Wandler

Ein Wandler ist ein Gerät, das im physikalisch - chemischen Sinn eine Energieform in eine andere wandelt. Zur Wandlung kann zwischen den Energieformen: Masse, Mechanische Energie (auch Arbeit, thermische Energie, Strahlungsenergie, elektrische Energie und als Bindungsenergie die chemische Energie und Kernenergie gewandelt werden. Es gilt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der Energieerhaltungssatz und die Äquivalenz von Masse und Energie, so dass jede Wandlung aufgrund der Entropie auch einen Massendefekt zur Folge hat. Energiespeicher sind entweder integriert (z. B. Batterie bzw. Galvanische Zelle) oder es wird externe Energiezufuhr (z. B. Brennstoffzelle) benötigt.

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Technischer Begriff Wandler

Einen Wandler von eingespeister Energie, auch Primärenergie, in Nutzenergie, auch Sekundärenergie nennt man Generator, im umgekehrten Fall Motor. Eine Energieerzeugung oder -vernichtung gibt es im wissenschaftlichen Sinn nicht, obwohl die Begriffe auch in der technischen Alltagssprache verwendet werden.

Der Begriff Umwandler ist genau genommen falsch, denn ein Umwandler würde immer eine Energieform in genau eine einzige andere wandeln. Dieses ist aufgrund der Entropie, siehe auch Perpetuum Mobile, nicht möglich. Jeder Wandler wandelt genau genommen immer in mindestens zwei andere Energieformen, davon eine die gewollte, die Nutzenergie. .

Demzufolge wandelt ein Übertrager oder Übersetzer nur die nicht gewollten Energieverluste, nicht jedoch die Nutzenergie. Ein Übertrager überträgt die Nutzenergie mit gewissen Verlusten, ein Übersetzer, auch Transformator, führt eine möglichst verlustarme Übersetzung eines Wertes (siehe auch Verhältnis) einer physikalische Größe in einen anderen derselben Größe durch.

Häufige Missverständnisse entstehen durch den Begriff abgeschlossenes System der Thermodynamik. Dieses ist jedoch ein rein theoretisches Modell, eine imaginäre, unendlich vereinfachende Vorstellung. Geschlossene Systeme, die zwar Energie, aber keine Materie mit der Umgebung austauschen können, existieren genau genommen auch nicht (Maxwellscher Dämon). In der Realität existieren nur offene Systeme, die allerdings ständig Energie und Materie austauschen und daher den nicht unwesentlichen Nachteil haben, eine genaue Berechnung unmöglich zu machen.

Wandlertypen

Wandler lassen sich nach ihren technischen Wirkungsmechanismen in zwei große Gruppen einteilen. Die Wandler der ersten Gruppe sind bidirektional, d. h. sie können in beide Richtungen funktionieren, reversibel jedoch nur mittels zusätzlicher Energie. Beispiel: Elektrodynamisch-elektromechanische Geräte: Elektromotor/Generator und Schallwandler (Lautsprecher/dynamisches Mikrofon), aber auch elektrochemische wie der Akkumulator. Häufig ist eine Richtung bevorzugt funktionsfähig, wie beim dynamischen Lautsprecher bzw. Mikrofon.

Die zweite Gruppe ist unidirektional, irreversibel. Zu dieser Gruppe gehören die Ölheizung, Bremse, Brennstoffzelle oder der Ottomotor. Ein Gerät, bei der die eine Energieform (z. B. die akustische beim Kohlemikrofon) auf die andere, hier die elektrische, lediglich steuernd einwirkt und keine direkte Energie übertragen wird, das also ohne zusätzliche Energiezufuhr nicht funktionsfähig ist, ist ein Steuerwandler. Auch hier ist im Normalfall ein bidirektionaler Betrieb nicht möglich, kann jedoch durch eine beliebig komplexe Konstruktion und zusätzlicher Energie gebaut werden (elektronische Schaltung).

Beispiele für Energiewandlungen

Echte physikalische Wandler sind z. B.:

• Elektromotoren und Generatoren
• Lautsprecher und Mikrofone
• Thermoelemente und Elektroherde
• Dampfturbinen und Verdichter/Kompressoren
• Solarzellen und Glühlampen
• Akkumulatoren und Brennstoffzellen

Auf der Diagonalen von links oben nach rechts unten stehen die Transformatoren und Übersetzer wie z. B. das Getriebe oder Übertrager bzw. Geräte zur Transmission innerhalb einer physikalischen Größe. Beide gehören nicht zu den Wandlern. Genau genommen gibt es auch keine Übertrager, denn eine verlustfreie Übertragung ist nicht möglich. Dennoch wird z. B. ein elektrisch leitender Draht oder eine Transmissionswelle technisch als Übertrager eingestuft.

Gleichfalls Wandlungen von Energieformen, meistens chemischer, aber auch nuklearer Energie gibt es bei dem umgangssprachlichen Begriff "Energieerzeugung". Hier wird oft in mehreren Stufen gewandelt, z. B. zuerst von der chemischen in thermische, dann in mechanische und schließlich in elektrische Energie. Dabei fallen jedes Mal Wandlungsverluste an.

Massewandler

Masse und Energie sind nach der speziellen Relativitätstheorie äquivalent:

Als Definition der Ruhemasse gilt die von der mechanischen Energie befreite sogenannte Ruheenergie . Diese kann in andere Energieformen gewandelt werden und umgekehrt. Da mit Ausnahme der Kernenergie die Äquivalenz von Masse und Energie nur extrem geringe Massenäquivalente (Massendefekt) ergibt, wurde dieses bisher nur bei Reaktionsprodukten der Kernspaltung und der Kernfusion in der Elementarteilchenphysik beobachtet und daher in der Tabelle nicht aufgeführt.

Effizienz

Eine hohe Effizienz, bezogen auf das Verhältnis von eingespeister Energie zu Nutzenergie Wirkungsgrad genannt, ist zur Energieeinsparung sinnvoll. Verluste sind im Einzelfall frei definierbar nicht erwünschte Energieformen, meistens Wärme, wobei durch sorgfältige Konstruktion die Wärmeverluste verringert werden können (z. B. Bremsenergierückgewinnung, Haus-Wärmedämmung, Energiesparlampe). In der Praxis gelten beim Wandlungsvorgang immer weitere Einschränkungen, die durch das Wandlungsprinzip bedingt sind.

Genauigkeit

Bei Messwandlern ist ein verlust- oder störungsfreier Wandlungsvorgang (Messfehler) sowie 100-prozentige Genauigkeit ein theoretisches Ideal. Als Einschränkungen gelten dabei:

• Wandlungsverluste: siehe Wirkungsgrad
• Zeitliche Trägheit des Wandlerprinzips
• Ungenauigkeiten der Wandlung, etwa durch:
  • Nichtlinearitäten und
  • sonstige systematische Fehler, die durch Kalibrieren, Eichung usw. verringert oder eliminiert werden können
  • Rauschen und zufällige Fehler, die oft einer Normalverteilung folgen, können durch Mittelwertbildung verringert werden
• äußere Störeinflüsse wie:
  • Temperatur
  • elektromagnetische Felder
  • Feuchtigkeit
  • mechanische Störungen

können durch Messung oder Analyse zumindest teilweise kompensiert werden.

Umgangssprachlicher Begriff Wandler

Häufig werden Geräte umgangssprachlich als Wandler bezeichnet, die nicht zwischen unterschiedlichen Energieformen wandeln, sondern übertragen oder übersetzen, Strom richten oder transformieren oder Informationen umsetzen. Zum Beispiel der Drehmomentwandler übersetzt nur ein Drehmoment in ein anderes und gehört damit zu den variablen Getrieben. Die Analog-Digital-Wandler und Digital-Analog-Wandler setzen Signale um und gehören zu den Umsetzern. Spannungswandler und Impedanzwandler gehören zu den Übersetzern bzw. Transformatoren.

Im weitesten, umgangssprachlichen Sinn verändern Wandler den Zustand eines Mediums in den eines anderen. Das Wort „Medium“ meint hier eine beliebige Größe, z. B. Informationsträger jeglicher Art, deren Parameter durch den Wandler auf Parameter des anderen Mediums übertragen werden. Als Einschränkungen bei der Signalumsetzung gelten beispielsweise

• ein begrenzter Parameterbereich oder
• eine gestufte Parametrisierung (bei digitalen Informationsträgern)

Beispiele von fälschlich als Wandler bezeichneten Geräte:

• Analog-Digital-Wandler
• Digital-Analog-Wandler
• Drehmomentwandler
• Impedanzwandler
• Spannungswandler

Historische Erforschung

Die Erforschung der Wandler wurde seit langer Zeit mit hohem Aufwand betrieben. Vergleiche dazu die Erforschung von:

• dem Carnot-Kreisprozess
• der Relativitätstheorie
• der klassischen Mechanik

sowie die Arbeiten von z. B. André Marie Ampère, Alessandro Volta, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla und Werner von Siemens.

Siehe auch:

• Perpetuum Mobile
• Energieerhaltung
• Energieumwandlung und Energieerzeugung
• Übertrager
• Übersetzer
• Stromrichter
• Energie
• Umsetzer
• Tom Stoppard: Arcadia, 1.Akt, 1.Szene, Dialog zwischen Thomasina und Septimus: „Wenn du deinen Reispudding rührst, Septimus, denn verteilt sich die Marmelade herum und macht dabei rote Spuren wie in dem Bild eines Meteors in meinem astronomischen Atlas. Aber wenn du rückwärts rührst, kommt die Marmelade nicht mehr zusammen. Tatsächlich merkt der Pudding davon nichts und wird weiterhin rosa wie zuvor.“