelegt werden, um möglichst viel Leistung herauszuholen und gleichzeitig der Motor vor Verschleiß geschützt werden.

Klopfsensor Signal

 

Der Klopfsensor liefert bei klopfender Verbrennung das obere Signal und bei normaler Verbrennung das untere (Grafik: Bosch)

Licht

Wenn man eine unoxidierte Metalloberfläche oder einen Halbleiter mit kurzwelligem Licht bestrahlt, findet eine Ladungstrennung statt. Dieser lichtelektrische Effekt (Fotoeffekt) wird heute mit Halbleitern wie Selen und Silizium bei Fotoelementen und Solarzellen technisch umgesetzt. Im Automobil werden diese als Fotodiode oder Fototransistor bei lichtabhängigen Steuerungen, wie z.B. als Abblendsteuerung von Innenspiegeln eingesetzt. Solarzellen finden heute z.B. auf Wohnmobildächern als zusätzliche Spannungsquelle Verwendung.

 

Photozelle Solarzelle Prinzip

Im Halbleiter findet aufgrund des Lichteinfalls eine Ladungstrennung statt, die Solarzelle liefert Spannung.(Grafik: kfztech.de)

Erwärmung

Verbindet man zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen miteinander und erwärmt dann die Verbindungsstelle, so entsteht zwischen den beiden Drahtenden eine Spannung. Die Höhe der Spannung ist abhängig von der Drahtpaarung und der Temperatur. Dieser Effekt wird als Seebeck-Effekt bezeichnet. Solche Thermoelemente nutzt man z.B. zur Temperaturmessung oder zur Steuerung von elektrischen Kühler-Lüftern. Thermoelemente heißen auch Thermoelektrische Generatoren (TEG), wenn sie elektrische Energie bereitstellen. BMW hatte in einem Projekt versucht, aus der Abgaswärme mit Hilfe eines TEG Strom zu gewinnen. Sonst spielen Thermoelemente im Kfz keine große Rolle.

Thermoelement

Schema eines Thermoelements (Wikipedia Arne Hückelheim)

Reibung

Die Reibungselektrizität ist die älteste, weil erstmals beobachtete Elektrizitätsform überhaupt. Sie beruht auf dem Übergang von Elektronen zwischen zwei sich berührenden Stoffen, sobald diese unterschiedliche Ladungen aufweisen. Es gehen solange Elektronen aufs „spannungsärmere“ Material über, bis die sich die Ladungen ausgeglichen haben. Durch das Reiben der Stoffe aneinander wird vorübergehend eine hinreichende Annäherung der Stoffe erreicht.

Jeder kennt aus eigener Erfahrung das Knistern des Pullovers beim Ausziehen. Im Dunkeln ist dabei oft sogar ein Funken sichtbar. Die elektrostatische Anziehung zwischen Kunststofflineal und Löschpapierschnipseln hat man vielleicht auch schon mal im Klassenzimmer ausprobiert. Dem Kfz-Mechatroniker sind sicher auch noch weitere Beispiele der Reibungselektrizität aus dem Alltag oder dem Schulunterricht bekannt.

In so mancher Kfz-Werkstatt hat ein „winziger“ Funkenüberschlag an der Tankklappe oder beim Ablassen von Benzin schon zu schlimmen Bränden geführt. Der Grund: Der Kraftstoff war statisch aufgeladen und hat sich via Funken schlagartig wieder entladen (Ausgleichsbestreben!). Deshalb müssen auch Tanklastzüge vor dem Laden und Entladen durch Erdung vor Funkenbildung geschützt werden. Und jeder Kfz-Mechatroniker weiß bzw. sollte gelernt haben, dass er, bevor er Steuergeräte ausbaut, sich selbst zuvor erden muss, um einer eventuellen Zerstörung der empfindlichen Elektronik vorzubeugen.

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Quelle für Text und Bild: Wikipedia, Elektronik-Kompendium, Bosch, Europa Fachkundebuch,  Horst Weinkauf

Dieser Artikel wurde bereits einmal im Technikprofi veröffentlicht.

 

 

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Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 19.02.2015









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