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

 

 

 

Verschleiß, Verschleiß…

Mal wieder etwas aus dem Alltag eines Mitarbeiters in Sachen Technik einer Modellbahnausstellung :-)

Das links sind Achslagerbleche einiger Typen von Personenwagen der Firma Roco. Keine echten Wagen, die im Maßstab 1:87 ;-)

 

 

Zusätzlich dienen diese Bleche der Stromabnahme vom Gleis über die Räder in das Wageninnere.

Die Spitzen der Achsen sitzen in  Vertiefungen, sind also sozusagen eingeklemmt und leiten über die Spitze den Strom in die Bleche, die per Schleifkontakt ihrerseits mit dem Wagenkörper verbunden sind. Bei dem Waggon, aus dem diese Bleche stammen, war in den letzten Tagen eine schlechte Stromaufnahme aufgefallen – ein Fall für die Werkstatt. Wenn man nun sieht, dass dort, wo eigentlich Blechvertiefungen zu finden sein sollten, nur noch Löcher sind, verwundert das wenig.

 

Wer weiß, was diese Lager sonst noch für Überraschungen parat gehabt hätten, lange wären die Achsen da nicht mehr vernünftig geführt worden.

Auf dem zweiten Foto hier zum Vergleich die neuen Ersatzbleche.

 

 

Immerhin hat alles rund 8 Jahre lang durchgehalten, bis zu 12 km pro Ausstellungstag :-D Natürlich ist jetzt aber auch klar, dass da noch mindestens 80 Wagen zur Überprüfung anstehen, na dann :mrgreen:

 

 

 

 

 




Schnäppchen bei reichelt elektronik!

Stark reduzierte Restbestände bei Neuware


 

 

Mobile Elektronikwerkstatt

Die Power-Bank füttert den USB-Lötkolben. Das funktioniert recht gut, wenn man der roten LED trauen kann, hat der kleine Hitzespender sogar eine Regelung.

Ich habe im Laufe der letzten Monate immer wieder Werkzeuge erstanden, mit denen sich ohne eine vorhandene 230V-Installation elektronisch arbeiten lässt.

Von USB auf Hohlstecker. 5V rein – 9V raus. Wo das Limit liegt kann ich noch nicht sagen, für das DSO 138 Oszilloskop reicht es auf jeden Fall. Mit ziemlicher Sicherheit kann ohnehin kein Strom geliefert werden, den der USB-Standard nicht bietet. Eine 12V Variante ist ebenfalls verfügbar, habe ich aber mangels Bedarf nie gekauft.

 

 

 

 

Der Grundgedanke bzw. die Grundidee bei dieser Sammlung an Werkzeugen ist eigentlich dem Umstand geschuldet, dass man als Mitarbeiter einer Modellbahnausstellung oft mehr Zeit mit dem Einrichten von Baustellen unter, neben und auf den diversen Anlagen verbringt, als mit der eigentlichen Aufgabe. Auch ist es z. B. fast unmöglich, ohne helfende Hände mit Kabeltrommel, Verlängerung und Mehrfachsteckdose in einem Miniaturbahnhof zu löten, wenn die Oberleitung oder die filigranen Szenen nicht ruiniert werden dürfen. Zusätzlich gibt es etliche Gelegenheiten, bei denen man potentialfrei arbeiten muss oder sollte, die Digitaltechnik einer modernen Modellbahnsteuerung ist zuweilen recht zickig ;-)

Am besten ist also eine kleine Werkzeugkiste, mit deren Inhalt man schnell und ohne großen Aufwand sofort loslegen kann, Akkubetrieb ist natürlich das oberste Gebot.

Ein kurzer Blick auf das Typenschild.

Wir leben ja aktuell ohnehin in einer Welt der mobilen Digitaltechnik, irgendwie wird alles mit allem vernetzt und in erster Linie unterwegs nutzbar. In der Jackentasche gibt es aber keine Steckdosen :-) Schöner Nebeneffekt ist, dass möglichst viele Leute mit möglichst langer Akkulaufzeit leben wollen und somit Power-Banken (kann man das so nennen?) erschwinglich und mit hohen Akkukapazitäten gut verfügbar sind. Seit diese Energiespeicher in Masse existieren, haben viele Hersteller einiges an mobilen Hilfsmitteln auf den Markt gebracht. Für Elektroniker, die gerne mal in der Garage, im Auto oder eben auch auf einer „schnellen Baustelle“ löten und messen wollen, perfekt!

Ich habe unten diverse Artikel verlinkt, mit denen ich schon in Berührung gekommen bin. Letztendlich liefert eine Power-Bank den Strom, der USB-Kabel-Spannungswandler versorgt das DSO (9V) und der USB-Lötkolben holt sich seinen Saft ebenfalls aus dem Akku. Alternativ geht es auch mit dem Batterielötkolben – geade dort, wo ich das restliche Equipment nicht mitschleppen will.

Auch wenn es jetzt wieder einen Beigeschmack von Reklame hat: Ich denke, so ein Beitrag zum Thema „Mobile Elektronikwerkstatt“ macht Sinn ;-) Wie oft habe ich schon erlebt, dass Leute erheblichen (auch finanziellen) Aufwand treiben, um an Stellen zu werkeln, die ohne direkte Stromversorgung ziemlich ungeeignet dafür sind.

Reklame deshalb, weil ich unten auf einige der Geräte verlinkt habe, die hier im Einsatz sind. Klar gibt es durch solche Werbung immer mal einen Obolus, vielleicht werden andere Webseitenbetreiber damit sogar reich – ich jedenfalls nicht :mrgreen: Ist auch gar nicht mein Ziel, solange es die Beiträge aber nicht unleserlich macht, stützt es wenigstens die Blogkosten ein wenig.

Ich habe bewusst nichts hochpreisiges ausgewählt, dazu habe ich zu oft die Erfahrung gemacht, dass die meisten Werkzeuge in der mobilen Version eher durch mechanische Beschädigung ruiniert werden als durch Verschleiß. Bei einem 7€ Lötkolben mache ich mir auch keine großen Gedanken um die Lötspitze, sie hält eben so lange, wie sie hält ;-)

Wie auch immer: Wenn gelegentlich Aufgaben anfallen, die keine großen Umstände hervorrufen sollen, sind diese Tools schon recht nützlich. Wenn der Sommer in diesem Jahr passendes Wetter zu bieten hat, werde ich wohl spätestens nach der Gartensaison mehr zur Haltbarkeit und Leistung bei vermehrtem Einsatz all dieser Geräte sagen können. Bis hier ersteinmal ein kleiner Ausschnitt, was es so alles gibt ;-)

 

 


 

 

 

 

 

Mal wieder ein kleiner LED-/Strom-/Helligkeitsvergleich

led1k1

12mA (1k Vorwiderstand an 16V DC, Uf 3.1V)

Ich habe gerade mal wieder durch Zufall Fotos der gleichen weißen LED mit unterschiedlichen Vorwiderständen gemacht. Selbst bei den „billigen“ Vertretern der Art, ist die Lichtausbeute in den letzten Jahren wahnsinnig gewachsen.

 

 

 

led10k1

1,1mA (10k Vorwiderstand an 16V DC, Uf 3.1V)

Im direkten Vergleich ist der Unterschied natürlich deutlich. Wenn man aber bedenkt, dass der Strom im oberen Foto 10 mal höher ist, als eben im unteren, sollte man wirklich überlegen, wie hell eine LED leuchten soll. Gerade im Modellbau oder auch bei Schaltungen, in denen es auf den Energiehaushalt ankommt, ist die Lichtausbeute längst nicht alles.

Wenn man z. B. bei der Häuserbeleuchtung in Modellbahnalagen mit der maximalen Helligkeit arbeitet, müssen sich vorbeifahrende (Miniatur) Lokführer wahrscheinlich die Sonnenbrille aufsetzen :mrgreen:

Ich habe das Spielchen ein wenig weiter ausgereizt, im aktuellen Fall (Noname-China 3mm-LED, weiß) ist bei etwas über 160 k (!) als Vorwiderstand nur noch ein glimmen zu erkennen, immerhin lediglich irgendwas um 100µA. Für eine schummerige Parkbeleuchtung im Modell sind 100k vor der LED noch vertretbar, wenn es um den Effekt und nicht die Ausleuchtung geht.

Will sagen: Wenn man nach längerer Zeit mal wieder eine Charge Leuchtdioden kauft, vielleicht vorsichtshalber ein Auge auf das Strom-/Helligkeitsverhältnis werfen.

 

 


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Elektronik? Bei Reichelt ;-)

Aktive Bauelemente

Relais

Messtechnik


 

 

 

5V aus 1,2V für ein paar Cent…

12-50v_mit_ohne_usbDas Problem:

Versorgt werden kann oder muss die Elektronik aus einem 1,2V Akku oder einer 1,5V Batterie, 3V müssen aber mindestens für die Schaltung vorhanden sein. OK, muss es sehr individuell sein, lohnt vielleicht ein Selbstbau, es geht aber auch anders.

Für unter 6€ gibt es unter anderem bei Amazon „Step-Up“ Wandler im 10er-Pack, die aus einer gewöhnlichen Batterie-/Akkuspannung von 1,5 bzw. 1,2V  die gewünschten 5V erzeugen, eine passende USB-Buchse ist gleich mit dran, mit etwas Geschick und einem brauchbaren Lötkolben ist diese allerdings recht gut zu entfernen. Wer nicht unbedingt mit Modellen 1:87 und kleiner beschäftigt ist, findet die Anschlussmöglichkeit ja vielleicht sogar gut :mrgreen:

12-50v_dmm_messKleiner improvisierter Messaufbau, so anspruchsvoll ist’s ja nicht :-)

 

 

 

 

12-50v_dmm_uin

1,2V rein…

 

 

 

 

 

12-50v_dmm_uout…5,1V raus. Die Stromaufnahme im Leerlauf liegt übrigens bei 17mA.

 

 

 

12-50v_lang24,5mm lang

 

 

 

 

 

12-50v_breit

18mm breit

 

 

 

 

12-50v_dick3,5mm dick bzw. stark.

 

 

 

 

 

Ausgangsseitiges Verhalten bei 1,2V am Eingang:

Eingangsstrom:     Laststrom:     Ausgangsspannung:

130mA                        20mA                   5,14V

300mA                        60mA                   4,97V

510mA                      100mA                   4,75V

730mA                      158mA                   3,34V

Eine wirklich umfangreiche Messtabelle habe ich nicht erstellt, die Werte hängen extrem von der Spannung am Eingang und deren Stabilität ab. Die oberen Angaben sind bei Verwendung eines neuen/vollen 1,2V NiMH-Akku entstanden, bei einer Versorgung über Batterie bzw. Netzteil oder auch höheren Eingangsspannung ist der belastbare Bereich größer, ehe die für mich relevanten 3,3V am Ausgang unterschritten werden. Ich muss dabei allerdings die Kirche im Dorf lassen, in der Regel versorge ich im Modellbau mit so einer Schaltung weiße LEDs und Mikrocontroller, kaum über 10-20mA Gesamtstromaufnahme, eher weniger. Die aktuellen Leuchtdioden sind schon bei ca. 1mA ausreichend hell, der Controller selber ist noch genügsamer. Für meine Zwecke vollkommen OK, unten die Links zur Bezugsquelle.

Fazit:

Für kleine Lasten absolut ausreichend, wenn ich mehrere hundert mA am Ausgang brauche, würde ich zu anderen Lösungen greifen! Im aktuellen Beispiel muss aber auch immer der Preis von ca. 0,6€/Platine im Auge behalten werden!

Nebenbei sei gesagt, dass die folgenden Links (auch) Werbelinks sind! Wer sich daran stört, kann die Teile natürlich von Hand suchen ;-) Ansonsten ist das genau der Artikel, der hier auf dem Tisch liegt.


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12V im 10er Pack

12v345aNur mal so am Rande:

Es ist immer gut, wenn man noch ein paar 12V/3A Netzteile liegen hat! Das rettet gelegentlich den NAS-Zugriff übers Wochenende ;-)

Zwar etwas größere Abmessungen als das alte bzw. originale, damit muss ich temporär alles etwas umverkabeln, aber immerhin wieder Funktion und die Festplatte selber hat es nicht erwischt… Auf dem Laufwerk liegt von Musik bis Fotos alles, was man immer wieder mal braucht. Kaum 7 Jahre  lang 16 Stunden am Tag in Betrieb, schon im Eimer :mrgreen:

decoderDas defekte Netzteil stinkt wie Stier, dabei hat mir erst Gestern die Decoderleiche links alles vollgemüffelt. „Aroma de Ampere“ vom feinsten, wär vielleicht ein Rasierwasserduft für Elektroniker… ;-)

 

 

 

 

 

 

 



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