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Der leichte Einstieg in die Elektrotechnik & Elektronik Bauteile der Elektrotechnik · Solartechnik · Netzgeräte Motoren und Generatoren · Messgeräte · Beleuchtung Bo Hanus FRANZIS ELEKTRONIK

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Der leichte Einstieg in die

Elektrotechnik &Elektronik

Der leichte Einstieg in die

Elektrotechnik &Elektronik

Bauteile der Elektrotechnik · Solartechnik · NetzgeräteMotoren und Generatoren · Messgeräte · Beleuchtung

Bo HanusBo Hanus

Hier ist das Buch, mit dem Sie sich das Wissen über die Elektrotechnik und Elektronik anhand vieler erklärenderBilder und Versuchsbeispiele statt mit endlosen Texten aneignen können. Kurz und bündig erklärt der Autor alle wichtigen Zusammenhänge dieser Technik, ohne dass jemals Langeweile aufkommt.

Dieses Buch ermöglicht Ihnen einen spielerischen Einstieg in die Welt der Elektrotechnik. Viele erklärende Bilder und interessante, praktisch nachvollziehbare Versuche garantierenden Lernerfolg. Wer aus beruflichen Gründen etwas mehr über die Elektrotechnik oder Elektronik wissen möchte oder als Elektro-Heimwerker seine Kenntnisse erweitern will, hat mit diesem Buch die richtige Wahl getroffen. Er erfährt z. B., wie sich Gleich- von Wechselstrom unterscheidet, was es mitdem Magnetismus auf sich hat, wie Dynamos und Motorenfunktionieren, wie elektrisch beleuchtet und geheizt wird, was es mit Transformatoren und Netzgeräten auf sich hat und welche Aufgaben Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und Transformatoren haben. Nach dem Studium des Buches wird der Leser beruhigt feststellen, dass Elektronik und Elektrotechnik keine Geheimwissen-schaften sind.

Aus dem Inhalt:• Bauelemente der Elektrotechnik• Solartechnik• Netzgeräte• Schalten und Steuern• Elektromotoren und Generatoren• Zeitgeber• und vieles mehr

ISBN 978-3-645-65118-9

Euro 29,95 [D]

Besuchen Sie uns im Internet www.franzis.de

ISBN 978-3-645-65118-9

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65118-9 U1+U4 29.12.2011 12:59 Uhr Seite 1

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FRANZISE L E K T R O N I K

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den Produktbezeichnungen im Wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller.

Satz: Fotosatz Pfeifer, 82166 Gräfelfing

art & design: www.ideehoch2.de

Druck: Bercker, 47623 Kevelaer

Printed in Germany

ISBN 978-3-645-65118-9

65118-9 Titelei 29.12.2011 12:59 Uhr Seite 4

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Vorwort

Albert Einstein hat irgendwann gesagt, dass es zu den größten Herausforde-rungen gehört, eine komplizierte Sache einfach zu erklären. Dem kann manzustimmen. Und gerade bei Fachbüchern für Einsteiger ist es wichtig, dassdie einzelnen Themen leicht verständlich erklärt werden.

Wir haben dieses Buch wie eine Erzählung verfasst, die man gemütlich Sei-te für Seite von Anfang an lesen sollte. Überspringen von Seiten kann Lü-cken zur Folge haben, bei denen der Faden leicht verloren gehen könnte,denn jedes neue Thema baut auf den vorhergehenden Informationen auf.

Wie so vieles, was der Mensch erlernt und ausübt, erhebt auch das Fachge-biet der Elektrotechnik einen gewissen Anspruch auf praktische Übungenin Form von z. B. einfacheren Experimenten. Die Elektrotechnik lässt sichebenso wie Kochen, Schlittschuhlaufen oder Klavierspielen nicht alleindurchs Lesen lernen. Aus einem guten Buch kann man zwar in Erfahrungbringen, worauf es bei der Sache ankommt, wozu das eine oder das anderegeeignet ist und wie man damit umzugehen hat, aber ohne etwas Praxis ge-rät das erworbene Wissen ziemlich schnell in Vergessenheit.

Dieses Buch wurde mit sehr vielen Abbildungen gespickt, die als greifbareBeispiele den Zusammenhang zwischen Bekanntem und Unbekanntem er-läutern.

Viel Spaß beim Lesen dieses Buchs und viele Erfolgserlebnisse beim Expe-rimentieren wünschen Ihnen

Bo Hanus und seine Co-Autorin (und Ehefrau) Hannelore Hanus-Walther

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Inhalt

1 Die elektrische Energie ................................................................... 91.1 Die elektrische Spannung ................................................................. 101.2 Der elektrische Strom ....................................................................... 111.3 Die elektrische Leistung ................................................................... 141.4 Die Kilowattstunden.......................................................................... 171.5 Elektrische Leitungen ....................................................................... 18

2 Batterien und Akkus....................................................................... 212.1 Batteriespannung .............................................................................. 252.2 Batteriekapazität ............................................................................... 262.3 Das Laden ......................................................................................... 282.4 Selbstentladung................................................................................. 30

3 Magnetismus.................................................................................... 323.1 Dauermagnete ................................................................................... 323.2 Zungenschalter (Reed-Kontakte) ...................................................... 353.3 Elektromagnete ................................................................................. 363.4 Hubmagnete ...................................................................................... 383.5 Elektromagnetisches Türschloss....................................................... 393.6 Elektromagnetisch bediente Glocke ................................................. 393.7 Elektromagnetischer Türgong........................................................... 403.8 Elektromagnetische Türklingel......................................................... 403.9 Zungenrelais (Reed-Relais) .............................................................. 413.10 Elektromagnetische Relais................................................................ 433.11 Lautsprecher...................................................................................... 47

4 Elektrische Stromgeneratoren ....................................................... 504.1 Strom aus dem öffentlichen Netz...................................................... 57

5 Energie erzeugende Minigeneratoren ........................................... 585.1 Elektromagnetischer Gitarrentonabnehmer ...................................... 585.2 Elektromagnetisches Mikrofon......................................................... 615.3 Elektrodynamisches Mikrofon.......................................................... 62

7 Inhalt

6 Solarstrom........................................................................................636.1 Photovoltaik und Solarzellen ............................................................646.2 Temperaturabhängigkeit der Solarzellen...........................................776.3 Mechanische Eigenschaften der Solarzellen.....................................796.4 Kühlung der Solarzellen ...................................................................806.5 Schutzdioden (Bypass-Dioden) ........................................................806.6 Solarwechselrichter ...........................................................................84

7 Gleichspannung kontra Wechselspannung ...................................86

8 Messgeräte .......................................................................................888.1 Voltmeter...........................................................................................888.2 Amperemeter.....................................................................................908.3 Ohmmeter .........................................................................................918.4 Multimeter.........................................................................................918.5 Richtig messen ist einfach ................................................................928.6 Oszilloskope......................................................................................98

9 Der ohmsche Widerstand .............................................................1009.1 Das ohmsche Gesetz .......................................................................1049.2 Codierung von Widerständen..........................................................1099.3 Potenziometer..................................................................................1109.4 Fotowiderstände ..............................................................................112

10 Kondensatoren...............................................................................114

11 Spulen und Drosseln .....................................................................125

12 Transformatoren ...........................................................................130

13 Halbleiterdioden ............................................................................13513.1 Zenerdioden ....................................................................................141

14 Gleichrichter..................................................................................144

15 Netzgeräte und Netzteile...............................................................150

16 Elektrische Leuchtkörper.............................................................15816.1 Leuchtdioden (LEDs)......................................................................15916.2 Infrarotdioden (IR-Dioden).............................................................176

17 Elektrische Heizkörper.................................................................179

8 Inhalt

18 Elektrische Ventilatoren ............................................................... 181

19 Elektrische Kühlkörper................................................................ 182

20 Elektromotoren ............................................................................. 183

21 Schalten in der Elektrotechnik .................................................... 18621.1 Einfache Schalter ............................................................................ 18621.2 Schalten mit Relais ......................................................................... 18821.3 Bistabile Relais ............................................................................... 19121.4 Kontrollglimmlampen..................................................................... 19221.5 Elektronische Lastrelais .................................................................. 193

22 Sicherungen ................................................................................... 198

23 Drahtloses Schalten....................................................................... 202

24 Transistoren ................................................................................... 206

25 Integrierte Schaltungen – ICs ...................................................... 211

26 Digitale Fernsehtechnik ................................................................ 21926.1 Das Satelliten-Fernsehen ................................................................ 223

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1 Die elektrische Energie

Steckdosen und Batterien sinddie bekanntesten Energiequellen,aus denen wir die elektrische En-ergie beziehen.

Batterien sind nur Energiekonser-ven mit einem beschränkten Vor-rat an Energie. Sie sind wahlwei-se als wiederaufladbare Batteri-en (Akkus) oder als nicht wiederaufladbare Batterien (Wegwerf-batterien) erhältlich.

Der elektrische Strom aus denSteckdosen, die an das öffentli-che Stromnetz angeschlossensind, steht einfach „auf Abruf“ je-derzeit bereit. Er wird überwiegend in großen Stromgeneratoren erzeugt,die vom Prinzip her ähnlich einem Fahrraddynamo konstruiert sind. Siesind zwar viel größer und aufwendiger, aber erzeugen den elektrischenStrom auf die gleiche Weise (darauf kommen wir noch zurück).

Wir wissen, dass die elektrische Energie in zwei Grundformen zur Verfü-gung steht: als Wechselspannung und Wechselstrom oder alternativ alsGleichspannung und Gleichstrom.

Als internationale Abkürzung für die Wechselspannung bzw. den Wechsel-strom wird „AC“ (alternativ das Symbol ~) verwendet.

Für Gleichspannung und Gleichstrom wird die Abkürzung „DC“ (alterna-tiv das Symbol „=“) gebraucht.

Beispiele: „230 V AC“ oder alternativ „230 V~“ bedeutet, dass es sich umeine 230-Volt-Wechselspannung handelt.

„12 V DC“ oder alternativ „12 V =“ bedeutet, dass es um eine12-Volt-Gleichspannung geht.

10 1 Die elektrische Energie

1.1 Die elektrische Spannung

Wir wissen, dass jede Quelle der elektrischen Energie eine vorgegebeneSpannung hat und dass jedes elektrische Gerät oder jede Glühlampe füreine – vom Hersteller bestimmte – Betriebsspannung ausgelegt ist.

Die elektrische Spannung wird in Volt (abgekürzt V), manchmal auch in Ki-lovolt (kV) oder in Millivolt (mV) angegeben bzw. gemessen. Mit der Um-rechnung ist es ähnlich wie bei den Längenmaßen (Meter, Kilometer oderMillimeter): 1 kV = 1.000 V, 1 mV = 0,001 V.

Abhängig von der Art der vorgesehenen Stromversorgung werden elektrischeGeräte in netzbetriebene und batteriebetriebene eingestuft. Manche Gerätesind für beide Arten der Stromversorgung vorgesehen. Zudem verfügen vielebatteriebetriebene Geräte über ein zusätzliches „Netzteil“, über das sie wahl-weise an eine 230-Volt-Steckdose angeschlossen werden können.

Die 230-Volt-Spannung beziehenwir in der Bundesrepublik alsHausnetz-Normspannung (Licht-und Steckdosenspannung) aus demöffentlichen elektrischen Netz. Fürdiese Spannung sind fast alle Haus-haltsnetzgeräte und die meistenelektrischen Vorrichtungen ausge-legt. Das ist uns aber bekannt, dennwenn wir eine „normale“ Glühlam-pe oder Leuchtstofflampe kaufenwollen, müssen wir darauf achten,dass sie auch tatsächlich für„230 V“ vorgesehen ist.

Dass eine PKW-Glühlampe für eine12-Volt-Versorgungsspannung aus-gelegt ist, wissen die meisten vonuns. Die gleiche Spannung hat jaauch die Autobatterie. Eine Fahr-rad-Glühlampe ist wiederum füreine Spannung von bescheidenen 6Volt konzipiert, denn der Fahrrad-dynamo – oder alternativ der Fahr-radakku – liefert mehr oder wenigernur diese Spannung. Der Dynamo

11 1.2 Der elektrische Strom

erzeugt jedoch die volle 6-Volt-Spannung nur, wenn kräftiger in die Pedalegetreten wird, denn die von ihm gelieferte Spannung hängt von der Dreh-zahl seines Rotors ab.

Mit einer Betriebsspannung von bescheidenen 1,5 Volt geben sich vor allemdie meisten Funk- und Quarzuhren zufrieden. Armbanduhren beziehen die-se 1,5 V aus kleinen Knopfzellen, Haushaltsuhren aus kleinen (Mikro- oderMignon-) Batterien. Einige Kleingeräte oder Spielzeuge geben sich sogarmit einer Betriebsspannung von 1,2 Volt zufrieden. Das kommt mit der ty-pischen Nennspannung eines NiCD- oder NiMH-Akkus überein.

1.2 Der elektrische Strom

Der elektrische Strom wird oft mit demWasserstrom verglichen: Aus einemdünnen Gartenschlauch fließt einschwacher, aus einem Feuerwehr-schlauch kann bei Bedarf ein wesentlichkräftigerer Wasserstrom fließen. Dasgleiche gilt auch für den elektrischenStrom: Je kräftiger der Strom ist, derdurch einen Leiter fließt, desto größermuss der Durchmesser des Leiters sein.

Und je stärker ein Strom ist, desto mehr kann er leisten. Das gilt sowohl fürden Wasserstrom als auch für den elektrischen Strom.

Der elektrische Strom ist jedoch nicht sichtbar. Man kann daher eine Strom-leitung in dieser Hinsicht mit einer Druckluftleitung vergleichen, in der dieströmende Luft ebenfalls nicht sichtbar ist, aber dennoch erfahrungsgemäßz. B. pneumatische Handwerkzeuge antreiben kann.

Die Stromstärke wird in Ampere (A) oder in Milliampere (mA) angegebenoder gemessen. Auch hier ist es mit der Umrechnung von Milliampere inAmpere ähnlich wie bei der Umrechnung von Millimetern in Meter (1 mA= 0,001 A).

Der elektrische Strom fließt – in der Form von Elektronen – durch kompak-te Leiter, die überwiegend als Drähte oder Kabel in diversen Durchmessernerhältlich sind. Genau genommen fließt der elektrische Strom durch alleMetalle (oder auch durch andere elektrisch leitende Materialien), ohneRücksicht auf ihre Form.

12 1 Die elektrische Energie

Je kräftiger der Strom (in Ampere) ist, der durch einen Leiter fließt, destogrößer muss der Durchmesser des Leiters sein.

Aus einer Regentonne fließt das Was-ser heraus, sobald der Wasserhahnaufgedreht wird. Das ist der Schwer-kraft zu verdanken.

Der elektrische Strom kannnicht aus eigener Kraft ausder Steckdose oder aus derBatterie herausfließen. Dajede elektrische Spannungs-quelle aus zwei Polen be-steht, kann der Strom immererst dann von einem Pol(Pluspol) zum anderen Pol(Minuspol) fließen, wenneine elektrisch leitende Ver-bindung erstellt wird.

In einer intakten (aufgeladenen) Batterie herrscht am Minuspol ein Über-schuss an Elektronen und am Pluspol ein Mangel an Elektronen. Wird andie zwei Pole z. B. ein Glühlämpchen angeschlossen, fließen durch ihrenGlühfaden die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol – allerdings nur solange, bis sich ein Gleichgewicht einstellt (= bis die Batterie leer ist).

Der Fluss der Elektronen bewegt sich – als fließende elektrische Ladung –zwar vom Minuspol zum Pluspol, aber der elektrische Strom fließt in derGegenrichtung vom Pluspol zum Minuspol. Daher gilt in der Elektro-technik (und Elektronik) als Faustregel, dass der elektrische Strom im-mer vom Pluspol zum Minuspol fließt. Darauf werden auch alle Schal-tungen und Funktionen abgestimmt.

13 1.2 Der elektrische Strom

Der hochohmige Glühfa-den des Glühlämpchenswirkt sich auf die strö-menden Elektronen alseine Bremse aus. Würdeman bei diesem Beispieldas Glühlämpchen weg-lassen und die Pole einerBatterie nur mit einemKupferdraht verbinden,hätte das einen Kurzschluss zur Folge. Ein sehr dünner Kupferdraht würdedabei schmelzen (wie eine Sicherung „durchbrennen“), ein dicker Kupfer-draht würde einen explosionsartigen Ausgleich der Polpotenziale verursa-chen und dabei die Batterie vernichten.

Als Abhilfe gegen ein solches Risiko dienen Sicherungen, die z. B. auch beieinem Pkw zwischen der Autobatterie und den Zuleitungen zu allen Lam-pen und anderen „elektrischen Verbrauchern“ eingegliedert sind. Auch einjedes Hausnetz verfügt über Sicherungen oder Sicherungsautomaten, diebei einem Kurzschluss die geschützte Leitung vom Netz abschalten.

Sowohl für Wechselstrom als auch für Gleichstrom gilt:

Die Strom-Maßeinheit heißt Ampere (abgekürzt A). In der gängigen Praxiswird der Strom manchmal nur in Milliampere (mA) oder Mikroampere(µA) angegeben. Auch hier ist es mit der Umrechnung ähnlich wie bei denmetrischen Maßeinheiten: 1 A = 1.000 mA oder 1.000.000 µA.

14 1 Die elektrische Energie

Der Unterschied zwi-schen Wechselstrom undGleichstrom ist vom Prin-zip her leicht zu erklären:

Wird eine Glühlampe aneine Batterie angeschlos-sen, fließt durch sie unun-terbrochen ein konstanterStrom (Gleichstrom) nurin einer Richtung.

Eine improvisierte Wechselstromquelle könnten wir – wie abgebildet –z. B. mithilfe einer Batterie-Stromversorgung erstellen, bei der die Polaritätder Stromzufuhr zu der Glühlampe durch ständiges Umpolen der Batterie-anschlüsse gewechselt wird.

Auf die hier bildlich dargestellte Art wäre die Frequenz der Wechselspan-nung natürlich nur sehr niedrig. Man könnte jedoch einen solchen Polari-tätswechsel z. B. mithilfe eines kleinen elektromagnetischen Umschaltersbeschleunigen, der wie ein Blinker hin und her wippt und das ständige Um-drehen der Batterie ersetzt. Auf den „tieferen Sinn“ einer solchen Lösung,sowie auch auf die tatsächliche Wechselstromerzeugung, kommen wir inKap. 4 zurück.

1.3 Die elektrische Leistung

Wenn es heißt, dass die Leistung eines Motors z. B. 1 PS beträgt, dürfte esstattdessen heißen, dass sie 736 Watt beträgt, denn 1 PS = 736 Watt. Soweitzum „greifbaren“ Vergleich der zwei Leistungsmaßeinheiten. Wir verzich-ten auf das Grübeln darüber, wie viele von uns sich unter dem Begriff 1 PS(eine Pferdestärke) konkret vorstellen können, was für eine Leistung ein an-gemessen motiviertes Pferd tatsächlich aufbringen kann.

Mit der elektrischen Leistung hat dieser Vergleich nur soviel zu tun, dassz. B. ein Elektromotor mit einer Ausgangsleistung (Abgabeleistung) von 736Watt (= 0,736 kW) ungefähr die gleiche Leistung aufbringen müsste, wie einkooperatives lebendiges Pferd. Dieser Vergleich reicht aus, um sich die Grö-ßenordnung der elektrischen Leistung zumindest ungefähr vorstellen zu kön-nen. Elektrische Leistung kann jedoch leicht in Leistungen umgewandelt

15 1.3 Die elektrische Leistung

werden, die – wie z. B. Lichtoder Wärme – mit einer reinmechanischen Leistung nurbedingt vergleichbar sind.

Mit der eigentlichen Berech-nung der elektrischen Leis-tung ist es sehr einfach:

Es handelt sich hier um eine ähnlicheFormel wie die, die uns von der Be-rechnung einer Fläche geläufig ist:Länge × Breite = Fläche

Die elektrische Leistung ist an denTypenschildern der meisten elektri-schen Geräte – sowie auch auf allenGlüh- und Leuchtstofflampen – auf-geführt und braucht nur selten be-rechnet zu werden. Dennoch kannsich der Zugriff auf diese Formelmanchmal als ganz nützlich erweisen.Als ein einfaches Beispiel dient fol-gendes Anliegen:

Im Waschraum eines Wohnhauses sind die Steckdosen für die Waschma-schine und den Wäschetrockner an einem gemeinsamen 16-Ampere-Siche-rungsautomaten (neudeutsch „Leitungsschutzschalter“) angeschlossen. Wennbeide Maschinen gleichzeitig betrieben werden, schaltet der Sicherungsau-tomat den Strom oft ab.

Spannung (in Volt) × Strom (in Ampere) = Leistung (in Watt) Zwei Abwandlungen dieser Formel lauten:Leistung (in Watt) : Spannung (in Volt) = Strom (in Ampere)Leistung (in Watt) : Strom (in Ampere) = Spannung (in Volt)

16 1 Die elektrische Energie

Warum? Ist der Sicherungsautomat vielleicht überlastet? Das lässt sichleicht auskundschaften. Auf den Typenschildern (und in den Bedienungsan-leitungen) der Geräte sind jeweils nur die Betriebsspannung (230 V~) unddie „Anschlusswerte“ bzw. die bezogenen Leistungen als 3.000 W (3 kW)und 2.500 W (2 kW), aber nicht der Stromverbrauch aufgeführt. Machtnichts, denn das rechnen wir uns leicht aus:

Die maximal bezogene Leistung beträgt 3.000 Watt + 2.500 Watt = 5.500Watt. Diese 5.500 Watt teilen wir durch 230 Volt und erhalten einen Stromvon stolzen 23,91 Ampere (5.500 W : 230 V = 23,91 A).

Diese maximale Stromaufnahme kommt immer dann vor, wenn beide Ma-schinen (abhängig von der jeweiligen Programmstufe) den maximalenStrom beziehen. Ein 16-A-Sicherungsautomat ist hier deutlich unzurei-chend und sollte durch einen 25-A- oder 32-A-Automaten ersetzt werden.

Bei der elektrischen Leistung, die bei Elektrogeräten oder Elektromotorenaufgeführt wird, muss zwischen der Abnahmeleistung (d.h. der bezogenenoder verbrauchten Leistung) und der Abgabeleistung (d.h. der tatsächlicherbrachten Leistung) unterschieden werden. Diese zwei unterschiedlichen„Leistungen“ geben z. B. Hersteller von Elektromotoren auf folgende Wei-se in den technischen Daten preis: Abnahmeleistung 200 Watt, Abgabeleis-tung 108 Watt.

Die Abnahmeleistung sagt also nur aus, was der Motor „frisst“, die Abga-beleistung sagt aus, was er tatsächlich leistet. Ein Staubsaugermotor kannz. B. 1.500 Watt „fressen“, aber in Wirklichkeit dennoch nur einen Bruch-teil dieser Leistung abgeben. Mit einer „normalen“ Glühbirne ist es in die-ser Hinsicht noch schlimmer, denn sie wandelt nur etwa 5 % bis 6 % der be-zogenen Energie in Licht um. Den Rest der bezogenen Energie strahlt sie indie Umgebung als Wärme ab (worauf man meist verzichten könnte).

So gut wie keine energetischen Verluste entstehen bei der Umwandlung derelektrischen Energie in Wärme: Elektroheizkörper (darunter auch Heizkis-sen und Heizdecken) oder Wasserkocher, deren Heizspirale vom Wasservoll umhüllt ist, arbeiten in dieser Hinsicht praktisch verlustfrei.

Wäre noch darauf hinzuweisen, dass die Leistung bei manchen induktivenLasten (z. B. bei Transformatoren) nicht in Watt (W), sondern in Voltampe-re (VA) angegeben wird. Das hat etwas mit der „Phasenverschiebung“ (mitdem so genannten Phasenwinkel „ϕ“) zu tun. Wir dürfen einfachheitshalberdie „VA“ und die „W“ als dasselbe betrachten. Genau genommen müsste

17 1.4 Die Kilowattstunden

andernfalls für die Berechnung der „Wirkleistung“ bei induktiven Lastendie Formel:

Leistung = Spannung × Strom × cos (ϕ)

angewendet werden.

Das „cos (ϕ)“ stellt eine Zahl dar, die immer kleiner als 1 ist und somit dieLeistung etwas reduziert. Dieses cos (ϕ) wird in der Praxis bei induktivenLasten jedoch nur selten angegeben (z. B. als cos ϕ = 0,95). In dem Fall be-zieht man es – wenn man will – in die Formel ein. Man darf sich aber in derPraxis einfach damit zufrieden geben, dass man über die Existenz dieses ko-mischen „Kosinus ϕ“ im Bilde ist. Jedenfalls wirkt sich diese „Phasenver-schiebung“ auf die tatsächliche Leistung sozusagen als ein sanfter „Abspeck-faktor“ aus. Gut zu wissen, dass es so etwas überhaupt gibt (und das genügt).

1.4 Die Kilowattstunden

Der Stromzähler des Stromlieferanten zähltin jedem Haushalt laufend den Energiever-brauch in Kilowattstunden. Wie der Namedes Zählers andeutet, handelt es sich hierum die Erfassung der bezogenen Energie inder Form von Leistung (in Kilowatt) malZeit (in Betriebsstunden). Die Endsummewird als Kilowattstunde(n) – abgekürzt kWh– bezeichnet. Eine Kilowattstunde = 1.000Wattstunden (1 kWh = 1.000 Wh).

Einige Beispiele: Bezieht eine 100-Watt-Glühlampe eine Stun-de lang den elektrischen Strom, entsteht einStromverbrauch von 100 Wh (= 0,1 kWh).

Bezieht eine elektrische Kochplatte eineStunde lang eine elektrische Leistung von1.500 Watt (1,5 kW), ergibt sich daraus ein Energieverbrauch von 1,5 kWh.Bleibt sie zwei Stunden lang eingeschaltet, verdoppelt sich der Energiever-brauch auf 3 kWh usw.

Eine 7-Watt-Energiesparlampe verbraucht erst nach ca. 142,8 Betriebsstun-den eine einzige Kilowattstunde an elektrischer Energie (1.000 Watt :7 Watt = 142,8 Betriebsstunden).

18 1 Die elektrische Energie

Laut Prospekt verbraucht ein LED-Fernseher eine elektrische Leistung von70 Watt (im Betrieb) und 0,3 W (W) (im Stand-by-Betrieb). Wie lange erim „Vollbetrieb“ läuft, bevor er eine Kilowattstunde (1.000 W × 1 Stunde)verbraucht, ist schnell ausgerechnet: 1.000 W : 70 W = 14,28 Std.

Nun zum Stand-by: Wir nehmen an, dass wir im Durchschnitt 2 ½ Stundenpro Tag fernsehen. Der Rest von 21,5 Std. pro Tag entfällt auf den Stand-by-Verbrauch. Das ergibt pro Jahr: 365 Tage × 21,5 Std. = 78.475 Stunden;multipliziert mit 0,3 W = 23.542 Wattstunden (= 23,5 kWh).

Kostet uns eine Kilowattstunde z. B. 26 Cent, verbraucht der Stand-by-Be-trieb 6,11 € im Jahr (0,26 € × 23,5 kWh = 6,11 €).

1.5 Elektrische Leitungen

Als elektrische Leitungen werden bekanntlich Kupferleiter in der Form vonisolierten Drähten und Kabeln verwendet. Auf nähere Einzelheiten kom-men wir noch in Kapitel 9 zurück. Vorerst wäre jedoch erklärungsbedürftig,wie elektrische Leitungen, darunter auch leitende Verbindungen aller Art,in elektrischen Schaltplänen zeichnerisch dargestellt werden – was wir nunanhand von einigen Beispielen zeigen:

Grundsätzlich werden in einem elektri-schen Schaltplan (in einem Schema)alle Verbindungen bevorzugt nur waag-recht und senkrecht angeordnet. Aus-nahmen – in Form von schrägen Linienoder Bögen – sind zwar zulässig, abernur dann sinnvoll, wenn es der leichte-

ren Verständlichkeit der Schaltung dient. Dies kann vor allem Anwendernmit wenig Erfahrung den Überblick erleichtern (weshalb auch wir es in die-sem Buch bei manchen Beispielen so handhaben). Wie eine schematischdargestellte Verbindung im Schaltplan angeordnet ist (über wie viele„Ecken“ sie sich um andere Bauteile schlingert), hat nichts damit zu tun,wie sie z. B. in einem Gerät tatsächlich verläuft oder wie sie beim Nachbaueiner Schaltung verlegt wird. Ausnahmen werden üblicherweise nur beiSchaltplänen von elektrischen Hausnetzen gemacht, denn hier werden inder Regel die Lichtschalter, Steckdosen und Lampenanschlüsse „maßstab-gerecht“ in die Wände dort eingezeichnet, wo sie der Elektroinstallateur an-bringen soll.

19 1.5 Elektrische Leitungen

Wenn sich in einem Schaltplanzwei Linien kreuzen und dieseKreuzung nicht mit einemPunkt versehen ist, handelt essich um zwei Linien, die mit-einander nicht verbunden sind.Ist in einem Schaltplan dieKreuzung von zwei Linien –oder eine Abzweigung – mit ei-nem Punkt versehen, handelt essich um eine leitende Verbin-dung.

Solche Kreuzungen undVerbindungen verlaufen inWirklichkeit in einem Ge-rät oder in einer Vorrichtungoft ganz woanders, als esschematisch dargestellt wird,denn bei einem Schaltplangeht es vor allem darum,dass die Funktionsweise derSchaltung leicht nachvoll-ziehbar ist. Dem techni-schen Zeichner bleibt es da-bei überlassen, wie er allesanordnet. Von Bedeutung istnur, dass eine zeichnerischdargestellte Leitung denAusgangspunkt mit demvorgesehenen Zielpunkt ver-bindet. Ein praktisches Ver-gleichsbeispiel geht aus dernebenstehenden Abbildunghervor.

Schematische Darstellung der vorhergehen-den Schaltung mit Anwendung von Schaltzei-chen:

20 1 Die elektrische Energie

Das Schaltzeichen einer Erdung (a) oder Masse(b) spielt in der Elektrotechnik – und somit auchin der Elektronik – eine sehr wichtige Rolle. Dasunter (c) abgebildete Schaltzeichen der Massewird in ausländischen Schaltungen angewendet.

Ein „Erdleiter“ (Schutzleiter) schützt im Hausnetz die Benutzer vor Verlet-zung – dies zumindest bei Lampen, Geräten und Vorrichtungen, deren Ge-häuse aus Metall ist. Das Anschlusskabel ist in dem Fall dreiadrig ausge-führt, und der Erdleiter mit grün-gelber Isolierung wird mit den elektrischleitenden Metallteilen solcher Verbraucher verbunden. Sollte durch eine in-terne Beschädigung der metallische Körperteil des Verbrauchers in Berüh-rung mit der Phase kommen, verursacht das einen Kurzschluss, der eineblitzschnelle Stromabschaltung zufolge hat – wodurch der Anwender voreinem elektrischen Schlag geschützt wird.

Bei elektronischen Schaltungen müssen zudem etliche Funktionsteile „ge-erdet“ werden, um ihre Aufgabe optimal erfüllen zu können. Unter diesemBegriff versteht man hier jedoch nur ausnahmsweise eine echte Verbindungmit „Mutter Erde“, sondern eher eine Verbindung mit der „Masse“. Mit ihrwerden u. a. Chassis, Konsolen und Rahmen eines Gerätes, sowie auch Ab-schirmungen von Antennen-Koaxialkabeln und Audioleitungen verbunden.Auch der Minuspol einer einfacheren Spannungsversorgung einer elektro-nischen Schaltung wird in der Regel mit der Masse verbunden (wie in die-sem Buch noch an mehreren Beispielen gezeigt wird).

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2 Batterien und Akkus

Die Bezeichnung „Batterie“ wird gegenwärtig ziemlich wahllos sowohl füraufladbare als auch für nicht aufladbare Batterien angewendet. Unter demBegriff „Akku“ (Akkumulator) ist dagegen ausschließlich eine „aufladbareBatterie“ zu verstehen.

In Batterien entsteht dieelektrische Energie durchchemische Vorgänge. Wer-den z. B. in ein Gefäß mitverdünnter Schwefelsäure(als Strom leitende Flüs-sigkeit) eine Kupferplatteund eine Zinkplatte ge-taucht, entsteht zwischendiesen zwei „Elektroden“ein elektrisches Potenzial.Die Kupferplatte (Kupfer-elektrode) ist der Pluspol,die Zinkplatte (Zinkelek-trode) der Minuspol dieserBatterie.

Als Batterie-Elektroden werden auch andere Metalle oder Materialien wieAluminium, Eisen, Zinn, Gold, Silber, Quecksilber, Lithium, Wasserstoff,Natrium u. a. verwendet.

Eines haben die meisten „normalen“Batterien gemeinsam: sie sind nichtwiederaufladbar. Der elektrische Stromkann nur so lange bezogen werden, bisnach Ablauf der chemischen Reaktioneine der Elektroden chemisch zersetztwird. Die Batterie liefert dann keineSpannung mehr (ist „leer“).

Batterietyp: Abmessungen:

Micro H 44 ∅ 10 mm

Mignon H 50 ∅ 14 mm

Baby H 50 ∅ 25 mm

Mono H 60 ∅ 32 mm

Block 9 V 49 × 26 × 16 mm

22 2 Batterien und Akkus

Wiederaufladbare Batterien (Akkus) können die elektrische Energie nichtintern erzeugen, sondern nur speichern. Sie müssen daher bereits beim Her-steller aufgeladen und danach vom Anwender nach Bedarf nachgeladenwerden.

Die gängigsten Akkus sind:

a) Bleiakkus (zu denen auch Autobatterien gehören)b) Nickel-Cadmium(NiCd)-Akkusc) Nickel-Metallhydrid(NiMH)-Akkus d) Lithiumakkus und Knopfzellen

Bleiakkus kennen wir vor allem als Autobatterien, die für eine Nennspan-nung von 12 Volt ausgelegt sind. Eine solche Batterie setzt sich aus sechs inReihe geschalteten Blei-Einzelzellen zusammen, deren Nennspannung je2 Volt beträgt (6 × 2 Volt = 12 Volt). Diese 2-Volt-Zellenspannung stellteine typische Nennspannung eines Bleiakkugliedes dar.

Kleinere Bleiakkus sind für 6-Volt- und 12-Volt-Spannungen ausgelegt. Diehier abgebildeten Blei-Gel-Akkus verfügen über Kapazitäten zwischen1,2 Ah (bei 6-V-Nennspannung) und 42 Ah (bei 12-V-Nennspannung).

Die Bezeichnung Nennspannung bezieht sich bei allen Batterien auf einenSpannungswert, der tatsächlich repräsentativ für einen breiteren Span-

Foto: ELV

23 1.5 Elektrische Leitungen

nungsbereich ist. So liegt z. B. die tatsächliche Spannung einer aufgelade-nen Autobatterie bei etwa 13,8 Volt und die einer „ziemlich leeren“ in derNähe von 10–10,5 Volt (typenabhängig).

Dass man eine Autobatterie als „ziemlich leer“ bezeichnen darf, obwohlihre Spannung z. B. nur auf 10,5 Volt gesunken ist, hat folgende Gründe:Ein jeder Bleiakku reagiert sehr empfindlich auf die Entladung unterhalbeiner sogenannten Tiefentladeschwelle. Wenn seine Spannung einmal unterdiese Schwelle (bei einem 12-Volt-Akku unterhalb von ca. 10–10,5 Volt)sinkt, wird er intern stark beschädigt oder vernichtet.

Eine solche Beschädigung ist zwar nicht nach außen sichtbar, aber derAkku hält nach dem Aufladen die in ihm gespeicherte Energie nur noch re-lativ kurze Zeit (wobei seine Speicherfähigkeit und „Selbstentladung“ vomAusmaß der Beschädigung abhängen).

Ganz anders sieht es beim Umgang mit einem NiCd-Akku aus: Ein NiCd-Akku liebt es, wenn er mindestens einmal in drei Monaten bis in die Nähevon 0,9 Volt pro Zelle (= um ca. ¼ der Nennspannung) entladen und danachwieder aufgeladen wird. Geschieht dies nicht, wird dieser Akku im Laufeder Zeit „faul“ und lässt sich nicht mehr „ordentlich“ (auf seine volle Kapa-zität) nachladen.

Verantwortlich für diesen Spleen ist bei den NiCd-Akkus ein sogenannterMemory-Effekt: Der Akku merkt sich, dass er nicht allzu sehr beanspruchtwird, und stellt sich darauf ein.

Sowohl die NiCd- als auch dieNiMH-Akkus sind für eine Span-nung von 1,2 Volt pro Glied aus-gelegt. NiMH-Akkus sind im Ver-gleich zu den NiCd-Akkus we-sentlich strapazierfähiger, weiseneine höhere Kapazität wie aucheine längere Lebensdauer auf undleiden nicht unter dem erwähntenMemory-Effekt. Sie beinhalten zu-dem keine giftigen Stoffe und gel-ten daher als umweltfreundlich.Sie setzen sich trotzdem nur rela-tiv langsam durch, weil sie nochziemlich teuer sind.

24 2 Batterien und Akkus

Wiederaufladbare Lithium-Knopfzellensind für die Energieversorgung diverserKleingeräte – wie Solartaschenrechnern,Armbanduhren, Film- und Fotogeräte –zuständig und weisen eine „hohe Ener-giedichte“ (= hohe Speicherkapazität bei

geringem Platzbedarf) auf. Ihre Nennspannung beträgt 3 Volt und ihre Ka-pazität liegt (größenabhängig) zwischen ca. 25 und 1.000 Milliamperestun-den (mAh).

Eine „aus dem Rahmen fallende Spezies“ stellen die limitiert aufladbarenalkalischen 1,5-Volt-Batterien der Type „Rayovac“ dar (Anbieter: ConradElectronic). Diese Zellen können etwa 25-mal neu aufgeladen werden undverkraften bis zu 100 Ladevorgänge bei regelmäßiger Ladung, die mit ei-nem speziellen Rayovac-Ladegerät vorgenommen wird. Diese Batteriensind vor allem durch die 1,5-V-Zellenspannung interessant, da sie anstellevon nicht wiederaufladbaren 1,5-V-Batterien angewendet werden können.

25 2.1 Batteriespannung

2.1 Batteriespannung

Wird eine höhere Batte-riespannung benötigt, alseine einzige Zelle auf-bringt, können beliebigviele Zellen in Reihe (inSerie) verschaltet wer-den. Der Pluspol der ei-nen Batterie muss dabeijeweils mit dem Minus-pol der nächsten Batte-rie verbunden werden.

In den meisten Kleingeräten werdendie einzelnen Zellen jeweils – wie ab-gebildet – „gegengepolt“ eingesetzt,wodurch sich die einzelnen Verbin-dungen herstellungsseitig einfacherbewerkstelligen lassen.

Nicht nur einzelne Zellen, son-dern auch beliebig große Batteri-en – darunter z. B. Autobatterien– können in Reihe geschaltet wer-den, um eine höhere Ausgangs-spannung zu erhalten.

Für eine Reihenschaltung solltengrundsätzlich jeweils Batterien

26 2 Batterien und Akkus

derselben Type (zumindest der gleichen Kapazität) verwendet werden. ZurNot können auch „halb leere“ Batterien mit neuen Batterien kombiniertwerden, wenn z. B. ein Gerät nicht mehr funktioniert und nicht genügendneue Batterien vorrätig sind. Die Lebenserwartung der neuen Batterienwird durch eine solche Kombination nicht beeinträchtigt, aber die alters-schwachen Batterien tragen in diesem Fall verständlicherweise nur mit ih-ren „Restspannungen“ zur Ausgangsspannung der ganzen Spannungsver-sorgung bei. Ein möglichst schleuniges Ersetzen der einzelnen alten Batte-rien ist verständlicherweise sinnvoll. Andernfalls bleibt man beim Improvi-sieren oder es werden eines Tages die noch intakten zusammen mit den ver-brauchten Batterien entsorgt.

2.2 Batteriekapazität

Die Batteriekapazität stellt das Fassungsvermögen (den energetischen In-halt) einer Batterie dar. Sie wird in Amperestunden (Ah) angegeben. DieseAngabe dürfte alternativ als Ampere mal Stunden formuliert werden.

Eine 60-Ah-Autobatterie kann beispielsweise:

6 Stunden lang einen Strom von 10 A liefern (6 Stunden × 10 A = 60 Ah) oder

10 Stunden lang einen Strom von 6 A liefern (10 Stunden × 6 A = 60 Ah) oder

40 Stunden lang einen Strom von 1,5 Ah liefern (40 Stunden × 1,5 Ah = 60 Ah)usw.

27 2.2 Batteriekapazität

Die Stromabnahme kann na-türlich auch portionsweise inverschiedenen Konstellatio-nen erfolgen. Die jeweiligen„Stromabnahmen mal Zeit-spannen“ verbrauchen einfachden energetischen Inhalt (dieEnergiereserve) einer Batte-rie auf die gleiche Weise, wiewenn einem Weinfass der le-ckere Inhalt entnommen wird.

Das gleiche Prinzip gilt auch für kleine Batterien und Akkus. Im Gegensatzzu den Autobatterien ist jedoch der tatsächliche energetische Inhalt an klei-nen Batterien nur ziemlich selten auffindbar. Die Hersteller bevorzugennichtssagende Aufwertungen, wie „long-life“ o. Ä.

In Katalogen des Elektronik-Versandhandels sind jedoch bei vielen Batteri-en die Kapazitäten aufgeführt und man kann sich bei Bedarf ausrechnen,wie lange eine Batterie „mitgeht“, wenn sie einen „Verbraucher“ versorgensoll, dessen Stromabnahme bekannt ist.

Bei kleineren Batterien (auch bei Knopfzellen) wird die Kapazität nicht inAmperestunden (Ah), sondern in Milliamperestunden (mAh) angegeben(1 Ah = 1.000 mAh). Wie so etwas konkret aussieht, zeigen wir an einigenpraktischen Teilauszügen aus dem Katalog von Conrad-Electronic:

Lithiumknopfzellen

VARTA NiCd-Akkus

Typ Abmessungen (∅ × H) Spannung KapazitätCR 1216 12 × 1,6 mm 3 Volt 25 mAhCR 1220 12 × 2 mm 3 Volt 38 mAhCR 1616 16 × 1,6 mm 3 Volt 50 mAhCR 1632 16 × 3,2 mm 3 Volt 125 mAhCR 2430 24,5 × 3 mm 3 Volt 285 mAh

Typ Abmessungen (∅ × H) Spannung KapazitätLady 11,5 × 28,5 mm 1,2 Volt 180 mAhMicro 10 × 43,5 mm 1,2 Volt 300 mAhMignon 14,5 × 50,3 mm 1,2 Volt 750 mAhBaby 26 × 49 mm 1,2 Volt 1.500 mAhMono 33,5 × 61 mm 1,2 Volt 5.000 mAh

28 2 Batterien und Akkus

2.3 Das Laden

Bei wiederaufladbaren Batterien (Akkus) muss die verbrauchte Energie je-weils nachgeladen werden.

Wie bereits an anderer Stelle angesprochen wurde, ist bei allen Bleiakkusdarauf zu achten, dass sie rechtzeitig nachgeladen werden, bevor ihre Span-nung unter die sogenannte Tiefentladeschwelle sinkt.

Bleiakkus, die nicht fürFahrzeuge im öffentlichenVerkehr verwendet werden,sollten bevorzugt mit einemTiefentladeschutz versehenwerden. Das ist ein kleinesGerät, das den Akku von

dem angeschlossenen Verbraucher(n) automatisch abschaltet, sobald seineSpannung „gefährlich“ sinkt, und erst dann wieder einschaltet, wenn er „zu-mutbar“ nachgeladen wurde.

Das Nachladen eines NiCd-Akkus sollte – im Gegensatz zu dem Nachladenvon Bleiakkus – bevorzugt jeweils erst dann erfolgen, wenn er ausreichendentladen ist. Das hängt mit dem bereits angesprochenen Memory-Effekt zu-sammen: Wird der Akku oftmals jeweils nur teilweise entladen und danachwieder nachgeladen, registriert er diese Schwelle als „Leerstand“ und istanschließend nicht mehr bereit, die Restenergie zu liefern, die unterhalbdieser Schwelle liegt. Danach verhält sich z. B. ein 1-Ah-Akku irgendwannnur wie ein 0,5-Ah-Akku und anschließend nimmt seine Leistungsfähigkeitweiter zu schnell ab. Ein solch „fauler Hund“ kann jedoch bei etwas Glückmithilfe eines speziellen „Ladegerätes mit Pflegeprogramm“ (Anbieter:Conrad Electronic) regeneriert werden.

Bei Autobatterien geschieht das Nachladen automatisch während jederFahrt. Zuständig dafür ist die so genannte Lichtmaschine. Das ist ein elek-trischer Wechselstrom-Generator, der mit dem Automotor z. B. mittels ei-nes Keilriemens verbunden ist. Sobald der Automotor läuft, erzeugt dieserGenerator den benötigten Ladestrom für die Autobatterie. Da es sich umeinen Wechselstromgenerator handelt, wird der von ihm erzeugte Wechsel-strom gleichgerichtet und somit zu einem Gleichstrom umgewandelt. Einezusätzliche Spannungsregelung sorgt dafür, dass die Ladespannung nichteinen Höchstwert überschreitet, der für die Autobatterie zu gefährlich wä-re.

29 2.3 Das Laden

Akkuwerkzeuge verfügen übli-cherweise über eigene „Stecker-Ladegeräte“, die das bedarfsge-rechte Nachladen bewerkstelli-gen.

Ansonsten gibt es für das Nach-laden von allen handelsüblichenAkkus (darunter auch für das La-den von Autobatterien) eine gro-ße Auswahl an Ladegeräten.

Zum Aufladen eines Akkusbraucht man jedoch nicht unbe-dingt ein „echtes“ Ladegerät,sondern einfach nur eine Span-nungsquelle, die über die erfor-derliche Ladespannung verfügtund einen „brauchbaren“ Lade-strom liefern kann.

Die Ladespannung sollteetwa 18 % bis 22 % höhersein als die Nennspannungdes geladenen Akkus, dennder elektrische Ladestromkann in die Batterie nur dannhineinfließen, wenn die Lade-spannung höher als die jewei-lige Batteriespannung ist. Umz. B. eine 12-Volt-Autobatte-rie optimal aufladen zu kön-nen, müsste die Lade-spannung ca. 14 Volt betragen (12 V × 1,18 ≈ 14 V). Der Ladestrom darf beiBleiakkus und bei NiCd-Akkus höchstens 10 %, bei NiMH-Akkus höchstens20 % der offiziellen Akkukapazität betragen. Eine 40-Ah-Autobatterie darf alsohöchstens mit einem Ladestrom von 4 A, ein 600-mAh(0,6 AH)- NiCd-Akkudarf höchstens mit einem Ladestrom von 60 mA geladen werden usw.

Eine minimale Grenze gibt es dagegen bei dem Ladestrom nicht. Je niedrigerder Ladestrom ist, desto länger muss geladen werden. Das verläuft nach demgleichen Prinzip wie das Einlassen von Wasser in einer Badewanne. Ist z. B.

30 2 Batterien und Akkus

eine 40-Ah-Autobatterie „halb leer“, müssen die verbrauchten 20 Ah nachge-laden werden. Da beim Laden bis zu etwa 20 % der zugeführten Energie durchLadeverluste verloren geht, müssen nicht 20 Ah, sondern ca. 24 Ah nachgela-den werden. In die Batterie müsste demnach theoretisch etwa 6 Stunden langein Strom von 4 A oder 10 Stunden lang ein Strom von 2,4 A vom Ladegerät„hineingepumpt“ werden (6 Std. × 4 A = 24 Ah; 10 Std. × 2,5 A = 24 Ah).

In der Praxis jedoch bezieht der Akku einen konti-nuierlichen Ladestrom nur bei Anwendung vonsehr speziellen Ladegeräten, die so ausgelegt sind,dass ihre Ladespannung mit der Spannung des ge-ladenen Akkus schrittweise steigt. Ansonsten sinktder Ladestrom während des Ladens laufend – wasdamit zusammenhängt, dass der Unterschied zwi-schen der steigenden Akkuspannung und der Lade-spannung immer kleiner wird. Dieser Hinweis istfür die Praxis nur insofern von Bedeutung, dass dieDauer eines Nachladens entsprechend „großzügi-ger“ einzuschätzen ist, falls kein Ladegerät verwen-det wird, das die Vollendung des Nachladens an-zeigt.

Ohne Rücksicht auf die Art und die Spannung einer Batterie wird in techni-schen Zeichnungen eines der oben abgebildeten Schaltzeichen verwendet(das untere Schaltzeichen wird mit Vorliebe dann verwendet, wenn hervor-gehoben werden soll, dass es sich um eine Batterie mit mehreren Gliedernhandelt).

2.4 Selbstentladung

Alle Batterien weisen eine Selbstentladung auf, die sich als „Ruhestand-Ener-gieverlust“ auswirkt. Bei Bleiakkus liegt die Selbstentladung (typenbezogen)zwischen ca. 3 % und 8 % pro Monat. Bei manchen NiCd-Akkus verursachtdie Selbstentladung sogar ca. 15 % bis 30 % an Energieverlust pro Monat.

Manche spezielle Batterien (z. B. Lithiumbatterien), weisen eine sehr nied-rige Selbstentladung auf, die, je nach Typ, sogar nur etwa 10 % in 20 Jahrenbeträgt. Sie liegt umgerechnet unter ca. 0,04 % bis 0,08 % pro Monat.

Auch bei nicht wiederaufladbaren Batterien – so z. B. auch bei Uhr-Knopf-zellen – hat diese wenig bekannte (und nicht nachvollziehbare) Selbstentla-

31 2.4 Selbstentladung

dung zur Folge, dass eine neu gekaufte Batterie unter Umständen schon ei-nen großen Teil ihrer „besten Zeit“ hinter sich hat.

Die Selbstentladung sollte vor allem bei Akkus berücksichtigt werden, diez. B. im Außenbereich für die Energieversorgung eines Gerätes oder einerAnlage zuständig sind und deren Spannung nicht automatisch überwachtoder angezeigt wird. Bleiakkumulatoren – wozu auch Auto-, Motorrad-oder Rasentraktor-Batterien zählen – die z. B. während der Wintermonatenicht gebraucht werden, sollten während ihrer „Ruheperiode“ zumindesteinmal (z. B. im Januar) nachgeladen werden. Das schützt sie vor einer ge-fährlich tiefen Selbstentladung und zudem auch vor evtl. Vernichtung durchFrost (wenig aufgeladene Bleiakkus sind wesentlich frostempfindlicher alsvolle Akkus, und ihr Gehäuse kann bei einem starken Frost ähnlich reißenwie ein Eimer, in dem das Wasser eingefroren ist).

Der 12-Volt-Bleiakku eines Fahrzeugs, das während der Winterperiode län-ger außer Betrieb bleibt, kann nach folgendem Beispiel auch solarelektrischnachgeladen werden. Der kostengünstige Lade-IC PB 137 verkraftet einenLadestrom von bis zu 1,5 A und eine Ladespannung von bis zu 40 V. DieseLadevorrichtung kann an die Batterie eines abgestellten Fahrzeugs währendder ganzen Winterperiode angeschlossen bleiben.

Lithiumbatteriensind leider oft nurfür Nennspannun-gen ausgelegt, dievon denen her-kömmlicher Batte-rien und Akkus ab-weichen. Sie kön-nen daher nicht inGeräte oder Vor-richtungen einge-setzt werden, die für1,5-V-Einwegbatterien oder 1,2-V-Akkus ausgelegt sind. Akku-Handwerk-zeuge oder elektronische Geräte, die mit Lithium-Batterien betrieben wer-den, verdienen in Hinsicht auf ihre niedrige Selbstentladung und ihr gerin-geres Gewicht Vorrang vor vergleichbaren Produkten. Ansonsten sollte zu-mindest den NiMH-Akkus unbedingt Vorrang vor dem NiCd-Akkus gege-ben werden. Diese leiden unter dem Memory-Effekt und versagen bei einemunregelmäßigen Gebrauch schnell gänzlich ihren Dienst.

183

20 Elektromotoren

Elektromotoren werden typenbezogen als Wechsel- oder Gleichstrommoto-ren gefertigt und müssen grundsätzlich nur an die Spannungsversorgungangeschlossen werden, für die sie laut ihrem Typenschild vorgesehen sind.

Wechselstrommotoren sind wahlweise als Ein- oder als Dreiphasenmotorenkonzipiert. Einphasenmotoren werden bereits herstellerseitig entweder nurfür eine Drehrichtung oder für beide Drehrichtungen ausgelegt. Handelsüb-liche Einphasenkleinmotoren sind meist als Kondensatormotoren konzi-piert.

Bei den meisten Einphasenkon-densatormotoren, die für beideDrehrichtungen ausgelegt sind,wird die Drehrichtung durch Um-schalten der Spannungszufuhr zuden Anschlüssen des Kondensa-tors verändert (sofern der Her-steller nicht eine andere Lösungverlangt). Wenn der Drehrich-tungsumschalter als Dreistufen-schalter ausgelegt ist, kann ergleichzeitig als Ein/Aus-Schalterfungieren – wie rechts darge-stellt. Ist ein Einphasenmotornicht bereits vom Hersteller für beide Drehrichtungen ausgelegt, kann diesim Nachhinein nicht mehr durch irgendeinen Trick geändert werden.

Dreiphasen(Drehstrom)-Elektromotoren kennen wir u. a. von diversenHolz- oder Metallbearbeitungsmaschinen. Hier befindet sich oft ein manu-ell bedienbarer Dreistufenschalter, bei dem die erste Stufe als Ausschaltpo-sition, die zweite Stufe als Einschalten im langsamen Lauf und die dritteStufe als Umschalten auf den schnelleren (und kräftigeren) Lauf ausgelegtsind.

184 20 Elektromotoren

Der langsame und der schnelle Lauf beruhenauf einem einfachen Schaltungstrick, bei demdie drei Wicklungen des Elektromotors für denlangsamen Lauf in eine „Stern-Anordnung“,bei schnellem Lauf in eine „Dreieck-Anord-nung“ geschaltet werden – nach dem links dar-gestellten Prinzip.

Wird ein solcher Drehstrommotor nur im lang-samen Lauf (mit der niedrigeren Drehzahl) be-trieben, benötigt er nur einen einfachen drei-poligen Schalter. Diese Lösung wird oft ge-handhabt:

185 20 Elektromotoren

Die Drehrichtungsänderung wird bei ei-nem Drehstrommotor einfach dadurcherzielt, dass zwei beliebige Phasen derZuleitung untereinander getauscht wer-den.

Bei Gleichstrommotoren wird dieDrehrichtung einfach durch denWechsel der Anschlusspolaritätgeändert. Dennoch sind die meis-ten Gleichstrommotoren oft füreine „Hauptdrehrichtung“ ausge-legt. Sie wird vom Hersteller an-gegeben, und der Anwender solltesie beachten. Dies bedeutet zwarnicht, dass ein solcher Motor inder anderen Richtung nicht betrieben werden darf, aber für die optimaleNutzung seiner Leistung und für seine Lebensdauer ist es zu berücksichti-gen. So sind z. B. auch die meisten Akkuschraubermotoren für eine Haupt-drehrichtung ausgelegt, die mit der Drehrichtung zum Einschrauben über-einkommt. Wird ein solcher Akkuschrauber als Elektroantrieb einer Selbst-bau-Vorrichtung verwendet, sollte seine Hauptdrehrichtung für die Bewe-gung eingeplant werden, die ihn schwerer belastet.

Das Schalten und Steuern von Elektromotoren wird in der Praxis überwie-gend mithilfe von elektromagnetischen Relais vorgenommen. Das ist einesder Themen, die im folgenden Kapitel näher behandelt werden.

235

Sachverzeichnis

AAbgabeleistung 16Abnahmeleistung 16Abschirmung 20Akku-Werkzeuge 29„AlInGaP“-(Aluminium-Indium-Galli-

um-Phosphat)-Leuchtdioden 172Amorphe Dünnschichtzellen 63Ampere (A) 11Amperemeter 90, 95Amperestunden (Ah) 26Amplitude 86Analog-Multimeter 93Analogsignal 220Analogtechnik 221Autobatterie 10Autositz-Heizbezug 180

BBasis 206Batterie-Elektroden 21Batteriekapazität 26Batterien 9Batterie-Schaltzeichen 30Batteriespannung 25Bezugszähler 77bipolare Kondensatoren 118bipolare Transistoren 206Bistabile Relais 191bistabile Relais 46Bleiakkus 22Brücken-Gleichrichter 144Brückengleichrichter 146Bypass-Dioden 82

DDämmerungsschalter 159, 214Dämpfung 231, 232Dauermagnete (Permanentmagnete) 32DC-Entkoppler 225Der Ohmsche Widerstand 100Dielektrikum 115diffuses Licht 73Digitalisierung 220Digital-Multimeter 93Dioden-Durchlassspannungen 136Dioden-Schaltzeichen 135DiSEqC-Schalter 227, 228, 232Drahtloses Schalten 202Drahtwiderstände 101DRAIN 207Drehstrom-Anschlüsse (Drei-Phasen-

Anschlüsse) 57Dreiklang-Gong 211Dreiphasen- (Drehstrom-) Elektromoto-

ren 183Dreiwege-Frequenzweiche 127Dünnschichtzellen 63Durchlassspannung 135, 162DVB 221DVB-C 222DVB-S 221DVB-T 221Dynamobleche 130

EE12-Reihe 103Einkabel-Systeme 229, 230Einphasen-Kondensator-Motor 108Einphasen-Kondensatormotoren 183

236 Sachverzeichnis

Einspeisezähler 77einstellbare Spannungsregler 156einstellbarer Spannungsregler 172Einstellpotentiometer 161Einstellpotentiometer, Einstellregler

110Einstellregler 104Einweg-Gleichrichter 144elektrische Energie 9Elektrische Heizkörper 179Elektrische Kühlkörper 182elektrische Leistung 14Elektrische Ventilatoren 181Elektrodynamisches Mikrofon 62Elektrolyt-Kondensatoren 114Elektromagnete 36Elektromagnetisch bediente Glocke 39elektromagnetische Kraftlinien 37, 50Elektromagnetische Relais 43Elektromagnetische Türklingel 40Elektromagnetischer Türgong 40elektromagnetisches Feld 37, 50Elektromagnetisches Mikrofon 61Elektromagnetisches Türschloss 39Elektromotoren 183Elektronische Lastrelais 193Emitter 206Empfangsantenne 221Energiesparlampen 158Entmagnetisieren 34Entstör-Kondensatoren 121Erdung 20

FFahrrad-Dynamo 10Fahrradrücklicht 172Fahrzeug-Lichtmaschine 94Fehlerstrom (FI-) Schutzschalter 200Feldeffekt-Transistoren 206, 207Fernsehtechnik, digitale 219ferromagnetische Stoffe 32Festspannungsregler 152Fotovoltaik 64

Fotowiderstände 112F-Stecker 232Funk-Dimmer 202Funk-Lichtschalter 202Funk-Steckdosenschalter 202Funk-Türglocken 202

GGATE 207Geheimschalter 189gekapselte Solarzellen 64Germaniumdiode 136getakteten Netzgeräte 151Gitarren-Tonabnehmer 58, 120Glättungs-Elkos 154Glättungskondensator 122Glättungskondensator (Ladekondensa-

tor) 146Gleichrichter 86, 144Gleichrichterdioden 145Gleichspannung 9Gleichstrom 9Gleichstrom-Energiequelle 86Gleichstrom-Leistungsrelais 194Gleichstrommotoren 185Glimmlampen 192GOLD-CAP 124Gondeln 55Gußmasse 80

HHalbleiterdioden 135Halogenlampen 158Hausnetz-Normspannung 10Heizfolien 180Heizkabel 180Heizkissen 179Henry 125Hubmagnete 38

IInduktion 38Induktivität 125

237 Sachverzeichnis

Infrarot-Dioden 176Infrarotscheinwerfer 177„InGaN“- (Indium-Gallium-Nitrogeni-

um)-Leuchtdioden 171Integrierte Schaltungen – ICs 211IR-Lichtschranken 177

KKapazität 115Kaskadieren 229Kilovolt 10Kilowattstunden 17Klangwelle 219Kleinrelais 204Kleinsignal-Dioden 135Klingel-Transformator 133Knopfzellen 27Koaxialkabel 20, 230, 231, 232Kodierung von Widerständen 109Kohleschicht-Widerstände 101Kollektor 206Kompassnadel 34Kondensatoren 114Kondensatoren-Schaltzeichen 117Konstantstrom-Konverter 174kristalline Solarzellen 63, 65Kühlung der Solarzellen 80Kurzschluss 13

LLadegerät 29Ladekondensator 122Laderegelung 75Ladespannung 28Ladestrom 28Lautsprecher 47Lautsprecher-Frequenzweichen 119LDR (light-dependent resistor) 112LED 160Leerlaufspannung 69Leistungsverlust 108Leitungen 18Leuchtdioden 159

Leuchtdioden (LEDs) 159Leuchtdioden-Punktmatrixmodule 140leuchtende Anzeigen 139Leuchtkörper 158Leuchtstofflampen 158Lichtschranke 176, 177, 187Lithium-Knopfzellen 22LNB 221, 223, 224, 227, 228, 232LOW-current-Leuchtdiode 163LUXEON-LED 165

MMagnetfeld 33magnetische Kraftlinien 33magnetisches „Streufeld“ 130magnetisches Kraftfeld 33Magnetismus 32Masse 20Mechanische Eigenschaften der

Solarzellen 79Memory-Effekt 23Messbereich 95Messgeräte 88Messung eines Widerstandes 96Metallfilm-Widerstände 101Mikroampere (µA) 13Mikrofarad (µF) 116Mikroschalter 186Milliampere (mA) 11Mini-Generatoren 58Mittelpunkt-Schaltung 149monokristalline Zellen 65MOS-FETs 208MOS-Technologie 208Multimeter 91Multischalter 228, 229Multivibrator 209

NNanofarad (nF) 116Neigungsschalter 187Netzfiltern 126Netzgeräte & Netzteile 150

238 Sachverzeichnis

Netztransformatoren 131Nickel-Cadmium-(NiCd-) Akkus 22Nickel-Metallhydrid(NiMH-) Akkus 22N-Kanal 207Nullleiter 199Nullspannungsschalter 195

OOcto-LNB 224, 227, 230Ohmmeter 91, 96Ohmsches Gesetz 104Oszilloskope 98

PPaneel-Einbaumessgeräte 89Peltier-Elemente 182Phasenverschiebung 16Phasenwinkel „j“ 16Photonen 65Piepser 191P-Kanal 207Polarisationsebene 224, 227polykristalline (multikristalline) Zellen

65Potentiometer 104, 110Prioritätsschaltung 189PS (eine Pferdestärke) 14

QQuad-LNB 225, 227, 228Quattro-LNB 227, 228Quecksilberschalter 187

RReflektionsversluste 78Relais 44, 188Relais-Spule 44Relaisspule 43Richtig messen 92Ringkern-Transformatoren 130Rotor 50

SSAT-Anlage 224

Satelliten-Fernsehen 223SAT-Spiegel 221, 224, 228Sat-Spiegel 223Schalter 186Schaltplan 18Schaltzeichen 20, 160Schaltzeichen der Feldeffekt-Transisto-

ren 207Schaltzeichen der pipolaren Transisto-

ren 207Schaltzeichen der Zener-Dioden 141Schleifkontakt 52Schmelzsicherung 198Schottky Diode 83Schottky-Diode 76, 136Schutzdiode 43, 76Schutzdioden (Bypass-Dioden) 80Schutzleiter 200Selbstbau-„Huckepack-Netzteil“ 155Selbstbau-Laderegelung 76Selbstentladung 30Set-Top-Box 222Sicherungen 198Sicherungsautomaten 199Sinusspannung 52Solarantrieb 74solarelektrische Laderegelung 143Solar-Fahrzeug 81Solargeneratoren 63Solar-Kleinmotoren 72Solar-Laderegler 75Solarmodule 64Solarstrom 63Solar-Wechselrichter 84Solarzellen 64Solarzellenleistung 78Solarzellen-Module 77Solarzellen-Wirkungsgrad 70Sound-Modul 191SOURCE 207Spannungsglättung 148Spannungsregler 155Spannungsverlust 107

239 Sachverzeichnis

Spannungsverlust im Widerstand 162Sperrrichtung 141Spulen und Drosseln 125stabilisierte Spannung 154Standard-Querschnitte der Leiter 100Standard-Testbedingungen 67Stator 50Stecker-Netzgerät 170Stecker-Transformatoren 132Störimpulse 127Strahlungsdichte 78String-Wechselrichter 83Stromgeneratoren 50Stromstoß-Relais 46Stromverbrauch 17Stromzangen 90„superhelle“ Leuchtdioden 164

TTantal-Kondensatoren 117technischen Daten einer Solarzelle 68Temperaturabhängigkeit der Solarzel-

len 77Thermoschalter 179Tiefentladeschutz 28, 75Tiefentladeschwelle 23, 28Timer 212, 213Timer-IC 212Transformatoren („Trafos“) 130Transformatoren-Schaltzeichen 131Transistoren 206Trenntransformatoren 131Twin-LNB 224, 227Twin-Receiver 224, 225

UÜbertrager 131„ultrahelle“ Leuchtdioden 164unipolare Transistoren 207

VVerlustspannung 106Versuchsschaltung 208Volt 10Voltmeter 88Vorwiderstand 105, 160

WWarnsystem 189Wasserkocher 179Wattstunden 17Wechselrichter 77, 83Wechselspannung 9Wechselstrom 9Wechselstrom-Energiequelle 86Wechselstrom-Leistungsrelais 196Widerstand 100Windgeneratoren 55

ZZenerdioden 141Zenerspannung 142Zündspannung 193Zungenrelais (Reed-Relais) 41Zungenschalter 186Zungenschalter (Reed-Schalter) 35Zweispulen-Elektromagnete 40Zweispulen-Relais 191Zweiwege-Frequenzweiche 127Zwischenspeicher 74

240

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Elektrotechnik &Elektronik

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Bo HanusBo Hanus

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Dieses Buch ermöglicht Ihnen einen spielerischen Einstieg in die Welt der Elektrotechnik. Viele erklärende Bilder und interessante, praktisch nachvollziehbare Versuche garantierenden Lernerfolg. Wer aus beruflichen Gründen etwas mehr über die Elektrotechnik oder Elektronik wissen möchte oder als Elektro-Heimwerker seine Kenntnisse erweitern will, hat mit diesem Buch die richtige Wahl getroffen. Er erfährt z. B., wie sich Gleich- von Wechselstrom unterscheidet, was es mitdem Magnetismus auf sich hat, wie Dynamos und Motorenfunktionieren, wie elektrisch beleuchtet und geheizt wird, was es mit Transformatoren und Netzgeräten auf sich hat und welche Aufgaben Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und Transformatoren haben. Nach dem Studium des Buches wird der Leser beruhigt feststellen, dass Elektronik und Elektrotechnik keine Geheimwissen-schaften sind.

Aus dem Inhalt:• Bauelemente der Elektrotechnik• Solartechnik• Netzgeräte• Schalten und Steuern• Elektromotoren und Generatoren• Zeitgeber• und vieles mehr

ISBN 978-3-645-65118-9

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