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Grundlagen der Elektrotechnik - Allgemein

Elektrotechnik? Grundlagen der Elektrotechnik

Wichtig!
Die nachfolgende Beschreibung ist für Gleichspannung beziehungsweise für Gleichstrom im Kleinspannungsbereich also bis maximal 50 Volt gedacht.

Trotzdem ist die Gefahr von Strom Verletzungen nicht auszuschließen.

Im Zweifelsfall ist immer ein Spezialist bei zuziehen!

Als Neuling in der Wunderwelt der Elektrotechnik und damit auch in den Grundlagen der Elektronik hat man meist Probleme mit den vielen neuen Begriffen und mit der Vorstellung was da so alles passiert.

Ich möchte mich hier nicht lange mir den physikalischen Vorgängen aufhalten, sondern nur Grundlagen vermitteln. Wir müssen nicht wissen warum die Elektronen fließen (sich bewegen – wie schnell und in welche Richtung) sondern es reicht sich klar zu machen das sie vom Pluspol zum Minuspol fließen und das sehr schnell!

Die so nahe gebrachten Kenntnisse sollen hoffentlich Ausreichen um die wesentlichsten elektrischen Vorgänge auf einem Schiff zu verstehen und die auftretenden Fehler zu lokalisieren und auch zu beheben. Und im Idealfall überhaupt zu vermeiden!

Am besten hat sich der Vergleich zwischen einem elektrischen Schaltkreis und einer Wasserleitung bewährt.

Das Gewicht drückt den Kolben auf eine Wasserfläche und presst das Wasser durch die Rohrleitung.

In der Rohrleitung entsteht ein Druck der mit einem Manometer gemessen werden kann. Der Druck ist auch an der Wassersäule die aus dem anderen Leitungsende spritzt ersichtlich. Je größer der Druck desto höher spritzt es.

Ein weiteres Merkmal ist, das die Wasserleitung einen Widerstand darstellt. Je dicker die Leitung desto weniger hoch spritzt es und desto schneller ist der Wasserbehälter leer.

Beim elektrischen Äquivalent stellt sich das so dar:

Der Wasserdruck (bar) entspricht der elektrischen Spannung (Volt), der Widerstand in der Rohrleitung heißt im elektrischen auch Widerstand (Ohm) und der durchlaufenden Wassermenge (Liter pro Minute) entspricht der elektrische Strom (Ampere).

Was hier schon ersichtlich und ganz wichtig ist: Widerstand ist überall! So wie jeder Schlauch oder jedes Rohr dem Wasser einen Widerstand entgegensetzt hat auch jeder elektrische Leiter, jedes Kabel und jede Kabelverbindung einen mehr oder weniger großen Widerstand. Aber auch jeder Verbraucher, also jedes Gerät das wir elektrisch betreiben wollen, hat einen Widerstand.

Im zweiten Beispiel wollen wir ein Messgerät einbauen

Das Wasser läuft wieder über die Leitung und betreibt ein Wasserrad. Je mehr Wasser durchläuft desto schneller dreht sich das Wasserrad. Die Liter pro Minute werden mehr und am Ausgang spritzt der Wasserstrahl weiter.

Im elektrischen Kreis entspricht die Batterie (die Spannung wird mit einem „Voltmeter“ gemessen) dem Wasserbehälter.

Dem Wasserrad entspricht das so genannte „Amperemeter“ und statt der Wasserspritze haben wir eine Glühlampe vorgesehen. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass der elektrische Stromkreis nur funktioniert wenn er geschlossen ist, also der Strom wieder in die Batterie zurück fließt. Hier erfolg der Rückfluss über die so genannte Masse.

Das Symbol für die Masse lässt sich im Beispiel leicht durch eine Leitung von der Lampe über das Voltmeter zurück zum Minuspol der Batterie ersetzten. Aber bei komplizierten Schaltplänen kann man unter Zuhilfenahme dieses Symbols wesentlich zur leichteren Lesbarkeit des Planes beitragen da nur mehr die Plusleitung verfolgt werden muss.

Das Verhältnis der einzelnen Parameter Strom, Spannung und Widerstand zueinander wurde im Ohmschen Gesetz festgelegt.


Noch ein Beispiel mit Wasser

Der Inhalt des Wassertanks dividiert durch die Durchflussmenge in Liter pro Minute ergibt den Widerstand.

Elektrisch

Spannung(V) dividiert durch Strom(A) ergibt den Widerstand(Ω)

Beispiel 12V/3A ergibt 4Ω

Diese 4 Ohm lassen bei 12 Volt also 3 Ampere fließen.

Leistung

Im nächsten Beispiel lassen wir ein Brett von einer Decke hängen.
Wenn wir mit dem Gartenschlauch dagegen spritzen bewegt es sich weg. Wie in der Skizze ersichtlich bewegt sich das Brett bei dünnem Strahl und großem Abstand (geringe Wassermenge hoher Druck) gleich weit weg wie bei großer Wassermenge und geringem Abstand (große Wassermenge geringer Druck).

Es besteht also ein direkter Zusammenhang aus Wasserdruck und Wassermenge.

Ganz gleich auch im elektrischen Model

Alle Lampen haben 12 Watt(W) aber unterschiedliche Anschlussspannungen. Bei 6 Volt fließen 2 Ampere, bei 12 V 1 Ampere und bei 240V nur mehr 0,05 Ampere.

Die daraus ersichtliche Formel lautet
Leistung(Watt) = Spannung(Volt) mal Strom(Ampere)

Egal ob es sich beim Verbraucher um eine Lampe, eine Motor oder eine Heizung handelt alles basiert auf dieser einfachen Formel.
Die Lampe für 12 V hat also geringeren elektrischen Widerstand als die Lampe mir der gleichen Leuchtkraft für 240 V.

Der Widerstand lässt sich einfach durch eine Umsetzung des Ohmschen Gesetztes errechnen.

Widerstand(Ω) = Spannung(V) dividiert durch Strom(A)

Der Hersteller der Lampe muss also wissen wie hoch die Betriebsspannung ist und dann den Widerstand der Lampe entsprechend herstellen.

Beispiel

Das große „R“ in der Skizze ist die Bezeichnung für den Widerstand die gezackte Linie ein Symbol das in Schaltplänen für den Widerstand Verwendung findet.
Bei dieser Skizze ist der Verbraucher-widerstand wieder zwischen den Plus- und den Minuspol der Spannungsquelle ge-schaltet. Beachtenswert ist, dass der Spannungsmesser(V) parallel zum Messobjekt geschaltet ist und der Strommesser(A) in Serie. Das ist sehr wichtig und immer bei Messungen im Hinterkopf zu behalten.

Ein Parallelschalten des Amperemeters zur Spannungsquelle führt zur Zerstörung des Gerätes!

Zurück zum Beispiel

12V/4Ω = 3A

oder

4Ω X 3A = 12V

oder

12V/3A = 4Ω

Die Leistung an dem Widerstand (oder der Glühlampe) errechnet sich

12V X 3 A = 36 W

Stell dir vor wir haben einen Gartenschlauch an der Wasserleitung angeschlossen und den Wasserhahn aufgedreht. Wenn das Wasser fließt, knicken wir den Schlauch ab. Der Wasserstrahl ist deutlich geringer. Es tritt also weniger Wasser aus. Nun Halten wir das Schlauchende mit dem Finger zu. Obwohl der Schlauch weiter geknickt ist und nur eine geringe Wassermenge fließt, steigt der Wasserdruck bis zu seinem Maximum an.

Ein weiterer wichtiger Punk den es zu verstehen gilt:

Obwohl der Widerstand in der Leitung ist kommt der volle Druck durch! Nur die Durchflussmenge wird gemindert. Im Schiff werden wir immer wieder mit einer ähnlichen Situation konfrontiert. Ein schlechter Kontakt, ein alter Schalter oder eine abgenützte Kohle erhöht den Widerstand. Mit dem Spannungsmesser messen wir keinen Unterschied solange nicht eine größere Strommenge fließt.

Elektrisch gezeichnet sieht es so aus

Zwischen den Leitungsenden Messen wir die volle Batteriespannung trotz des Widerstandes. Ersetzten wir das Messgerät durch eine Glühbirne brennt sie aber nicht!

Die Schaltung ist einfach zu Hause nach zubauen. 12 V Batterie, 12 V Glühbirne (keine LED da eine Glühbirne mehr Strom benötigt) und einen Widerstand der z.B. 100 Ohm oder mehr hat.

Wie wir weiter oben festgestellt haben hat jedes Bauteil in einem Stromkreis einen Widerstand. Also jedes Stück Kabel, jede Klemme und jeder Schalter.Also auch jedes Messgerät. Im obigen Versuch sehen wir, dass das Messgerät zum „Spannung messen“ einen großen (hohen) Widerstand hat. Die Lampe einen vergleichsweise geringen.

Wir haben es also immer mit einer in Reihe (in Serie) geschalteten Widerständen zu tun von denen nur der Widerstand des Verbrauchers erwünscht ist. Alle anderen werden wir versuchen klein zu halten. Das gelingt aber nicht immer.


Ein weiteres Beispiel

In unserem Wasserschlauch bauen wir zwei gleich große Widerstände ein.

Wenn wir den Druck vor und nach jedem der Widerstände messen stellen wir fest dass sich der Druck Nach jedem Widerstand um die Hälfte des Gesamtdruckes vermindert. Egal wie groß der Druck ist!

Wenn die Widerstände nicht gleich groß sind verhält sich der Druckverlust (Spannungsabfall) im selben Verhältnis wie der Widerstandswert. Am größeren Widerstand fällt mehr Spannung ab.

Wenn man alle Spannungsabfälle zusammenzählt muss die Gesamtsumme gleich der angelegten Spannung sein.

Besser verständlich vielleicht so dargestellt

Immer beachten dass die Teilspannungen in Summe die angelegte Spannung ergeben müssen.

Ein Beispiel aus der Praxis

Wir nehmen wieder unsere 12 V Batterie und wollen eine Lampe (die für diese Spannung geeignet ist) mit 1 Watt Leistung. Damit die Lampe nicht dauernd brennt bauen wir noch einen Schalter ein. Da wir keine neuen zur Hand haben, verwenden wir einen gebrauchten der schon einen Widerstand von 5 Ohm hat.

Der Widerstand der Lampe errechnet sich aus den oben angeführten Formeln:

P (Leistung in Watt) = U (Spannung in Volt) mal I (Strom in Ampere)

daraus ergibt I = P/ U

1W/12V= 0,0833A

und nachdem der Widerstand aus dem Ohmschen Gesetz (s.o.)

R (Widerstand in Ohm) = U (Volt) / I (Ampere)

ist beträgt der Widerstand der Lampe

12V/0,0833A=144 Ohm

Die dazu in Serie geschalteten 5 Ohm des alten Schalters sind also nur ca. 3,5 % und machen sich nicht stark bemerkbar.

Wie schaut die Sache aus wenn wir statt der 1 W Lampe eine Lampe mit 50 Watt nehmen?

Zum Beispiel den alten Handscheinwerfer

50W/12V=4,16A und

12V/4,16A=2,88 Ohm

An dem Schalter mit 5 Ohm ist also der Spannungsabfall wesentlich größer als an der Lampe und sie wird nicht leuchten.

Der Schalter ist also zum Schalten größerer Leistungen absolut ungeeignet. Das kann zum Beispiel bei der Ankerwinsch mit ihrem extrem hohen Strombedarf zum Versagen führen.

Bei der Gelegenheit noch ein wichtiger Hinweis. Der Spannungsabfall an einem Widerstand erzeugt in jedem Fall auch Wärme! Und hier liegt eine oft vergessene oder unterschätzte Gefahr. An schlechten Kontakten und Schaltern kann es zu großen Erwärmungen kommen sodass in schlimmsten Fall Brandgefahr besteht!

Rechnen wir das obige Beispiel mit einer 1000 W Ankerwinsch durch

1000W/12V=83,3A

12V/83,3A=0,14Ohm

beträgt also nur mehr 2,8% des Schalterwiderstandes.

Der tatsächliche Strom der durch das System fließt ist somit

12V/ (0,14 + 5 Ohm)=2,33A

An dem Schalter entsteht also eine Wärmeleistung von fast 28Watt. Das ist eine Leistung die unter anderem in Lötkolben Verwendung findet.
   
   
   

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