Ladegerät

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Ladegerät für 12-V-Starterbatterien mit Schukoanschluss netzseitig und Zangenklemmen für die Batteriepole

Ein Ladegerät wird zum Aufladen von Akkumulatoren verwendet. Die im Gerät enthaltene elektronische Schaltung, der Laderegler, steuert den Ladevorgang und setzt das Ladeverfahren um. Der Laderegler ist häufig auch direkt im akkubetriebenen Gerät eingebaut. Die Stromversorgung erfolgt dann zumeist über ein Netzteil. Bei Wechselakkus sind Halterungen zur Aufnahme und elektrischen Kontaktierung der Akkus ein bestimmendes Gestaltungselement, sie werden oft als Ladeschacht bezeichnet.

Grundlagen[Bearbeiten]

Die meisten Akkutypen reagieren empfindlich auf Tiefentladung, Überladung und Überhitzung, meist mit einer Verringerung von Lebensdauer und Kapazität bis hin zur Zerstörung. Daneben wird unter Umständen das Ladeziel, ein vollgeladener Akku nicht erreicht. Nur durch für den jeweiligen Akkumulatortyp geeignete Ladegeräte und Ladeverfahren kann eine hohe Lebensdauer und vollständige Ausnutzung der Kapazität der betreffenden Akkus erreicht werden. Die Nutzung einfacher Ladegeräte erfordert Steuerung (z.B. Zeitkriterium) und intensive Überwachung (z.B. Temperaturkriterium) des Ladevorgangs durch den Nutzer, was bei regelmäßiger Nutzung praktisch nicht sicherzustellen ist. Durch kurze Lebensdauer der Akkumulatoren und ständige Anschaffungskosten für Ersatz wird der Preisvorteil der "Billiglader" rasch aufgezehrt. Die rasante Entwicklung der Mikroelektronik hat in den letzten Jahren das Angebot für intelligente Ladegeräte in allen Preisklassen stark ansteigen lassen.

Die meisten Ladegeräte werden an Steckdosen betrieben, in Deutschland an 230 Volt, leistungsstarke Lader auch am Kraftnetz. Kleinere, meist mobile Ladegeräte, beispielsweise im RC-Modellbau, können auch mit 12 Volt, beispielsweise aus Zigarettenanzünderbuchsen, über Solarzellen oder kleine, handbetriebene Generatoren betrieben werden. Einige Ladegeräte können auch wahlweise an Wechsel- oder Gleichspannung betrieben werden.

Einige Energiequellen, beispielsweise Lichtmaschinen oder Solarzellen liefern keine konstante Leistung. Ladeverfahren, die eine konstante Energieversorgung benötigen, beispielsweise die Erkennung des Gasungsbuckels in NiMH-Akkus oder auch einfache zeitgesteuerte Verfahren sind damit nur schwer realisierbar. Bei den immer mehr Verbreitung findenden Ladegeräten mit elektronischer Laderegelung wird der Ladeschluss meist anhand der Zellspannung bestimmt.

Begriffe[Bearbeiten]

  • Steckerladegerät: Die Ladeschaltung ist im Gehäuse des Netzsteckers integriert, oft auch die Ladeschächte. Nicht zu verwechseln mit einem Steckernetzteil, dass nur eine definierte Spannung oder einen konstanten Strom bereitstellt.
  • Schnellladegerät: Der Begriff ist nicht genau definiert. Er bezeichnet Ladegeräte, die deutlich schneller als "Standardlader", also mit höheren Strömen laden. Meist sind Ladegeräte mit Ladeströmen >0,1 C, also Ladegeräte, die den Akku in deutlich weniger als 10 Stunden aufladen, gemeint.
  • externes Ladegerät: Ladegeräte, die nur zum Aufladen mit dem Gerät verbunden werden, beispielsweise Steckerladegeräte oder netzgestützte Ladegeräte für Starterakkus in Fahrzeugen.
  • Ladeschacht: Halterung für Akkus mit elektrischen Kontakten, manchmal auch Temperatursensoren
  • Ladeschale: Halterung für ein Gerät mit eingebauten Akkus und elektrischen Kontakten zum Aufladen, beispielsweise für tragbare Telefone; mit weiterreichenden Funktionen oft auch als Dockingstation bezeichnet.
  • USB Ladekabel: Steckerladegerät mit USB Verbindung für vielerlei Geräteanwendungen (Digitalcamers, Handys, Spiele Konsolen etc.)
    USB Ladekabel für Mobiltelefon

Ladestrom[Bearbeiten]

Der Ladestrom bezeichnet die Stromstärke mit der ein Akku geladen wird. Er wird als absoluter Wert in Ampere angegeben, es hat sich jedoch in der Akkutechnik auch etabliert, den Strom für das Laden und auch das Entladen im Verhältnis zur Kapazität des Akkus in Amperestunden (Ah) anzugeben um so die Belastung des Akkus zu beschreiben (siehe auch Peukert-Gleichung). Ein Akku mit einer Kapazität von einer Amperestunde, der mit einem Ladestrom von zwei Ampere geladen wird, wird mit 2C geladen, also dem zweifachen der Kapazität. Ist der Ladestrom geringer wird ein Verhältnis zur Kapazität angegeben beispielsweise C/2 für 0,5A (auch die Angabe von 0,5C ist üblich) im vorgenannten Beispiel. Die Angabe als Bruch ist insofern begründet, als dass sich so sehr anschaulich die Zeit erkennen lässt, in der die Nennkapazität ge- oder entladen wird. Bei C/2 sind es 2 Stunden. Für Bleiakkus ist die Angabe der Nennkapazität bei C/20, also einer Entladung über 20 Stunden üblich, bei anderen Akkutypen sind je nach Anwendungsfeld auch kürzere Zeiten verbreitet.

Ladegeräte[Bearbeiten]

Lader bestehen oft aus einem separaten Steckernetzteil und einer im Gerät beim Akku untergebrachten Ladeschaltung – das Steckernetzteil liefert in diesem Fall nur die transformierte, aber ansonsten ungeregelte Spannung. Das ist insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkus üblich, da deren Ladeschlussspannung und Temperatur ansonsten nicht exakt genug gemessen werden kann. Das Steckernetzteil transformiert die Netzspannung auf eine niedrigere Wechsel- oder Gleichspannung, beispielsweise auf 9 Volt.

Manchmal ist die Lade-Elektronik in den Akku selbst integriert, beispielsweise bei mobilen Stromspeichern, wie sie für USB-Geräte angeboten werden. Fest an bestimmte Geräte angepasste Akkus, wie die auch bei Mobiltelefonen und tragbaren Computern verwendeten Lithium-Ionen-Akkus besitzen jedoch meist lediglich eine interne Schutzschaltung, die bei Übertemperatur, Kurzschluss, Unter- oder Überspannung abschaltet. Als reines Sicherheitselement erfüllt sie nicht die Funktion eines Ladereglers. Weiterhin enthalten diese Akkus oft separat herausgeführte Temperatursensoren, mit denen von der Ladeschaltung die Temperaturgrenzen überwacht und der Ladewirkungsgrad ausgewertet wird.

Im RC-Modellbau verfügen die Lithiumakku-Ladegeräte oft über integrierte Balancer.

Starterbatterien in Kraftfahrzeugen werden mit einem Laderegler aus der Lichtmaschine geladen. Hierbei steuert der Laderegler den Erregerstrom der Lichtmaschine, um last- und drehzahlunabhängig die Ladeschlussspannung (beim 12-Volt-Bordnetz sind dies 13,8 bis 14,2 Volt) zu regeln.

Einfache Ladegeräte[Bearbeiten]

Ladegerät ohne Netztrennung für Knopfzellen einer Hörhilfe (ca. 1969)

Schlichte Ladegeräte laden einen Akku mit konstantem Strom (z.B. Nickel-Cadmium-Akkus) oder konstanter Spannung (z.B. Bleiakkumulatoren). Sie besitzen keine weiteren Einrichtungen zur Steuerung, Überwachung und Beendigung des Ladevorgangs und verfügen gelegentlich über eine zeitgesteuerte Abschalteinrichtung. Für viele Akkus sind Ladezeit und Ladestrom angegeben, sodass die Ladung nur bei Kenntnis des Entladezustandes annähernd richtig erfolgen kann. Diese Einschätzung muss jedoch durch den Bediener getroffen werden. Fehleinschätzungen führen zum Überladen oder nicht vollständig geladenen Akkus. Bei fehlender Abschaltung kann es ebenfalls zum Überladen der Akkus kommen, da grundsätzlich bei menschlichen Handlungen auch von Fehlbedienung (z.B. Vergessen) auszugehen ist. Schnellladung und eine Ladezustandsüberwachung sind mit diesem Gerätetypus nicht möglich.

Über mehrere Ladevorgänge gesehen zerstört dies das elektrochemische System im Akku und macht die Zelle unbrauchbar. Die Zellen verlieren an Kapazität und sind nicht mehr belastbar. Durch massive Überladung kann sich im Inneren des Akkus durch Gasbildung Druck aufbauen. Wird er zu groß, löst er ein Sicherheitsventil aus, sodass Gase und Elektrolyt austreten. Das ist eine Sicherheitsfunktion, um den Akku vor dem Bersten zu schützen.

Bei Paarladern werden zwei hintereinander geschaltete Zellen gleichermaßen geladen. Sie sind nur für Zellen gedacht, die auch paarweise benutzt werden. Unterscheiden sich diese beiden Zellen in ihrem Ladezustand, so wird der volle Akku längere Zeit überladen bzw. der leere Akku nicht vollständig aufgeladen. Teils erkennt das Ladegerät bei entsprechender Ladeelektronikausstattung den Ladeschluss nicht mehr richtig, wobei dann beide Zellen überladen werden, falls nicht weitere Sicherheitsmaßnahmen wie eine zeitgesteuerte Abschaltung oder die Temperaturüberwachung den Ladevorgang beenden.

Elektronische Ladegeräte[Bearbeiten]

Elektronische, gern auch als intelligent bezeichnete Ladegeräte verfügen über komplexere elektronische Ladeschaltungen oder über einen eingebauten Mikrocontroller und können dadurch aufwendigere dem Akkutyp angepasste Ladeverfahren realisieren. Eine exakte Erkennung der Vollladung des angeschlossenen Akkus aufgrund des Gasungsbuckels (siehe hierzu Ladeverfahren) erlaubt die sichere Schnellladung ohne die Gefahr einer akkulebenszeitverkürzenden Überladung. Weitere Eigenschaften sind zum Beispiel die automatische Entladung der Akkus vor Ladebeginn, oder Ladeprogramme, die durch mehrmaliges Laden und Entladen die Zellen regenerieren sollen, das automatische Umschalten auf Erhaltungsladung nach Ladeende und die Variation der Ladeströme und deren Überwachung anhand der Temperatur (Temperaturkompensation).

Intelligente Ladegeräte für einzelne Zellen besitzen eine Einzelschachtüberwachung. Bei ihr wird die Zellspannung, oft auch die Zelltemperatur einer jeden Akkuzelle individuell überwacht. Einige Geräte können auch die Kapazität über Lade- und Entladeprogramme bestimmen. So lassen sich verschlissene oder defekte Zellen leicht identifizieren. Das unabhängige Laden der Einzelzellen vermeidet Überladung von einzelnen Zellen oder das nicht vollständige Aufladen, wie es in Akkupacks oder Mehrfachladern auftreten kann. Es stellt auch eine Form des manuellen Balancings dar.

Ladegeräte für Akkupacks sind oft in der Lage die Zellenzahl selbst zu bestimmen und die Ladeparameter darauf abzustimmen.

Solarladegeräte[Bearbeiten]

Mobile faltbare Solarmodule und Ladetechnik

Grundsätzlich lassen sich kompakte Geräte mit Solarzellen auf dem Gehäuse und Geräte, bei denen Solarmodul und Ladeeinheit/Akku getrennt sind, unterscheiden. Bei getrennter Bauweise und bei größeren Photovoltaikanlagen werden die Komponenten als Solarmodul, Solar-Laderegler und Akku bezeichnet. Im tragbaren Bereich, speziell für Geräte, die über die USB-Schnittstelle geladen werden, aber auch für Einzelzellen (vor allem AA und AAA) existieren verschiedenste Solarladegeräte, die das Bedürfnis nach regenerativer und mobil verfügbarer Energie erfüllen sollen.

Während bei Geräten mit geringem Energiebedarf, beispielsweise Radios oder Uhren auch bereits kleine Solarzellenflächen ausreichen, sind zum Aufladen von Mobiltelefonen oder Mignon-Zellen deutlich größere Solarzellenflächen notwendig. Häufig werden kurze Ladezeiten auch bei ungünstiger Sonneneinstrahlung (z.B. hinter Fenstern) erwartet. Geräte mit kleinen Solarzellen, die oft nur die Größe eines Smartphones haben, können diese Erwartung in der Regel nicht erfüllen. Sie sind nur unter optimalen Bedingungen überhaupt in der Lage einen relevanten Ladestrom zu liefern. Bei integrierten Akkus kommt erschwerend hinzu, dass die Geräte im prallen Sonnenlicht positioniert werden müssen. Dabei heizt sich das gesamte Gerät inklusive Akku stark auf, was der Akkulebensdauer abträglich ist.

Bei reinen Solarmodulen ohne Pufferung bricht schon bei leichten kurzzeitigen Verschattungen die Leistung stark ein. Werden Geräten mit elektronischer Erkennung der Spannungsversorgung geladen, so führt dies zum Abbruch des Ladevorgangs, der dann geräteabhängig nicht zwangsläufig automatisch fortgesetzt wird. Hier bieten sich jedoch spezielle Pufferakkus mit integrierten Solarladeregler oder auch einfache externe USB-Akkus an, die im Schatten des Solarmoduls positioniert werden können. Nicht alle der letztgenannten Geräte können jedoch gleichzeitig über das Solarmodul aufgeladen werden, während sie Energie an das Endgerät abgeben.

Qi-Ladegeräte[Bearbeiten]

Qi-Logo

Eine neue Entwicklung im Bereich der Ladegeräte sind Qi-Ladegeräte, die den Qi-Standard zur induktiven Übertragung von Energie nutzen. Der geräteübergreifende Standard wurde vom Wireless Power Consortium entwickelt und zielt derzeit noch hauptsächlich auf Smartphones ab. Theoretisch ließen sich aber beliebige Kleingeräte entsprechend ausrüsten und so kabellos aufladen.

Damit ein Gerät den Qi-Standard nutzen kann, benötigt es einen speziellen Qi-Empfänger. Einige Smartphones, wie etwas das Google Nexus, enthalten bereits ein internes Empfängermodul. Für Smartphones verschiedener Hersteller sind externe Qi-Empfänger mit Micro-USB-Anschluss verwendbar. Module für proprietäre Anschlüsse wie beim Apple iPhone sind ebenfalls erhältlich.

Qi-Ladegeräte haben grundsätzlich einen niedrigeren Wirkungsgrad als herkömmliche Ladegeräte, das Laden dauert entsprechend länger als mit kabelgebundenen Ladegeräten. Dem gegenüber steht der mit den kabellosen Technologie verbundene Komfortgewinn.

Siehe auch: Qi (induktive Energieübertragung)

Literatur[Bearbeiten]

  • Philipp Brückmann: Autonome Stromversorgung: Auslegung und Praxis von Stromversorgungsanlagen mit Batteriespeicher. Ökobuch, Staufen bei Freiburg 2007, ISBN 978-3-936896-28-2.
  • Ulrich Passern: Akkus & Ladegeräte für den Modellsport: Grundlagen, Ladetechniken, Praxistipps (mit CD-ROM). vth, Baden-Baden 2004, ISBN 3-88180-736-5.
  • Ludwig Retzbach: Akkus und Ladegeräte. 14. Auflage, Neckar, Villingen-Schwenningen 2008, ISBN 978-3-7883-4142-8.
  • Thomas Riegler: Solarstrom effizient nutzen: Alles über Solarpanels, Solar-Akkus, Laderegler und Wechselrichter. vth, Baden-Baden 2008, ISBN 978-3-88180-847-7 (= Funk-Technik-Berater).
  • Thomas Riegler: Akkus und Ladegeräte. vth, Baden-Baden 2009, ISBN 978-3-88180-785-2.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Ladegeräte – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Ladegerät – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen