Bordspannungssteckdose
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Eine Kfz-Zusatzsteckdose (auch Zigarettenanzünder oder Zusatzsteckdose genannt) in einem Kraftfahrzeug war ursprünglich für die Stromversorgung eines elektrisch beheizten Zigarettenanzünders gedacht, hat sich jedoch zu einem Standard-Gleichstromanschluss entwickelt, um tragbare Zubehörteile, die in oder in der Nähe eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, direkt über das Bordnetz mit Strom zu versorgen. Dazu gehören Ladegeräte für Mobiltelefone, Kühlgebläse, tragbare Kühlschränke, elektrische Luftpumpen und Wechselrichter. ⓘ
In den meisten Fahrzeugen ist mindestens eine Steckdose vorhanden. Einige Fahrzeuge verfügen über mehrere Steckdosen: in der Regel eine für die Beifahrer, eine für die Fondpassagiere und eine für den Kofferraum. ⓘ
Die Spannung der Steckdose liegt in der Regel bei 12 V Gleichstrom und kann bei laufendem Motor auf 13,5 V bis 15 V erhöht sein. ⓘ
Der 12-V-Stromkreis wird durch eine Kfz-Sicherung geschützt, die oft einen Nennwert von 10 bis 20 Ampere hat, was einer Leistung von 120 bis 240 Watt entspricht. Große Geräte wie Haartrockner oder Toaster verbrauchen zu viel Strom, um über eine Zusatzsteckdose versorgt zu werden. Wird eine leere Autobatterie direkt und nicht über die Zündung angeschlossen, kann sie über die Steckdose von einer externen Stromquelle aufgeladen werden, was bequemer, wenn auch langsamer ist als die Stromzufuhr über Stromzangen an der Autobatterie. ⓘ
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Je nach Wagen könnte die Stromversorgung direkt zur Autobatterie („Dauerplus“) oder über die Zündung („Zündungsplus“) geschaltet sein. Ersteres ermöglicht Stromversorgung im Auszustand und ohne eingesteckten Zündschlüssel. ⓘ
Die Spannung wird beim eingeschalteten Motor durch den Betrieb der Lichtmaschine zum Aufladen der Autobatterie leicht angehoben. Dies hat keine Auswirkung auf den Betrieb dafür ausgelegter angeschlossener Geräte. ⓘ
Geschichte
Das elektrische Zigarrenfeuerzeug wurde Anfang der 1880er Jahre von dem schweizerisch-österreichischen Erfinder Friedrich Wilhelm Schindler [de] erfunden und patentiert. In den 1890er Jahren wurden diese Geräte als elektrische Zigarrenanzünder, später als Zigarrenanzünder in den großen deutschen Lagerkatalogen verkauft. Vermutlich in den 1920er Jahren wurden sie in "Zigarettenanzünder" umbenannt, als die Zigaretten die Zigarren beim Absatz überholten. ⓘ
1921 wurde das Morris U.S. Patent 1,376,154 für ein so genanntes "kabelloses" oder "schnurloses" Feuerzeug mit einem herausnehmbaren Element erteilt. Der Anzünder wurde in der Steckdose erhitzt und nach einer angemessenen Zeitspanne manuell herausgenommen. ⓘ
In den Vereinigten Staaten wurden Zigarettenanzünder in den Jahren 1925-1926 als Standardausrüstung in Autos eingeführt. ⓘ
Im Jahr 1928 patentierte die Connecticut Automotive Specialty Company (Casco) in Bridgeport ihre Version eines Zigarettenanzünders für Kraftfahrzeuge, der mit einer Schnur und einer Rolle ausgestattet war. Bei den Spulenfeuerzeugen war die Zündeinheit über ein Kabel, das auf eine Federtrommel aufgewickelt war, mit einer Stromquelle verbunden, so dass die Zündeinheit und das Kabel aus der Steckdose gezogen und zum Anzünden einer Zigarre oder Zigarette verwendet werden konnten. Wenn der abnehmbare Stecker wieder in die Steckdose gesteckt wurde, wurden die Drähte wieder in die Steckdose gewickelt. Der Stromkreis wurde entweder durch Drücken eines Knopfes oder durch Herausziehen des Anzünders aus der Steckdose geschlossen. ⓘ
Der moderne "automatische" herausnehmbare V-Coil-Anzünder für Kraftfahrzeuge wurde 1956 von Casco entwickelt und erhielt 1960 das US-Patent 2.959.664. ⓘ
Technische Ausführung
Die Steckdosen und Gegenstecker sind in der ANSI/SAE J563-Spezifikation festgelegt. Bei 12-Volt-Systemen ist der Mittelkontakt der Pluspol und die Außenhülle der Minuspol. Bei den meisten Automobilen ist der Minuspol mit dem Fahrzeugrahmen verbunden (negative Masse). ⓘ
12-Volt-Autostecker werden nach einer Norm der Underwriters Laboratories für Sicherheit hergestellt. Die Norm UL2089 wurde entwickelt, um die Anforderungen an tragbare Adapter mit 24 V Gleichstrom oder weniger zu erfüllen, die für die Stromversorgung über das batteriebetriebene elektrische System eines Fahrzeugs vorgesehen sind. Zu den Produkten, die von der Norm abgedeckt werden, gehören Kabel mit einem Stecker, der in die Standard-Zigarettenanzünderbuchse in Kraftfahrzeugen passt. ⓘ
- 6-Volt-Zigarettenanzünderbuchse und -stecker ⓘ
- Innendurchmesser der Steckdose: 21,34-21,46 mm (Median 21,4 mm)
- Durchmesser des Steckergehäuses: 21,08-21,23 mm (Mittelwert 21,155 mm) ⓘ
- 12-Volt-Zigarettenanzünder-Steckdose und -Stecker, Größe A ⓘ
- Buchseninnendurchmesser: 20,93-21,01 mm (Median 20,97 mm)
- Durchmesser des Steckergehäuses: 20,73-20,88 mm (Median 20,805 mm)
- Am häufigsten in amerikanischen Automobilen verwendet ⓘ
- 12-Volt-Zigarettenanzünder-Steckdose und -Stecker, Größe B ⓘ
- Innendurchmesser der Buchse: 21,41-21,51 mm (Median 21,455 mm)
- Durchmesser des Steckergehäuses: 21,13-21,33 mm (Mittelwert 21,18 mm)
- Am häufigsten in europäischen Automobilen verwendet, manchmal auch als zweite Steckdose in amerikanischen Automobilen speziell für Gleichstromanschlüsse. ⓘ
Die Stecker verfügen oft über eine LED-Kontrollleuchte, die anzeigt, dass Strom angeschlossen ist. Optional kann der Stecker mit einer internen Sicherung für die elektrische Sicherheit ausgestattet sein, die in der Regel für 10 Ampere oder weniger ausgelegt ist. Bei einigen Ausführungen kann die Spitze des Steckers abgeschraubt werden, um eine zylindrische Glassicherung freizulegen; andere Varianten verwenden eine klingenartige Sicherung, die in die Seite oder Rückseite des Steckers eingesetzt wird. ⓘ
Die eigentliche Bordspannungs- oder Autosteckdose nach DIN ISO 4165 ist kleiner (12 mm Durchmesser) als der Zigarettenanzünder nach der Norm SAE J563 (etwa 21 mm Durchmesser). Die kleinere Variante bietet meist sichereren Kontakt, weil der Stecker durch eine einrastende Feder am Pluspol arretiert wird, während der Stecker der größeren Variante nur durch die Reibung der seitlichen Kontaktfedern gehalten wird. Manche Stecker sind als Kombistecker ausgeführt, sie verjüngen sich im vorderen Bereich (wobei meistens ein – oft mit Bajonettverschluss befestigter – isolierender Adapter die Führung in der größeren Steckdose sicherstellt und eventuelle Kurzschlüsse vermeidet) und sind in beiden Steckdosenvarianten einsetzbar. ⓘ
Fast immer ist der innere Kontakt Plus (+) und der äußere die Masse (−). ⓘ
In den meisten mit einer Spannung von 12 V ausgestatteten PKWs ist die Bordspannungssteckdose durch eine elektrische Sicherung geschützt. Die Steckdosen in PKWs sollten jedoch nicht allzu stark belastet werden, da die zum Anschluss an die Autobatterie verwendeten Leitungsquerschnitte üblicherweise 1 mm² betragen, was für eine maximale Stromstärke von lediglich 13 Ampere zulässig wäre, selbst wenn die Sicherung für höhere Ströme ausgelegt ist. Daher ist der Anschluss eher geeignet für kurzzeitig höhere Ströme, wie beispielsweise einen Zigarettenanzünder oder für elektronische Geräte mit einem geringen Stromverbrauch wie Navigationsgeräte oder Mobiltelefone. ⓘ
Die genormten Maße gemäß SAE J563 betragen für ⓘ
Größe A wird hauptsächlich in amerikanischen Autos, Größe B hauptsächlich in europäischen Wagen verbaut. Der Zubehörhandel bietet Adapter von ISO 4165 auf SAE J563 an. ⓘ
Verwendet
Feuerzeug
Der Zigarettenanzünder ist ein Metall- oder Kunststoffzylinder, der eine dünne flache Spule aus Nichrom-Metallstreifen enthält, durch die ein hoher Strom (≈10 Ampere) fließt, wenn das Gerät aktiviert wird, in der Regel durch Einstecken in die Steckdose, als wäre es ein Druckknopf. Beim Einstecken wird das Feuerzeug gegen die Kraft einer Feder von einem Clip gehalten, der an einem Bimetallstreifen befestigt ist. Das Heizelement glüht in Sekundenschnelle orangefarben auf, wodurch sich der Bimetallstreifen verbiegt und den Mechanismus auslöst. Der Griff springt heraus, so dass der Benutzer den Heizvorgang nicht mehr timen muss. Wenn das Feuerzeug dann sofort aus der Steckdose gezogen wird, kann es eine Zigarette, Zigarre oder Zunder anzünden. ⓘ
In den 1960er bis 1970er Jahren waren italienische Autos wie Alfa Romeo und Ferraris häufig mit dem Brico Pram Feuerzeug ausgestattet, das sich von den herkömmlichen Modellen dadurch unterscheidet, dass das Feuerzeug nicht herausgezogen werden kann, um eine Zigarette anzuzünden, auch wenn es optisch dem traditionellen Design ähnelt. Stattdessen befindet sich in der Mitte des Feuerzeugs eine konische Öffnung, in die der Benutzer eine Zigarette einführen kann, bis sie das Heizelement berührt. Der Rand des Griffs wird dann nach unten gedrückt, um das Feuerzeug zu aktivieren, das Heizelement zündet dann die Zigarette an und schaltet den Stromkreis mit einem hörbaren "Ping" ab, sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist, wie bei einem herkömmlichen Feuerzeug. Der Vorteil einer solchen Konstruktion liegt in der Sicherheit, da das rotglühende Heizelement nicht versehentlich auf den Schoß eines Fahrzeuginsassen fallen kann. Allerdings kann das Feuerzeug nicht mehr herausgenommen werden, um die Steckdose zu benutzen, und auch das Anzünden von Zigarren ist nicht möglich, da die Öffnung nicht groß genug ist. ⓘ
Elektrische Steckdose
In neueren Fahrzeugen ist die Steckdose mit einer Kunststoffabdeckung ohne das Heizelement des Zigarettenanzünders ausgestattet. Die Steckdose wurde jedoch wiederverwendet und wird weiterhin für die Stromversorgung von Unterhaltungselektronik in Fahrzeugen eingesetzt. Oft ist ein Fahrzeug mit mehreren Steckdosen ausgestattet, einige davon im hinteren Fahrgastbereich oder sogar im Laderaum, um tragbare Geräte mit Strom zu versorgen. Diese Steckdosen sind in der Regel mit einer Plastikkappe versehen und in der Regel mit dem Hinweis versehen, dass sie nur für Gleichstrom geeignet sind, da sie der von einem Zigarettenanzünder erzeugten Hitze nicht standhalten können. ⓘ
Die Verwendung von Steckdosen für Zigarettenanzünder zur Versorgung mit 12-Volt-Gleichstrom ist ein Beispiel für die Rückwärtskompatibilität mit einer De-facto-Norm. Als Stromanschluss ist die Zigarettenanzünderbuchse größer, schwieriger zu bedienen und weniger zuverlässig als andere Gleichstromanschlüsse. Zigarettenanzündersteckdosen sind in vielen Straßenfahrzeugen und einigen Booten weit verbreitet. Für den vorübergehenden Gebrauch gibt es tragbare Zigarettenanzünder-Steckdosen, die mit Kabeln und Krokodilklemmen für den direkten Anschluss an die Autobatterie verbunden sind. In neueren Fahrzeugen können auch ein oder mehrere USB-Anschlüsse vorhanden sein. In neueren Fahrzeugen ist die Leistung des Zigarettenanzündersteckers so zuverlässig, dass Laptops ohne Spannungsprobleme geladen werden können. ⓘ
Genormte 12-Volt-Gleichstrom-Kfz-Stecker sind in den Vereinigten Staaten durch die UL-Norm 2089 für Fahrzeugbatterieadapter definiert. Diese Norm gilt für Stecker und Kabelsätze, die in Zigarettenanzündersteckdosen eingesetzt werden. In Europa sind 12-Volt-Stecker und -Steckdosen nicht speziell geregelt und müssen nicht mit dem CE-Kennzeichen versehen werden. ⓘ
Der Stecker wird manchmal verwendet, um Strom in ein Fahrzeug einzuspeisen, um dessen Batterie aufzuladen, da er normalerweise keine regulierende Schaltung zwischen der Steckdose und der Autobatterie hat. Zum Beispiel werden tragbare Solarbatterieerhaltungsgeräte in der Regel auf diese Weise an die Fahrzeugbatterie angeschlossen. Auch Erhaltungsladegeräte werden manchmal auf diese Weise angeschlossen, so dass die Motorhaube des Fahrzeugs nicht geöffnet werden muss und die Möglichkeit einer Verpolung ausgeschlossen ist. Die meisten Autos sind heutzutage mit einem Batterie-Minus-Erdungssystem ausgestattet und haben daher eine positive +12-V-Stromverteilung. In einem solchen Fall ist der mittlere Stift eines Steckers/einer Buchse +12 V DC und das äußere Gehäuse 0 V. Während die Polarität bei einem Zigarettenanzünder keine Rolle spielt, ist es ratsam, beim Anschluss anderer Zubehörteile die korrekte Übereinstimmung der Polaritäten zu überprüfen. ⓘ
Bei einigen Modellen wird der Zigarettenanzünder nicht mit Strom versorgt, wenn der Zündschlüssel abgezogen wird, und ein Aufladen ist nicht möglich. Durch eine Modifizierung des Sicherungskastens kann jedoch eine kontinuierliche Stromabgabe ermöglicht werden, indem eine Parallelschaltung von einem kontinuierlich mit Strom versorgten Sicherungssteckplatz über einen "Huckepack"-Stecker hergestellt wird. ⓘ
Da die Zigarettenanzünderbuchse ursprünglich nur zum Beheizen eines Zigarettenanzünders gedacht war, kann die Umwidmung dieser Buchsen in allgemeine Stromanschlüsse zu vielen Problemen führen. Abgesehen von den Problemen mit den teilweise kompatiblen Abmessungen können die Stecker unter normalen Fahrbedingungen aufgrund des schlechten Haltes aus der Steckdose vibrieren. Außerdem gibt es Berichte über geschmolzene Steckerspitzen aufgrund von schlechtem Kontakt und Wärmeentwicklung durch ohmschen Widerstand. ⓘ
Ein zweites Problem besteht darin, dass die nominelle Zwölf-Volt-Spannung im Auto stark schwankt. Die Steckdose ist direkt an das elektrische System des Fahrzeugs angeschlossen. Die tatsächliche Spannung, die der Spannung der Autobatterie entspricht, beträgt im Ruhezustand etwa 12,5 Volt (bei Kälte weniger), etwa 14,5 Volt, wenn der Motor und die Lichtmaschine/Generator in Betrieb sind (bei Kälte mehr), und kann beim Anlassen des Motors aufgrund des hohen vorübergehenden Batteriestroms kurzzeitig auf 5-6 Volt abfallen. Wenn Gleichstromwandler verwendet werden, können diese kleinen Schwankungen in der Regel ausgeglichen werden, aber ohne eine unabhängige, batteriebetriebene unterbrechungsfreie Stromversorgung ist eine zuverlässige Stromversorgung möglicherweise nicht möglich. ⓘ
In seltenen, extremeren Fällen kann es zu Spannungsschwankungen kommen, wenn die Autobatterie bei laufendem Motor abgeklemmt wird oder wenn das Fahrzeug Starthilfe erhält. Wenn die Batterie bei laufendem Motor abgeklemmt wird, steht ihre spannungsglättende Wirkung (ähnlich wie bei Kondensatoren) nicht mehr zur Verfügung, und es kann zu sehr hohen Spannungen kommen, da der eingebaute Spannungsregler den Feldstrom der Lichtmaschine zum Laden der Fahrzeugbatterie steuert. Obwohl er versucht, den Feldstrom zu reduzieren, um die Ausgangsspannung konstant zu halten, ist die Feldwicklung stark induktiv, und die Einstellung des Stroms auf den neuen Wert dauert mehrere hundert Millisekunden, in denen die Ausgangsspannung der Lichtmaschine den vorgesehenen Wert überschreitet. Die Lastabwurf-Transiente kann auch die Dioden des Generators zerstören, indem sie ihre Durchbruchspannung überschreitet. Ein Auto, dem von einem Lkw Starthilfe gegeben wird, kann einem 24-Volt-Bordnetz ausgesetzt sein, das in einigen Fahrzeugen verwendet wird. Manche Abschleppwagenfahrer führen in kalten Klimazonen auch eine "Starthilfe mit zwei Batterien" durch. ⓘ
Bei Geräten, die über die Steckdose mit Strom versorgt werden sollen, müssen intermittierende Kontakte und Spannungen außerhalb der Nennspannung von 12 V DC berücksichtigt werden, z. B. eine maximale Spannung von 9-16 V im Dauerbetrieb oder eine maximale Spannung von 20 V für 1 Stunde, 24 V für 1 Minute und 40 V für 400 ms. Ein Beispiel für die Toleranz der Nennwerte von Schutzkomponenten ist +50 bis -60 V DC. Robuste Geräte müssen Temperaturen zwischen -40 und +85 °C sowie möglicherweise hohe Luftfeuchtigkeit und Kondenswasser aushalten. ⓘ
Viele Fahrzeuge verfügen über zusätzliche 12-Volt-Steckdosen zum Anschluss beispielsweise von elektrischen Kühlboxen oder Unterhaltungselektronik häufig im Kofferraum oder unter der Rücksitzbank. Bei neueren Fahrzeugmodellen mit gehobener Ausstattung ist diese Ausrüstung inzwischen Standard, andere Fahrzeuge können nachgerüstet werden. ⓘ
Anwendungsmöglichkeiten
Oft befindet sich eine Bordspannungssteckdose in der Nähe des Aschenbechers (siehe Zigarettenanzünder). Es kann eine Vielzahl von elektrischen Geräten angeschlossen werden, entweder direkt oder über Spannungsadapter. ⓘ
- Beispiele für direkte anzuschließende Geräte: Suchscheinwerfer, Ventilator, Kennleuchte (gelbes Rundumlicht), portabler Kühlschrank, Reifenkompressor
- Beispiele für Geräte, die über einen Spannungsadapter angeschlossen werden: Navigationsgerät, Notebook, MP3-Player, Mobiltelefon. Dazu hat die Verwendung von 12V-5V-USB-Adaptern weite Verbreitung gefunden.
- Beiwagen von frühen Motorrädern, die nur Beleuchtung hatten. ⓘ