Elektronik – Der Widerstand – Der Kurzschluss

Ich muss mal ein paar Worte zum Thema „Kurzschluss“ in Text fassen.

Gerade zu meinen Beiträgen über die Vorwiderstände von Leuchtdioden und NPN-Transistoren, werden gerne mal Anfragen gesendet, welche im Kern Missverständnisse bei der Verwendung von Widerständen im Allgemeinen deutlich machen. Oft fehlt auch einfach das Gefühl dafür, in welchen Bereichen der elektrischen Werte man sich bewegt. Sehr oft wird mir pauschal für Probleme der Begriff „Kurzschluss“ entgegengeworfen, da muss man aber gelegentlich etwas differenzierter herangehen.

Konkret ging es in einer Mail um einen Kurzschluss, der immer dann aufgetreten ist, wenn ein Mikrocontroller einen bestimmten Teil einer Schaltung gestartet hat. Der betroffene Part der Steuerung sollte über einen PIC-Controller mehrere Spulen einer Carsystemsteuerung einschalten, dabei brach augenscheinlich die Spannung zusammen, der Controller hat einen Reset durchgeführt und das Spiel begann von vorne. Es wurden Spulen getauscht, Transistoren gewechselt, neue Controller verbaut – keine Besserung. Irgendwann hat der Betreffende mich dann angeschrieben und gefragt, ob ich da helfen könnte. Grundtenor war jedesmal „Beim Einschalten gibt’s immer Kurzschluss…!“.

Später hat sich herausgestellt, dass nicht die Schaltung den Fehler produziert hat, lediglich das Labornetzteil hat sich bei Strömen über 1 Ampere abgeschaltet, was irrtümlich als Kurzschluss gewertet wurde.Leider wurden keine Messungen durchgeführt, eher so eine „Bauteiltausch auf Verdacht“ – Diagnose, die „Try & Error“-Fehlersuche führt aber doch oft zu falschen Rückschlüssen.Mit gezielten Messungen und ein paar Modifikationen haben wir das dann in den Griff bekommen.

Wie auch immer, ein plötzlich auftretender höherer Stromfluss muss nicht immer ein Kurzschluss sein. Im vorliegenden Fall war es völlig ausreichend, die Spulen mit 27 Ohm Vorwiderständen zu versehen und um einige Millisekunden versetzt einzuschalten.,

Es kommt oft einfach auf den Strom an, der zum Zeitpunkt der maximalen Belastung fließen kann und da spielen ja gerne mal Widerstandswerte eine Rolle,

Sind 10 Ohm als Vorwiderstand bei gängigen Versorgungsspannungen von 5V oder 12V für eine LED viel zu wenig, ist dies beim Widerstand von z. B. Glühlampen im Modellbau durchaus ein realer oder sogar hoher Wert. Zusätzlich gibt es oft Verwirrung bei der Einschätzung der Leistungsfähigkeit und des Leistungsbedarfs von verwendeten Netzteilen, gerne auch am und mit dem PC, für ein Labornetzteil bzw. die Stromversorgung im Hobbykeller gilt das natürlich ebenso. Es kommt eben immer darauf an, welche Komponenten ich zu welchem Zweck kombiniere.

Die Berechnung von Widerständen an sich habe ich hier schon erwähnt, vielleicht einfach mal „drüberlesen“… ;-)

Decoder einer Modellbahnlokomotive. Hier war kein kompletter Kurzschluss aufgetreten, der maximale Strom war aber über einen längeren Zeitraum knapp unter dem Limit der Sicherung.

Der Kurzschluss

Nun werfe ich also mal einen Blick auf den Begriff „Kurzschluss“. Was passiert hier?

Mal angenommen, im klassischen Fall einer (2 x 1,5V = 3V) Batterie in einer Taschenlampe ist etwas defekt und ein Stückchen Metall verbindet Plus und Minus der in Reihe geschalteten Batterien direkt.. In diesem Fall wird die Lampe mit ziemlicher Sicherheit dunkel bleiben, obwohl ein Strom fließt bzw. sie eingeschaltet ist.

Warum ist das nun so?

Die Leistungsfähigkeit der Batterie ist begrenzt. Fließt nun durch die Überbrückung der höchstmögliche Strom, können die Batterien die 3V nicht mehr zur Verfügung stellen, die Spannung bricht zusammen. Technisch gesehen hat man der LED oder dem Lämpchen in der Taschenlampe einen sehr niedrigen Widerstand parallel geschaltet, eben das Stück Metall, was den in diesem Fall echten Kurzschluss verursacht. So ein Fitzelchen Blech oder ein verirrtes Stück Kabel hat einen Widerstand von wenigen Milliohm, die Batterie wird überlastet, sie kann ihre Nennspannung von 1,5V pro Zelle einfach nicht mehr liefern.

Hätte man nun eine Stromversorgung, die genügend Leistung bietet, um die 3V aufrecht zu erhalten, würde trotz der fehlerhaften Verbindung, welche den Kurzschluss darstellt, auch die Lampe leuchten. Dummerweise würde man also zunächst keine Fehlfunktion bemerken, die Lampe funktioniert ja. Durch den extremen Stromfluss, bedingt durch den immer noch vorhandenen niedrigen Widerstand an der Fehlerstelle, wird sich diese Stelle aber in kurzer Zeit sehr stark erhitzen, hier wird der elektrische Strom einfach völlig nutzlos in Wärme umgewandelt. Irgendwann passiert dann irgendetwas. Vielleicht verkokelt die ganze Lampe oder die schwächste Stelle in der Kette der elektrisch verbundenen Bauteile gibt auf, wahrscheinlich irgend ein kleines Stückchen dünne Leitung..

Im Idealfall existiert in einem elektrischen Gerät eine Sicherung, die immer dann den Stromkreis öffnet, wenn irgendwo in der Schaltung ein Umstand auftritt, der ein ungewöhnliches Verhalten verursacht. In den meisten Fällen einen zu hohen Stromfluss. Hier würde die Sicherung ansprechen, was bei simplen Lämpchen aber, mangels Beuteil, eher nicht zu erwarten ist. Unter Umständen lohnt es sich vielleicht, bei kleineren Geräten über einen Polyswitch als rückstellende Sicherung nachzudenken ;-)

In der umgekehrten Situation kann es aber auch durchaus Kurzschlüsse geben, die nicht sofort bemerkt werden. Gerade bei durchgescheuerten Leitungen oder in schmutzigen Umgebungen sind die leitenden Materialien nicht immer metallisch blank. Hier berühren sich zwar die Leiter, durch Schmutz oder auch Oxydation ist aber ein unberechenbarer Widerstand entstanden, welcher das eigentliche Gerät an sich problemlos funktionieren lässt, trotz allem aber ein Kurzschluss vorhanden ist. Meist bemerkt man eher einen bedenklichen Geruch, kann aber bis zum Totalausfall (gerne auch auftretendem Rauch) nichts feststellen.Im Prinzip ist hier der Kurzschluss eben nicht um 0 Ohm herum zu suchen, er liegt irgendwo in einem kritischen Bereich, welcher aber die hoffentlich vorhandenen Sicherungsmaßnahmen nicht auslösen lässt. Im Zweifel kann hier eine Messung der Stromaufnahme helfen, sollte der Verdacht eines Fehlers vorhanden sein.

Lange Rede, kurzer Sinn: Nicht jeder Fehler ist ein Kurzschluss, nicht jeder Kurzschluss führt zum Fehlverhalten :-)

 

 

 

 


Vielleicht gibt’s ja ein paar passende Bauteile bei Reichelt ;-)

Sicherungen
Rückstellend


Sicherungen
Glas, 5 x 20mm


Sicherungen
Miniatur

 

 

 

Voreingestelltes WPA2-Passwort bei Belkin-Routern leicht zu berechnen | heise online

Eine kleine Warnung an die Besitzer der betreffenden Geräte, am besten den verlinkten Artikel lesen.

Man kann nicht oft genug davor warnen, Geräte mit den Herstellervorgaben laufen zu lassen,. Zumindest die Passwörter sollten das Erste sein, was man ändert!

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Berechnung des Stromverbrauchs mal zerlegt

Beispielbild zu einem Artikel auf www.michael-floessel.de - Energiekosten PCWer hier öfter vorbeischaut, hat vielleicht auch meinen Artikel zum Thema ‚Tipps zum Stromsparen‚ gelesen. Es gab dazu einiges an Mailverkehr, mehrfach auch Anfragen, wie diese Kostenrechnungen aufgebaut sind. Eine gute Gelegenheit für mich zu versuchen, dass mal auseinander zu nehmen. Hoffentlich kommt was verständliches dabei raus :mrgreen:

 

 

Watt, Kilowatt, Stunde, Kosten

Im Prinzip beruht die Rechnung auf der Multiplikation der Leistungsaufnahme eines Gerätes mit der Zeit, in der es in Betrieb ist. Deswegen halte ich auch die Bezeichnung kW/h für fraglich, hier wird nichts geteilt, eher kW*h. Ich bleibe da lieber bei kWh, aber im Prinzip hier jetzt auch egal :-D

Kilo kommt von 1000, aus diesem Grunde gibt man die Leistungsaufnahme i.d.R. in kW an, also in Kilowatt. 1kW sagt aus, dass hier 1000 * 1 W Leistungsaufnahme vorliegen. Da spielt die Zeit noch keine Rolle. Auch ist es falsch, von 1 kW Stromaufnahme zu sprechen. Watt = Leistung, nicht Strom = Ampere!

Bei 1000 W wäre die Stromaufnahme (P = U * I -> Leistung in Watt berechnet man, indem Strom (I) und Spannung (U) multipliziert werden bzw. die Formel entspr. umstellt) 1000W : 230V = 4,34 A, um den Unterschied kurz anzuschneiden. Um sich da nicht in Einheiten und Abkürzungen zu verirren, muss man so ein paar Grundkenntnisse im Hinterkopf behalten. Das hier aber nur am Rande, um Missverständnisse zu reduzieren.

Zurück zum Thema…

Ich gehe mal einfach von folgenden Gegebenheiten aus:

  • Ein Gerät das nicht permanent in Betrieb ist
  • 1000W Leistungsaufnahme
  • Stromkosten 0,25€ für die kWh

Benutzt man nun dieses Gerät, nimmt es 1000 W an Leistung auf. Also 1 kW. Erstmal einfach so.  Nun kommt die Zeit in’s Spiel. Hier werden die Leistungsangaben auf die Zeit bezogen. Läuft das Gerät eine Stunde lang, hat es 1 kW in der Stunde aufgenommen, also 1 kWh. Da die kWh 25 Cent kostet, hat es eben auch genau diesen Betrag an Kosten verursacht. Bleibt das Gerät nur 30 Minuten in Betrieb, also 0,5 Stunden, muss man 1000 W * 0,5 Stunden rechnen, das ergibt 0,5 kWh, bei 0,25€ pro kWh Stromkosten ist folgerichtig die Stromrechnung um 12,5 Cent gestiegen.

Wichtig ist bei der Berechnung, die Zeit in Stunden und die Leistung in kW als Werte zu nutzen. Man kann da schnell durcheinander kommen, die Zeit bezieht sich ja immer auf 60 Minuten, nicht auf 100. Eine Viertelstunde sind eben 0,25 Stunden, nicht 0,15. Irgendwie hat man gerne die Minuten im Gedankengang, passiert jedenfalls mir gerne.

Und natürlich die Kilowatt’s und Watt’s :-D

  • 1 W = 0,001 kW
  • 10 W = 0,01 kW
  • 100 W = 0,1 kW
  • 1000 W = 1 kW

So, und nun hoffe ich, dass irgendwer mit dem Geschreibsel hier was anfangen kann :mrgreen: