Elektrotechnisches Grundwissen für Anfänger

[Winni]

Da ich immer wieder feststelle, daß die grundlegenden Dinge der Modellelektrik, bei Anfängern und auch anderen Kollegen die mit Elektrik nicht so viel anfangen können nicht ausreichend bekannt sind und dieses zu Problemen und Missverständnissen führt,
werde ich hier mal ein paar Dinge zum Grundwissen zu erklären versuchen.
Wer was nicht versteht darf gerne nachfragen.
Ich oder andere E-Spezialisten unter uns werden bestimmt gerne Auskunft geben.

Drei der häüfigsten Probleme:
Ampere, Ah, mAh.
Akkus zusammenschalten.
Anschaltung von LEDs
Für Laien, kann man Strom ( aus dem Akku ) gut mit Wasser ( aus einem Tank ) vergleichen.
Volt ( V ) ist die Maßeinheit für die Spannung, das enspricht dem Druck der auf der Wasserleitung ist.
Ampere ( A ) ist die Maßeinheit für den Strom, das entspricht der Durchflußmenge durch die Wasserleitung von Minus nach Plus. Nicht wie meistens angenommen von Plus nach Minus.!!
Amperestunde ( Ah ) ist die Kapazität des Akkus, dies entspricht der zur Verfügung stehenden Wassermenge im Tank.
Die Angabe xxxx mAh b.z.w. Ah auf einem Akku gibt an bei welcher konstanten Stromentnahme der Akku in 1 Stunde leer ist.
Bleiakkus haben eine Zellenspannung von 2 Volt je Zelle.
NiMH und NiCd Akkus haben eine Zellenspannung von 1,2 Volt je Zelle.
Bei vollen Akkus liegt die Zellspannung je Zelle im Schnitt etwa 0,2 Volt höher als die Nennspannung. Der Wert ist nur annähernd, er ist von Akkutype und Zustand abhängig.

Zu Reihen- und Paralleschaltung von Akkus und LEDs hab ich ein Bild beigefügt.
LEDs dürfen wenn sie nicht über eine Konstandstromquelle betrieben werden nie ohne Vorwiderstand benutzt werden.

 

[Winni]

Widerstand und Strom

Der Widerstand ( Maßeinheit Ohm ) ist im Wassersystem mit einer Engstelle, einer Rohrverjüngung zu vergleichen.
Ist das Rohr an einer Stelle dünner fließt weniger Wasser durch.
Ist in einem Stromkreis ein Widerstand eingebaut, veringert sich auch die Durchflußmenge, der Strom wird kleiner.
Je gößer der Widerstand ( enger das Wsserrohr ) um so geringer der ( Wasser- ) Strom.
Wie hängt das aber nun im Verhältnis zusammen.

In der Formel heißen die Größen anders, da ist:

• der Strom ( Ampere = A ) mit I bezeichnet
• die Spannung ( Volt = V ) mit U bezeichnet
• und der Widerstand ( Ohm ( zeichen Omega ) ) mit R bezeichnet.

Die Formel für diese Verhältnis zu einander ist:

I = U / R Strom = Spannung geteilt durch Widerstand

Habe ich z.B. in einem Stromkreis einen Widerstand ( das kann auch ein Verbraucher sein, der hat ja auch einen elektrischen Widerstand ) von
100 Ohm,
und mein Akku hat eine Spannung von 12 Volt, ergibt sich daraus:

• I = U / R
• I = 12 Volt / 100 Ohm
• I = 12 / 100

I = 0,12 Ampere = 120 mA

 

[Winni]

Noch was über Widerstände, Farbringe ? was nu ?

Wie erkenne ich jetzt, welcher Widerstand wieviel Ohm hat?
Außer den verschiedenen Direktbeschriftungsmethoden, welche im 2. Bild zu erkennen sind gibt es auch noch diese Farbringe.
Ich hab mal eine Tabelle aufgestellt, aus welcher die Farbcodierung hervor geht.
Diese Tabelle ist für die meisten Standardwiderstände gebräuchlich.
Mit höher werdenden Anforderungen an die Toleranzen bei immer preziser werdender Elektronik kam man dieser Tabelle aber nicht mehr aus.
Seit einigen Jahren gibt es auch Widerstände mit 5 Farbringen.
Diese zu zeichnen, habe ich mir aber erspart, da am Ende dieses Beitrags ein Link zu den Berechnungen steht.
Auf dieser Seite hat man die Möglichkeit durch markieren der Farben in einer Tabelle den Widerstandswert direkt abzulesen.
Sowohl für 4, als auch für 5 Ringe.





Hier der Link zur Farbtabelle und Online-Berechnung

 

[Winni]

Spannung und Strom, was ergibt das.

Das ergibt Leistung.
Genauer gesagt elektrische Leistung, welche genau wie die physikalische Leistung Wärme erzeugt. Wo zu muß ich das wissen?
Wenn ich irgendwo, meist bei der Beleuchtung, im Modell Widerstände einbaue fällt an diesen eine Spannung ab,
es fließt ein Strom durch sie, und das erzeugt eben Leistung und somit Wärme.
Nun gibt es ja Widerstände mit unterschiedlichen Watt Angaben bezüglich dessen, was sie aushalten.
Welchen soll ich den nun nehmen?
Das können wir ausrechnen.
Die Maßeinheit für die elektrische Leistung heißt WATT.
Das Formelzeichen dafür heißt aber P.
Wie hängen nun Leistung, Strom und Spannung von einander ab?
Dazu können wir uns merken - Wer poduziert die Leistung?

Leistung ist ein Produkt aus Spannung und Strom

Daraus leiten wir ab: ( wir erinnern uns: Spannung = U; Strom = I )

• Leistung = Spannung x Strom
• P = U x I

Nehmen wir den Fall einer LED für unsere Lampen.
Ich habe z.B. eine einigermassen vollen 12Volt Akku mit derzeit 14 Volt, und habe einen Widerstand von 680 Ohm eingbaut.
Wie war das noch? Ach ja, I=U/R
14/680=0,0205882... Also fließen da ~ 0,02 A = 20 mA
Die Leistung ist nun P = U x I,
also P = 14V x 0,02A
P=0,28 Watt. Die Leistung ist also 0,28 Watt ( 0,25 Watt sind 1/4 Watt )
Also ist ein 1/4 Watt Widerstand schon knapp dimensioniert.
Besser wäre also einen 1/2 Watt Widerstand zu nehmen.
In der Praxis wird man aus Platzgründen aber meist eher einen 1/4 Watt Widerstand benutzen.
Wir sehen aber daran, daß der 1/4 Watt Widerstand an seiner Leistungsgrenze arbeitet und wir darauf achten müssen, daß dieser ausreichend Wärme abführen kann.
Man kann natürlich jetzt auch alle diese Berechnungen von jeder Größe zur anderen machen.
Dazu mß man nur die Formeln entsprechend umstellen.
Nur?.... Ich weiß, ist nicht jedermanns Sache.
Deshalb stelle ich hier mal einen Formelkreis ein, der alle Formeln ergibt.
Dieser wurde mir freundlicher Weise von Hans ( BASCHI )zu Verfügung gestellt.



So, für heute genug Erklär-Bär gespielt.

 

[Winni]

Da sich in letzter Zeit wieder Anfängerfragen einstellten, hier noch mal ein paar grundlegende Dinge.
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Wie schalte ich eine Schalter zwischen einen steckbaren Akku und den Fahrregler?
Wie kann ich dann eine Ladebuchse anschließen?

Lösung:

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Da im Modellbau üblicherweise der Minus die geschaltete Spannung ist, würde ich empfehlen das auch beim Akku so zu machen.
Achtung !! Bei kleinen Schaltern, Schalter nicht unter Last (hohem Stromfluss) schalten, das führt zum Verbrennen der Schaltkontakte und somit zur Zerstörung des Schalters.

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Wie kann ich einen Motor mit einem Schalter zwischen Vor- und Rücklauf umschalten? Was für ein Modul benötige ich dazu?

Lösung:
Es ist kein Modul erforderlich. Man benötigt nur einen 2-poligen Umschalter mit 3 Stellungen.
Ein-Aus-Ein

Bild dazu:

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[Winni]

Jetzt folgt Mal ein wenig über Relais.

Ich werde die Funktion mal am Beispiel eines Rundrelais beschreiben.

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Funktion:

Über die Spulenanschlüsse wird Gleichspannung an die, auf den Spulenkern gewickelten Kupferlackdrähte angelegt. Der durch die Spule fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, welches dafür sorgt, dass der Spulenkern magnetisch wird. Dadurch zieht der Kern den beweglich gelagerten Anger an. Durch die Hebelwirkung des Ankers wird der Steg nach oben gehoben und drückt unter den Pimpel der mittleren Kontaktfeder. Dann hebt der Anker mit dem Steg die Kontaktfeder am Pimpel an, öffnet den unteren Kontakt und schließt anschließend den oberen Kontakt Die mittlere Kontaktfeder ist der Umschaltekontakt, die Untere der Ruhekontakt und die Obere der Arbeitskontakt Die Pimpelluft sorgt dafür, dass das Relais ohne hohen Strombedarf anziehen kann, weil der Anker so ohne Last Schwung holen kann, bevor er den Kontakt betätigt. Müsste er den Kontakt sofort anheben wären mehr Kraft und ein wesentlich höherer Strom notwendig. Schließt der obere Kontakt bevor sich der Untere öffnet, nennt sich das Folgumschalter.
Solche Folgeumschaltrelais dürfen nicht zum Umpolen von Spannungen benutzt werden, da sie dabei einen Kurzschluss verursachen würden!!
Relais erzeugen beim Abfeilen an der Spule eine hohe Induktionsspannung welche mit ihrer Polarität umgekehrt zur normalen Betriebsspannung liegt!!
Bei Verwendung von Relais in Verbindung mit elektronischen Schaltungen (muss noch nicht mal auf der gleichen Platine sein) ist wegen der hohen Induktionsspannung beim Abfall des Relais, grundsätzlich eine Löschdiode einzufügen, welche diese Induktionsspannung durch Kurzschließen vernichtet. Diese Löschdiode muss umgekehrt zur Betriebsspannung parallel zur Spule geschaltet werden. Es reicht bei unseren Relais immer eine kleine Standardtype wie z.B. 1N4148 oder ähnliches.

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Es gibt verschiedene Darstellungsarten von Relais in Schaltplänen Dieses hängt von der Verwendung und vom Alter der Schaltung ab. Das erste Bild zeigt zum Beispiel ein Relais mit einer Spule und einem Umschaltekontakt. Die Relaiskontakte werden grundsätzlich in Ruhelage gezeichnet. Wenn das Relais im angezogenen Zustand gezeichnet wird, muss das Schaltbild soausehen.

Normale Relais sind monostabile Relais.
Das heißt, Spannung anlegen - Relais zieht an. Spannung abschalten - Relais fällt wieder ab.
Es gibt aber auch bistabile Relais.
Das heißt, Spannung anlegen - Relais zieht an. Spannung abschalten - Relais bleibt angezogen. Je nach Bauart fällt das Relais ab, wenn man ein zweites Mal Spannung anlegt, oder die Spannung am Relais umpolt.

Eine besondere Bauform sind sogenannt Reedrelais oder auch Herkonrelais. (Hermetisch abgeschlossener Kontakt
Bei diesem sind die Kontakte in einem Glasrohr mit Edelgasfüllung untergebracht. Diese sorgt dafür, das die Kontakte nicht so leicht verbrennen. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Kontakte durch ein wesentlich kleineres Magnetfeld betätigt werden. Es gibt keine Mechanik, welche die Kontaktfedern bewegt. Die Kontaktfedern selbst werden durch das Magnetfeld zueinander hingezogen und geschlossen, oder geöffnet.

Es gibt zweierlei Methoden, diese Reedrelais zu betätigen. Die Eine ist die, dass um das Glasrohr die Spule gewickelt ist welche das Magntfeld erzeugt, und die Andere, dass man mechanisch einen Dauermagneten zum Kontakt bewegt.
Die meisten Reedrelais finden wir heute als sogenannte Printrelais, das sind relativ kleine Bauformen für die Montage auf Leiterplatten.
Hier mal ein paar Beispiele solcher Printrelais.


Auch wenn diese teilweise sehr klein sind, sind manchmal doch auch mechanische Relais in diesen Gehäusen.

Reedrelais haben meistens nur einen Kontakt. Es gibt aber auch Reedrelais mit mehreren Kontakten.
Hier mal Versionen mit 2, 4 und 8 Arbeitskontakten:


Und zum Schluß aus dem Bereich Kleinrelais mit Anker noch das typische Kammrelais:

 

[Winni]

Hier die versprochene Zusammenführung.
Um die Übersichtlichkeit zu wahren ist das Thema gesperrt und es werden ggf. Erweiterungen eingefügt.
Dies ist der Ursprungsthread, hier kann hinterfragt werden.