Grundlagen: Ohmsches Gesetz beim Dampfen/E-Zigarette

Kennen Sie das? Man fragt in einer Dampfergruppe auf Facebook etwas zu den Grundlagen von Ohm, Volt, Watt und Ampere beim Dampfen und wird umgehend mit Kommentaren überhäuft, in denen man darauf hingewiesen wird, sich doch mal mit den Grundlagen des Ohmschen Gesetzes beim Dampfen und der E-Zigarette vertraut zu machen.

Das macht keinen Spaß und beantwortet die ursprüngliche Frage nicht. Ziel dieses Artikels ist nicht, uns zu Elektrotechnikern zu machen, sondern die Grundlagen zu verstehen, welche nötig sind, um eine mechanische oder ungeregelte Dampfe sicher und effektiv zu betreiben. Was hat es aber nun auf sich mit dem Ohmschen Gesetz? Was ist eine Dampfe / E-Zigarette eigentlich aus elektrischer Sicht?

Eine Dampfe besteht vereinfacht aus einer Spannungsquelle (Akku), einem Taster (Feuerknopf) und einer Heizspirale/Coil (Widerstand). Vergleichen wir das mal mit einer Taschenlampe. Diese besteht ebenfalls aus einer Spannungsquelle (Batterie/Akku), einem Taster/Schalter und einer Glühbirne (Widerstand). Bisher hat mir jedoch noch niemand gesagt, ich solle beim Gebrauch einer Taschenlampe das Ohmsche Gesetz beachten.

Wo ist denn dann der Unterschied?

Der wesentliche Unterschied liegt im Widerstand. Eine typische Taschenlampenglühbirne hat einen elektrischen Widerstand während des Betriebs, in der Größenordnung um 18 Ω. Der Widerstand eines Coils in Verdampfern liegt jedoch je nach Anwendung bei <0,1 Ω (Ohm) bis ca. 2 Ω . Der Unterschied ist also erheblich.

Im Zusammenhang mit der Dampfe sind für das Verständnis der Zusammenhänge die folgenden Begriffe wichtig:

Ohm, Volt, Watt und Ampere.

Ohm [ Ω ] ist die abgeleitete SI-Einheit des elektrischen Widerstands [R].

Volt [V] ist die im internationalen Einheitensystem (SI) für die elektrische Spannung [U] verwendete Maßeinheit.

Watt [W] ist die im internationalen Einheitensystem (SI) verwendete Maßeinheit für die Leistung [P] (Energieumsatz pro Zeitspanne).

Ampere [A] ist die SI-Basiseinheit der elektrischen Stromstärke [I].

Es ist wichtig, zu beachten, dass es sich bei den vier genannten Begriffen um Einheiten handelt. Ohm für den Widerstand, Volt für die Spannung, Watt für die Leistung und Ampere für die Stromstärke. Man liest in Facebookgruppen oft die Begriffe Ohmzahl, Wattzahl oder Amperezahl. Die ist jedoch begrifflich falsch und sollte vermieden werden. Besser ist von einem Widerstand von x.x Ohm, einer Spannung von x.x Volt, einer Leistung von x.x Watt und einer Stromstärke von x.x Ampere zu sprechen.

Wenn man verstehen will wie eine Dampfe elektrisch funktioniert, wird man am Ohmschen Gesetzt nicht vorbeikommen. Daher an dieser Stelle zunächst einmal das Ohmsche Gesetz, dessen Anwendung wir uns jetzt etwas genauer anschauen werden.

Das Ohmsche Gesetz (URI):

Was besagt das Ohmsche Gesetz?
Das Ohmsche Gesetz dient zur Berechnung des Verhältnisses zwischen Spannung, Strom und Widerstand in einem Stromkreis.

U = R · I   ->   Spannung = Widerstand · Stromstärke

R = U / I   ->   Widerstand = Spannung / Stromstärke

I = U / R   ->   Stromstärke = Spannung / Widerstand

Kehren wir zu dem ursprünglichen Beispiel der Taschenlampe zurück und berechnen die Stromstärke, die der Akku liefern muss:

I = U / R   ->   I = 3.7 V / 18 Ω -> I = 0,20 A

Der Akku der Taschenlampe muss also in unserem Beispiel in der Lage sein, eine Stromstärke von 0,2A zu liefern.

Nun machen wir die identische Berechnung für einen Verdampfer mit einem Widerstand von 0,1 Ω (Es werden durchaus auch noch kleinere Widerstände in Verdampfern verbaut.)

I = U / R   ->   I = 3.7 V / 0,1 Ω -> I = 37A

Man kann hier sofort erkennen, dass bei Verringerung des Widerstands, unter sonst gleichen Voraussetzungen, die Stromstärke stark ansteigt. Wenn man einem einzelnen Akku 37A entnehmen möchte, bewegt man sich komplett im oberen Grenzbereich, was der Akku zu liefern in der Lage ist. Es gibt Akkus, die solche Leistungen liefern können, aber hier stoßen wir in Bereiche vor, bei denen ein gefahrloser Betrieb eine Dampfe/E-Zigarette nicht mehr möglich ist.

Zum Verständnis möchte ich noch eine Analogie aufzeigen. Stellen wir uns eine Talsperre vor. Das darin gespeicherte Wasser ist der zur Verfügung stehende Strom in einem Akku. Bei Normalbetrieb fließt kontinuierlich eine überschaubare Wassermenge durch eine Turbine und erzeugt Strom. Solange genügend Wasser im Stausee ist, kann man möglicherweise auch mehrere Turbinen gleichzeitig betreiben. Sollte jedoch die Staumauer brechen, entleert sich der Stausee auf einen Schlag und das Wasser wird alles, was sich ihm stromabwärts in den Weg stellt, zerstören. Genau so verhält es sich mit Akkus. Wenn man den Widerstand auf Null reduziert entsteht ein Kurzschluss und dem Akku wird mehr Strom entnommen als er gefahrlos liefern kann. Er überhitzt, fängt an auszugasen und fängt letztlich an zu brennen. Das alles unter Umständen sehr schnell, so dass man von einer Explosion sprechen kann.

Wie eingangs geschrieben, bezieht sich die hier aufgezeigte Situation vor allem auf sogenannte „mechanische“ und „ungeregelte“ Dampfen. Eine mechanische Dampfe (Mech-Mod) entspricht in ihrem Aufbau der oben gezeigten einfachen Schaltung. Es sind also meist keinerlei Sicherheitselemente verbaut, die eine überhöhte Stromentnahme verhindern. Bei geregelten Akkuträgern sind je nach Ausführungsform, verschiedene Elemente verbaut, die eine zu hohe Stromentnahme aus dem Akku verhindern. Die Regelelektronik sorgt bei geregelten Akkuträgern dafür, dass der Widerstand der Coil keinen Einfluss auf die Stromaufnahme hat. Diese wird bei geregelten Akkuträgern über die Leistung (Watt) gesteuert.

Darauf sollte man sich jedoch nicht blind verlassen. Es sei jedem Dampfer angeraten den Widerstand seiner Verdampfer an die verwendeten Akkus anzupassen, ob nun geregelt oder nicht. Ich persönlich dampfe hauptsächlich MTL im Bereich von 1 Ω und DTL im Bereich > 0,4 Ω . In diesen Bereichen lassen sich Verdampfer sicher betreiben und man braucht auch nicht zu tief in das Ohmsche Gesetz eintauchen.

Andràs Marghescu, Januar 2020