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IGO ETRICH CLUB VORTRAG 05.06.2010

Zu unserem zweiten gemeinsamen Seminar möchte ich sehr herzlich begrüßen und nochmals bekräftigen hier als Fliegerkamerad zu sprechen. Der Idee dass ein Selbstbauer auch sein Flugzeug selbst instandhalten möchte ist im vernünftigen Masse einleuchtend und zu unterstützen. Meine heutigen Ausführungen gehen also sowohl auf die Operation und auf den Euch möglichen Instandhaltungsbereich ein.

Meine über Jahrzehnte gemachte Erfahrung bestätigt im großen Ausmaße, dass selbst Flugzeughersteller ihr Produkt konstruieren und bauen können, aber bei der Instandhaltung sehr viel Lehrgeld zahlen mussten. Damit soll die Gefahr einer Selbstüberschätzung ganz deutlich aufgezeigt sein. Wenn es auch nicht unser heutiges Thema direkt tangiert, gehe ich auf diese Thematik gerne ein.Die Themen Bereiche sind wie angekündigt:

Teil A: Elektrische Bordanlagen von KleinflugzeugenTeil B: Zündanlagen der Lycoming und TCM KolbentriebwerkeAnschließend an den Vortrag stehe ich gerne zu einer offenen Diskussion zur

Verfügung.

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Elektrische Bordanlagen von Kleinflugzeugen

Teil A

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Eine allgemeine Beschreibung üblicher

Auslegungen und verwendete Symbole

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Cessna 150

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PA 28 Schematik

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General Arrangement – Single Engine Aircraft

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Electrical Symbols

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• Die Vor- und Nachteile der Alternator- und Generatoranlage:

• Der Alternator ist leichter – kleiner – schon bei niedriger RPM leistungsfähig – billiger in der Anschaffung – nicht so wartungsintensiv.

• Gleichstrom Generatoren werden seit den sechziger Jahren nur mehr bei Gasturbinen als Startergeneratoren verwendet.

• Die Polaritätsverhältnisse des Gleichstrom Netzes:

• Alle Netze benötigen ein negatives und positives Potential. Ist die Struktur des Flugzeuges in Metallbauweise gehalten, wird jene als negatives Potential verwendet ( positive single wire layout) Um Kurzschlüsse zu vermeiden ist eine sorgfältige Verlegung und sachgemäße Instandhaltung notwendig!

• Nicht leitende Strukturen benötigen daher rückführende Leiterbahnen!

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Die Auslegung mit nur einer Sammelschiene ist bei Kleinflugzeugen neuer Modelle nicht mehr üblich. Der Vorteil die Schaltkreise mit mehreren

Sammelschienen auszubilden erhöht die Sicherheit bei Kurzschlüssen. Bei Ausfall

einer Sammelschiene ist der Rest des Systems weiterhin verfügbar.

Auslegungen der Sammelschienen

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Cessna 182 early Model

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Komponenten

• Alle in der Luftfahrt verwendeten Materialien müssen den jeweiligen Standards entsprechen!!!

Komponenten

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Die Batterien

• Bei Kleinflugzeugen werden in der Regel die Bleibatterien verwendet. Diese sind in der letzten Generation sogar mit permanent geschlossenen Gehäuse ausgeführt und sehr wartungsfreundlich.

• Nickel Cadmium Batterien kommen kaum zur Anwendung (zu teuer und benötigen eine aufwendige Wartung und Überwachung).

Die Batterien

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Das Voltmeter ist leider nicht ein Standard, aber sehr aufschlussreich im Flugbetrieb!

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Die Low Voltage Indication ist leider auch nicht ein Standard und wäre sinnvoll!

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Amperemeter

Das Amperemeter ist als Standard zwischen der Hauptschiene (busbar) oder den Alt/Gen als Loadmeter angeordnet. Wird die Urform der Amperemeter angewendet, ist das Problem der gesamten Stromführung (Starterstrom ausgenommen) durch das Instrument gegeben! Dies führte bereits zu großen Problemen (Feuer). Amperemeter mit Messwiderständen war die Lösung und wird immer öfters verwendet (als SB angeboten). Die letzte Entwicklung funktioniert induktiv und wäre die sicherste Lösung (DA 40/42).

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Amperemeter Auslegungen

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Die Schutzeinrichtungen und deren beschränkte Wirksamkeit

• Schmelzsicherungen - Sicherungsautomaten sind nur als Überlastungsschutz der Leiterbahn vorgesehen (um den Rest des Bordnetzes vor dem defekten Kreis zu schützen)! Leider ist bei einem schlechten Übergang an einer Verbindungsstelle eine örtliche gefahrvolle Hitzeentwicklung gegeben die letztlich zum Brand führt und nichts geschützt werden kann

( nur präventiv durch sorgfältige Wartung beherrschbar)!

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Überspannungsrelais

• Überspannungsrelais sind im Alternator Regelkreis fast schon ein Standard geworden. Die Auslösung kann verschiedene Ursachen haben und ein „Reset“ Versuch kann nach kurzer Pause erfolgen. Aber der Vorgang des „resetten“ muss bekannt sein!!!

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Überspannung im Bordnetz durch falsche Auswahl von Ground Power (zu hohe Spannung) wird durch die Sicherungen nicht abgedeckt!Zur Information 1 Volt Überspannung im 14 Volt Gleichstrom Netz nur 0.70% mehr Ampere bedeutet! Beim 28 Volt Gleichstrom Netz ist es nur 0.35% mehr Ampere!

Überspannungsrelais Pa 28

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Die Relais Auslegungen

Relais sind als elektromagnetische Fernschalter zu sehen. Dies erlaubt eine Fernbedienung (Steuerung) von Stromgrößen aller Art. Manchmal werden sie als Contactor bzw. auch als Solenoid bezeichnet. Der Steuerstrom (Haltespule) kann Plus oder Minus ausgelegt sein. Die Batterie Relais sind in der Regel minus gesteuert. Von außen sind die Relais aber nicht leicht unterscheidbar und das kann zu Überraschungen führen! Fail Safe ausgelegte Relais bieten den Vorteil, dass beim Ausfall des Steuerkreises (Schalter defekt) die Systeme aktiv bleiben!!! Diese Art von Relais benötigen Strom zum öffnen!

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Die Dioden und ihre Verwendungen

Mit Einführung der Halbleitertechnik wurde die Verwendung der Dioden auch im Flugzeugbau Standard. So finden wir seit Mitte der 60er Jahre diese Halbleiter in den verschiedensten Anwendungen. Nachstehend einige gebräuchliche Beispiele:

• Die Diode als Polaritätsschutz im Gleichstrom Netz.• Die Diode als Gleichrichter (Alternator/Inverter).• Die Diode als Funkenschutz im Relaissteuerkreis (als Clip Diode

bekannt - schützt die zarten Schalterkontakte).• Die Diode als Beleuchtungselement (als LED bekannt).• Die Diode als Spannungsregler und Überspannungsschutz (als

Zener Diode bekannt).

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Elektrische und Elektronische Bordsysteme

Die Elektrischen Bordsysteme:

• Reine elektrische Systemkreise ohne Elektronik werden immer seltener! Einfache elektrische Systeme bleiben wohl den Oldtimern vorbehalten.

Die Elektronischen Bordsysteme:

• Die Begriffe Avionik und Elektronik im Flugzeugbau sind nicht mehr ganz klar in ihrer Unterscheidung anwendbar! Die Entwicklung zeigt, vergleichbar mit der Autoindustrie, eine immer größere Bedeutung in Richtung elektronischer Auslegungen.

• Die EASA hat diese Entwicklung berücksichtigt und macht den früheren Avioniker (Elektroniker) zum Aviation Mechanic (B2 AML), der nun das gesamte LFZ in allen elektrischen und elektronischen System betreut!!!

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Verwendung von Kondensatoren zur Funk - Entstörung

• Kondensatoren werden am Alternator Ausgang direkt auf Masse gelegt und sicheren damit einen guten VHF und ADF Betrieb.

• Drosseln im Alternator Ausgang sind für den ADF Betrieb nicht ausreichend!

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Alternator Entstörungskondensator Pa 28

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Die Elektromagnetische Felder und deren

mögliche Kompass Beeinflussung

Magnetische Felder um stromführende Leiter und Elektrische -Verbraucher können manchmal zum Problem werden. Eine Abschirmung kann die Lösung sein. Kompasse werden deswegen soweit wie möglich von diesen Quellen montiert.

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Instandhaltung Aspekte

Wie schon vorher aufgezeigt ist eine genaue Inspektion der elektrischen Verbindungen der wichtigste Garant einen Elektrobrand zu unterbinden!!!Wenn immer eine Entscheidung gefällt wird die Bordspannung zu justieren soll unbedingt vorher eine einwandfreie Masseverbindung des Regulators und des Alt/Gen gewährleistet sein! Eine Überprüfung des Feldschalters (Alt) auf einwandfreien Durchgang ist bei den meisten Anlagen ratsam (Feedback)!

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Batterie aus- und einbauen

• Immer beim Ausbau den Minus Pol zuerst lösen! Einbau natürlich in umgekehrter Reihenfolge!

• Beim Anschluss der Batteriekabel sorgfältig auf die Polarität achten!!! Unachtsamkeit führt zu großen Schäden!!!

• Die Batteriebox bzw. Auflage mit Fett zu schützen unterbindet Korrosion!

• Die Batterie Anschlüsse mit Never Seeze einfetten!!!• Die korrekte Batteriebefestigung hat große Bedeutung!!!• Das Ventilations und Drainsystem muss betriebstüchtig

sein!!!

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Batterie Säureaustritt und seine Folgen

• Batterie Säureaustritt ist eine ernste Angelegenheit! Die Ursache ist zu ermitteln und die Säurerückstände sind sofort zu neutralisieren!!! Nicht Befolgung dieser Maßnahmen kann große Korrosionsschäden verursachen!!!

• Mögliche Ursachen des Säureaustrittes:1. Zu hoher Elektrolytstand – falsches Service!!!2. Batterie leer und dann doch mit Ground Power

gestartet!!!3. Bordspannung zu hoch.4. Überhitzung durch äußere Wärmeeinflüsse ( hohe

Umgebungstemperatur und Motorwärme ).5. Interner Kurzschluss (selten).

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Batterie Service und Aufbewahrung

• Die Batterie soll ausschließlich nur extern geladen werden! Die Lade Größe soll ein Zehntel der Kapazität nicht übersteigen!!! Eine Schnell Ladung ist sehr schädlich für die Batterie!!!

• Die Aufbewahrung soll im geladenen Zustand erfolgen (Frostsicherheit)!• Wenn Säure nachgefüllt werden muss (selten), ist Automotiv Säure vom

spezifischen Gewicht zu niedrig (Ausnahme Banner Batterien)!!!• Abgleich des Elektrolyt Standes darf nur nach Abschluss der Ladung

erfolgen!!!• Feststellung der Batteriekapazität mittels der Säuredichte ist nicht immer

ausreichend! Die Stunde der Wahrheit ist beim Startvorgang und der nachfolgenden Ladecharakteristik gegeben!!!

• Die Aufbewahrung von Batterien kann nur im geladenen Zustand erfolgen! Eine vollständige Entleerung der Batteriesäure mit nachfolgender Abtrocknung erlaubt eine wesentlich einfachere Lagerung. Die Wiederinbetriebnahme der Batterie setzt allerdings nach Füllung der aufbewahrten Batteriesäure eine Ladung voraus!

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Motor Masse Bänder

• Den Masse Verbindungen wird oft nicht genug Achtung geschenkt!!! Bei Brüchen (nicht selten) kommt es zu sehr unangenehmen Folgen! Von ausgeglühten Bowdenzügen bis zu Alt/Gen/Starter Störungen ist zu rechnen!!!

• Elektrische Sensoren geben falsche Signale ab!!!

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Kabelanschlüsse • Reparaturen bzw Anfertigung von Kabelbäumen bedürfen größter

Sorgfalt. Mangelhafte Kabelanschlüsse bedeuten Elektrobrandgefahr!!!

• Die Publikation AC43.13 (FAA - USA) soll im Zweifelfall bei Anfertigungen und Verlegungen zu Rate gezogen werden!!!

• Die Radien der Kabelbäume und deren Befestigungsabstände sind sehr kritisch!!! Schutzüberzüge der Kabelbäume sind je nach Anforderung notwendig! Im Motorraum sind die Materialien erhöhten Temperaturen ausgesetzt und dies muss bei der Auswahl immer beachtet werden!!! Die Schwingungen des Motors sind für die Stromleitungen die zum Brandspant führen eine große Herausforderung!!!

• Die Dauerhafte Verbindung von Kabelösen mittels Verlötung hat sich als problematisch erwiesen und sollte nicht mehr angewandt werden!

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Verschleiß des Gen/Alternator Antriebes

• Je nach Ausbildung ist eine Abnützung leicht oder schwer erkennbar! Zu lockere Keilriemen und rutschende Antriebe mit vulkanisierten Dämpferelement sind im Preflight Check erkennbar! Kupplungen mit losen Dämpferelementen sind nur durch übermäßiges Spiel in ihrem Abnützungsgrad erkennbar, aber keine Gefahr für den Betrieb!

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Alternator - Fehlersuche

• Sofern der Spannungsregler nicht im Alternator integriert ist, kann das Feld direkt mit der Bordspannung versorgt werden und bei leicht erhöhter Leerlaufdrehzahl sofort erkannt werden ob der Fehler im Alternator oder im Regelkreis liegt.

• Übergangswiderstände im Regelkreis sind immer wieder ein Problem!!! Schwankende Abgabe kann ein Hinweis auf dieses Problem sein.

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SCHEMATIK Pa 28

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Generator – Fehlersuche

• Wird das Feld direkt auf Masse gelegt, kann bei erhöhter Leerlaufdrehzahl sofort erkannt werden, ob der Fehler im Generator oder im Regler liegt.

• Bei geöffnetem Regler niemals auf die Regler Kontakte drücken!!! Wird der Rückstromkreis bei eingeschaltetem Hauptschalter berührt brennt der Regler ab!!!

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General Arrangement – Single Engine Aircraft

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Starter

• Je nach Ausbildung der Starterritzel ist mit einer heiklen Instandhaltung zu rechnen!!!

• Die Hersteller wurden sehr oft, selbst für das gleiche Motor Modell gewechselt!!!Die Instandhaltungs Publikationen sind demnach auch unterschiedlich!!! Nur die freigegebenen Schmiermittel anwenden!!!

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Reinigung des Motors

• Bei einer Motorreinigung muss auf jedem Fall ein Eindringen des Reinigungsmittels in die elektrischen Komponenten vermieden werden!!! Abdeckungen an den Komponenten sind dabei sehr hilfreich. Pressluft soll mit großer Vorsicht eingesetzt werden!

• Nach erfolgter Reinigung schadet ein leichter Film von ACF 50 der elektrischen Anlage auf keinem Fall ( Motor wie Zelle)!!!

• Niemals Wasser in welcher Kombination auch immer, verwenden!!!

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Betriebliche Aspekte

• Start Mode:• Während des Startvorganges muss die

Avionik ausgeschaltet sein. Dies geschieht entweder automatisch oder wird seitens des Piloten durch Ausschalten der Funkanlagen berücksichtigt!

• LFZ mit einem Voltmeter erlauben einen guten Rückschluss auf den Batteriezustand während der Startphase.

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Verwendung von Starthilfen (Ground Power)

• Die Verwendung von Ground Power ist NUR als präventive Maßnahme zu empfehlen!!! Wenn fehlgeschlagener Startversuch mittels Ground Power begegnet wird ist, der Teufel mit im Plan!!! Meine Erfahrungen sind haarsträubend und erlauben mir eine klare Aussage. Je nach

• Verlauf kann beim Startversuch das Starterrelais verschweißt hängen geblieben sein und dann ist eine Verbindung mit der Fremdbatterie vielleicht katastrophal, der Motor beginnt sich sofort zu drehen und das mit all seinen Konsequenzen!!!

• Sollte der Start gelingen ist dies nicht unbedingt ein gutes Verhältnis für das Flugzeug. Von der Motorabnützung abgesehen ist die Batterie nun einer abnormalen Belastung ausgesetzt die nicht ohne Einbusse der Kapazität und Lebensdauer einhergeht!!!

• Bei Verwendung von Startbatterien ist ein Verwechseln der Polarität mit großem Schaden verbunden!!!

• Bei 12 Volt Systemen ist die irrtümliche Verwendung von 24 Volt Ground Power durch die gleiche Stecker Ausführung leicht möglich und hat kostenintensive unmittelbare und Langzeitfolgen!!!

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Low Voltage im Flug und seine

möglichen schwerwiegenden Folgen • Eine Low Voltage Condition ist ohne Voltmeter nicht so

leicht erkennbar! Wenn dem Piloten seine Ampereanzeigen in der jeweiligen Konfiguration bekannt sind ist über diesen Weg ein Rückschluss möglich! Welcher Pilot kennt wirklich alle diese Daten?

• Wenn im Flug eine Low Voltage Bedingung auftritt, ist mit einem bald eintretenden Totalausfall der elektrischen Bordanlage zu rechnen!!! Je nach Auslegung ist ein „Reset“ nicht mehr möglich!!! Einige Vorfälle in der Vergangenheit haben uns auf die konstruktiven Schwächen gewisser Auslegungen aufmerksam gemacht!!! Bei diesen LFZ wurde eine freiwillige Nachrüstung einer „Low Voltage Indication“ vorgenommen.

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Mögliche Gen/Alt Tests im eingebauten Zustand

• Schon im preflight check können wir bei manchen LFZ den Antrieb des Alt/Gen einer Keilriemen Sichtkontrolle unterziehen. Bei der Zündungs Check RPM ist eine maximale Belastung des Alt/Gen zu empfehlen. Das Antriebsmoment ist bei dieser RPM wesentlich höher und würde ein schlechtes Antriebsverhältnis aufzeigen!

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Die Ohmsche Formel • Kann als Prüfmittel für den Piloten für die in Frage gestellte Ampere Anzeige

angewandt werden. • U = Spannung in Volt (Nominal Spannung)• R = Widerstand in Ohm ( ergibt sich durch die ein geschalteten Verbraucher)• I = Stromfluß in Ampere (ergibt sich laut der Formel)

U -----------

R . I

• Darüber hinaus kann, solange die Voltanzeige den Nominalwert anzeigt, ist der vom Piloten angewählte Widerstand (durch die eingeschalteten Verbraucher) für das Bordnetz nicht zuviel! Wie viel Reserve noch vorhanden ist kann durch weitere zu geschaltete Verbraucher ermittelt werden. Ein Überschreiten der möglichen Kapazität des Alternators, würde sich durch ein Absinken unter die Nominal Spannung anzeigen und die Batterie in die Versorgung des Netzes mit einbinden! Hoffentlich ist dann eine Low Voltage Anzeige gegeben!

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Betriebliche Limits

Einschalten des Hauptschalters:• Eine Aktivierung des Bordnetzes soll nur nach

Sicherstellung der Vorbereitungen wie beim Motorstart erfolgen! So ist die Idee nur einmal schnell einzuschalten um den Tankinhalt zu bestimmen, vielleicht bei Fehlfunktionen im Bordnetz eine tödliche Idee!!! Der Hersteller Cessna hat diesbezüglich eine Warnung für die Instandhaltung veröffentlicht!!!

• Kennen wir den Verbrauchsgröße (Batterieentnahme) mit Hauptschalter nur in „ON“?

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• Starter: Die Betriebszyklen laut Hersteller sind unbedingt ein zuhalten!!! Der Starter erreicht sehr schnell eine Betriebstemperatur bei der sich der Kollektor auslötet!!!

• Ein Nachstarten ist unbedingt zu vermeiden!!! Je nach Ausbildung des Startermechanismus kann dies zu großen Folgeschäden führen (Späne im Ölsystem)!!!

• Ein Zurückdrehen ist bei einigen Starter Mechanismen nicht möglich!Starterritzel die nach dem Bendix Prinzip funktionieren sind immer wieder für eine Überraschung gut! Springt der Motor nicht an bleibt das Ritzel im Eingriff, wird dann der Motor zurück gedreht (für den nächsten Startversuch) dreht der Starter mit und löst zusätzliche Sorge aus. Allerdings ist dies vollkommen normal und nicht schadhaft!Der normale Spannungsabfall (gemessen am Starter während des Startvorganges) ist ca 2 Volt bei dem 12 Volt Systemen, bzw. 4 Volt bei dem 24 Volt Systemen!

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Generatoren

• Obwohl jene mit einer Kühlung ausgebildet sind, ist eine Überschreitung der normalen Betriebstemperatur selbst im Flug noch möglich! Bei Generatoren gilt es Standard jene nur mit Ca 80% ihrer Nennleistung zu betreiben! Die Absicherung des Generators ist allerdings nicht nur zum Schutz des Generators alleine vorgesehen!

• Der bei Kolbentriebwerken bescheidenen Generatorleistung im unteren Drehzahlbereich, soll unbedingt Rechnung getragen werden!

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Alternators

• Sind auf Grund ihrer Konstruktion nicht überlastbar. Die Absicherung des Alternator Ausganges dient nicht zum Schutz des Alternators, sondern schützt das Bordnetz vor einem schadhaften Alternator bzw. dessen Ausgangsleitung!

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Kritische Sicherungen

• Die Sicherungen für die elektrischen Trimmungen und Servos sollten in ihrer Position gut bekannt sein! Bei Fehlverhalten der Systeme ist eine Deaktivierung durch ziehen dieser Sicherungen die letzte Möglichkeit sich zu helfen. Elektrische angetriebene Hydraulik Pumpen können genauso zum Problem werden und sollten im gleichen Sinne behandelt werden! Grosse Zyklische Verbraucher sollten immer mittels dem Amperemeter überwacht werden!

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Elektrobrände • Elektrobrände können durch fehlerhafte Verbindungen

(Kabelanschlüsse) ausgelöst werden!!! Die dabei entstehenden Übergangswiderstände lösen vorerst eine örtliche Überhitzung aus. Dies kann bis zur Verbrennung der Kabelisolierung mit allen seinen weiteren Konsequenzen führen!!! Selbst eine in diesem Schaltkreis befindliche Sicherung würde wegen einer nicht Überschreitung des Normwertes,die Rettung sein!!!

• Durch Überlastung ausgelöste Sicherungsautomaten benötigen unbedingt eine Abkühlphase von mindestens drei Minuten!!! Vorzeitiges „resetten“ führt eventuell zum gefürchtetem Elektrobrand mit all seinen Folgen! Die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen „Reset“ ist sehr klein, deswegen soll eher sofort nachgedacht werden, wie geht es ohne diesen ausgefallenen Systemkreises, bzw. freiwillige Abschaltung des Bordnetzes weiter!!!

• Schadhafte Drehwiderstände (Rheostats) in Beleuchtungssystemen (alter Technologie Standard) sind als Brandquelle bekannt!!!

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Rheostat

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Abschließend ein Paar Fragen zum Verständnis des Bordnetzes • Kennen wir die Kapazität des Bordnetzes im

Normal und Notbetrieb?• Sind wir uns über die Belastung des Netzes,

durch die einzelnen Verbraucher im Klaren?• Welchen Vorsichtsmaßnahmen sind wann und

warum zu treffen?• Können wir die Betriebszustände interpretieren?• Wann ist sofortige unmittelbarere Instandhaltung

angesagt?