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 :-)

 

 

 

 

Gestank ³

kokeldecoderDa fährt eine Roco 103 Monatelang völlig unspektakulär und dann das…

Der kleine Abrauchdecoder da auf dem Foto stinkt dermaßen, daß der Duft vom Keller bis zum Dachboden reicht, Uff.

 

 

 

 

Na, dann mal etwas intensiver in die Fehlersuche einsteigen, ist nicht der erste Decoder, der in dieser Lok stirbt. An sich läuft das Modell allerdings unauffällig… :?:

 

 

Murphy’s Decoder

decoder-8-pol-alt-defekt aManchmal sehen Dinge auf den ersten Blick eigentlich noch gut aus…

 

 

 

 

decoder-8-pol-alt-defekt b

… bei genauerer Untersuchung ist ein Fehler aber dann doch schnell zu erkennen :mrgreen:

 

Natürlich musste die komplette Lok zerlegt werden, um an diese Seite des Decoders zu gelangen, wär‘ ja auch sonst zu einfach… Zugegeben, ich musste sie ohnehin auseinandernehmen und hätte auch gewissenhafter an die Sache gehen können ;-)

Ursächlich für eine Fehlersuche war nur ein Kurzschluss, der plötzlich und scheinbr grundlos aufgetreten ist. Man schaut im ersten Anlauf unter die ‚Haube‘, der Decoder sah so aus dem Augenwinkel eben noch intakt aus. Also alles zerlegen, kann ja auch irgendeine andere Ursache zugrunde liegen. Irgendwann ist das Fahrzeug dann soweit zerlegt, dass man auch problemlos den Decoder entnehmen kann, der tief im inneren der Lok verbaut war. Nun ja, der Blick auf die Rückseite schaffte Klarheit.

decoder-8-pol-neuer-steckerOK, dieses Problem kann man schnell mit einem Neuteil beheben, diesmal mit besser abgelängten Strippen, so das der Decoder günstiger positioniert werden kann :-)

 

 

Einfach mal so ein Beitrag aus dem Reparaturalltag, mir war danach ;-)

 

 

 



 

Elektronik Tipp: Messen mit dem digitalen Multimeter

Digital Multimeter Tipps auf www.michael-floessel.deIch hatte ja in einem vorherigen Artikel zum Thema Multimeter schon angedroht, dass dazu noch ein weiterer Beitrag folgen soll. Vielleicht auch noch mehrere, zu den analogen Messgeräten gibt es ja auch einiges zu erzählen.

In diesem Artikel geht es um gebräuchliche Multimeter mit digitaler Anzeige, im allgemeinen eben Digitalmultimeter (DMM). Es gibt immer wieder Missverständnisse, wenn es um das Erfassen von Widerstandswerten geht, ebenso habe ich schon einige gekillte Geräte gesehen, welche einfach falsch benutzt wurden und eben darum (oft schon bei der ersten Benutzung) in den Elektronikhimmel befördert wurden. Leider muss ich zugeben, dass ich selber da keine Ausnahme bilde :mrgreen: Einmal unachtsam und es ist passiert.

 

Multimeter TippsAllgemeines

Die gängigen Messgeräte besitzen normalerweise mindestens ein Display, einen Auswahlschalter für die Messart und (min.) 3 verschiedene Eingangsbuchsen. Im weiteren Verlauf konzentriere ich mich auf das Messen von Widerstand, Spannung und Strom. Derjenige, der die vielleicht vorhanden weiteren Funktionen nutzt, ist im Normalfall ohnehin auf ‚Du & Du‘ mit seinem Gerät (denke ich).

Für die Messungen von Widerständen, Spannungen und auch kleinen Strömen muss man meist die Messleitungen nicht umstecken. Hier ist für (-) die Buchse ‚GND‘ oder ‚COM‘ vorgesehen, die (+) Buchse ist meist mit V/mA/Ohm oder vergleichbaren Kennzeichnungen beschriftet. Bei Messungen an Wechselspannungen ist die Polung natürlich unerheblich. An dieser Stelle muss ich auch auf einen anderen Artikel im Blog hinweisen, es geht um die Informationen wie man bestimmte Messungen vornimmt und was man mit den resultierenden Werten anfangen kann. 

<<Link zum Teil 1>>  

<<Link zum Teil 2>> 

Das beste Messgerät nützt ja nichts, wenn man gar nicht weiß, was man tut.

Vorweg der Hinweis, dass bei der Buchsenbelegung für diese  Standardmessungen der Strommessbereich besonders gefährdet ist! Dieser Bereich ist meist für Ströme von einigen Hundert Milliampere gedacht. Darüber hinaus, kann die Gerätesicherung ansprechen, unter ungünstigen Umständen kann aber auch das komplette Multimeter zerstört werden! Das Messen von Strömen stellt für die Stromquelle einen Kurzschluss dar, es wird der maximale Strom fließen! Den mA Bereich IMMER mit ganz besonderer Vorsicht benutzen!

 

Messen von Widerständen

In der oberen Skizze ist ein Wahlschalter für die Messbereiche angedeutet. Dieser bietet für die Widerstandsmessungen verschiedene Stellungen, welche den maximalen Wert angeben, der in dieser Einstellung gemessen werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, eine höhere Genauigkeit der dargestellten Werte zu erhalten. Bei Widerständen von wenigen Ohm ist der genaue Widerstandswert eben aussagekräftiger als bei Werten von mehreren Kiloohm. Wird der Höchstwert überschritten, zeigt das Display Werte wie ‚OL‘, ‚RANGE‘ oder ‚Overload‘ an. In diesem Falle ist einfach die nächsthöhere Einstellung notwendig. Werte von 20k kann man eben im ‚2k Bereich‘ nicht erfassen. Für das zu messende Bauteil und das Multimeter besteht dabei keine Gefahr. Stellt man fest, dass ein sehr kleiner Widerstandswert in einem sehr hohen Messbereich angezeigt wird, einfach in den passenden Bereich herunterschalten. Dabei geht es eben um die Genauigkeit. Möchte man nur Vorwiderstände für LEDs grob selektieren, spielt es meist keine Rolle, ob das nun 180 oder 182 Ohm sind, bei Bauteilen für A/D Wandler z.B. sollte man aber schauen, dass man möglichst genaue Werte erhält!

Die Besonderheit im Widerstandsmessbereich ist die, dass hierbei Strom aus dem Multimeter in das Bauteil fließt. Nur so kann der Widerstand ermittelt werden. Deshalb ist es nicht möglich, Widerstände in Schaltungen zu messen, die noch unter Spannung stehen! Sind die Bauteile schon in einer Schaltung montiert (Fehlersuche etc.), sollte der zu messende Widerstand mit mindestens einem Anschluss ausgelötet werden. Es besteht immer die Gefahr, dass andere Bauteile die Messung beeinflussen. Nebenbei ist eine von außen zugeführte Spannung beim Messen von Widerständen dem Multimeter nicht zuträglich ;-) In sehr seltenen Fällen ist es auch möglich, dass der Strom aus dem Messgerät so hoch ist, dass das Messobjekt beschädigt werden kann. Ich habe mir angewöhnt, die Ströme in allen Widerstandsmessbereichen bei unbekannten Messgeräten einfach auszumessen und zu notieren.

Tipps zum DMMBei dem hier gezeigten Beispiel ist eine Umschaltung der Empfindlichkeit des Multimeters übrigens nicht notwendig, es wählt den optimalen Messbereich selber. Dieses Gerät kann in der gleichen Auswahl auch Durchgangs- und Diodenmessungen vornehmen. Im Kurzschlussfalle auch nicht wundern, wenn statt 0,00 Ohm Werte um 3-4 Ohm angezeigt werden, von den Messleitungen bis hin zum Auswahlschalter wird hier eben der gesamte Widerstand im Stromkreis mit gemessen. In der Regel haben hier qualitativ hochwertige Geräte und Messleitungen die Nase vorn.

Auch bei der Spannungsmessung kann es vorkommen, dass man sich zwischen verschiedenen Messbereichen entscheiden kann. Ist die Größe der Spannung absolut unbekannt, empfiehlt es sich, immer mit dem größten Bereich zu beginnen. Gängige Geräte messen Wechselspannungen bis 1000V. Ist die Auflösung zu grob und der nächst kleinere Messbereich ausreichend, einfach eine Stufe herunter schalten. Ist ebenfalls unbekannt, ob man eine Gleich- oder eine Wechselspannung messen wird, zunächst im AC/~/Wechselspannungsmodus beginnen. Ist in den Fall doch eine reine Gleichspannung vorhanden, zeigt das Multimeter wahrscheinlich 0,00V oder Blödsinn an, man kann nun einen geeigneten Bereich auswählen. Eine genaue Aussage ist hier schwierig, es kommt darauf an, wie der Eingangsbereich des Gerätes technisch realisiert ist. Auch digitale Signale oder Mischspannungen sind mit Vorsicht zu genießen. Viele Geräte sind auf eine Sinusschwingung bei 50Hz ausgelegt, andere Signalformen oder Frequenzen können deutlich falsche Ergebnisse produzieren. Viele Multimeter werten nur den Effektivwert einer Spannung aus! Ich verweise hier auf ein paar Wikipediaartikel, die diese Vorgänge näher erläutern.

Effektivwert/True RMS (Wikipedia)

Messverfahren bei Multimetern (Wikipedia)

Bei Standardmultimetern würde ich sicherheitshalber nur Messungen an Gleichspannungen und 50Hz Wechselspannungen mit annähender Sinusform als ausreichend genau betrachten. Wer den Luxus eines Oszilloskopes sein Eigen nennt, sollte ggf. prüfen, welche Signalform wirklich vorliegt. I.d.R. ist es immer von Vorteil zu wissen, welche Signalformen vorhanden sind und auch das Handbuch zum Messgerät zur Hand zu nehmen. Hat man den DC/=/Gleichspannungs Bereich gewählt und bekommt es mit einer Wechselspannung zu tun, wird das DMM wahrscheinlich einen wesentlich geringeren Spannungswert anzeigen oder eben auch Blödsinn bzw. sich nicht zwischen +/- im Display entscheiden. Besser ausgestattete Geräte können bei solchen Unklarheiten übrigens mit ‚Error‘ oder ähnlichem darauf hinweisen.

Messen von Strömen

Ziemlich sicher der heikelste Punkt. Sehr oft funktioniert der mA Bereich nicht mehr, weil (zumindest) die Sicherung defekt ist, manchmal ist auch der ganze Eingangsbereich des Multimeters durch zu hohe Ströme ruiniert worden. Ich hatte es am Anfang des Artikels ja schon erwähnt: Technisch gesehen stellt die Strommessung einen Kurzschluss oder eine Überbrückung dar. Der Innenwiderstand des Messgeräts beträgt meist nur einige Milliohm, man will den Strom ja messen und nicht reduzieren. Akkus z.B. haben oft nur eine Nennspannung von ca. 1,2V. Möchte man nun eigentlich eben diese Spannung messen und hat irrtümlich noch einen Strommessbereich ausgewählt, wird unfreiwillig der komplette Kurzschlussstrom des Akkumulators fließen! Das können -zig Ampere sein! Aus diesem Grunde immer sicherstellen, dass nach Benutzung des digitalen Multimeters NIEMALS noch eine Strommessung eingestellt ist!  Buchsen am DMM

Fast alle Messgeräte verfügen über eine zusätzliche Buchse, die beim Messen von größeren Strömen benutzt wird. Das hier im Bild gezeigte Modell kann darüber max. 10A erfassen.

Ist unsicher, wie groß der zu messende Strom sein wird, immer mit diesem Bereich beginnen. Allerdings muss mann sich darüber im Klaren sein, dass in allen Fällen der ungefähr zu erwartende Strom bekannt sein sollte! Es hat schon Helden gegeben, die im 10A Bereich messen wollten, wie hoch der Kurzschlussstrom der normalen 230V Haushaltsversorgung ist… Bei einem solchen Versuch ist es gut möglich, dass auch keine Sicherung mehr hilft, die Leiterbahnen im DMM verdampfen einfach. Ganz davon zu schweigen, was dem Bediener alles passieren kann. Also VORSICHT! Sehr oft hat man auch Multimeter in der Hand, die Wechselströme nicht erfassen können, auch hier auf die Fähigkeiten des Modells achten. Möchte man aber nun einen bekannt kleinen Strom (z.B. einer LED) messen, kann der Benutzer den mA Bereich wählen. LEDs liegen irgendwo zwischen 2-20mA, das sollte jedes normale DMM schaffen. Vorausgesetzt natürlich, es hat überhaupt einen Ampere Messbereich. Es ist allerdings immer darauf zu achten, das Ströme eben innerhalb des Stromkreises gemessen werden, ein auftrennen der Leiterbahnen oder lösen der Verbindungen ist fast immer nötig. Es gibt auch Zangenmultimeter, diese werden um den Leiter gelegt um zu messen. Bei kleineren Strömen und vor allem innerhalb von gedruckten Schaltungen ist das aber schwierig bis unmöglich.

Der sicherste Weg ist in vielen Fällen die indirekte Strommessung. Also die Spannung (!) über einem bekannten Widerstand messen (z.B. Vorwiderstand einer LED) und dann das Ergebnis durch den Widerstandswert teilen (I=U/R).

Es gibt natürlich verschiedene Möglichkeiten, die Gefahr von zu großen Strömen zu reduzieren. Ist die Schaltung unkritisch, ist es eine gute Idee, eine Glühlampe oder einen ausreichend dimensionierten Widerstand für die ersten Annäherungen an den Messwert mit dem Multimeter in Reiche zu schalten. Hier spielt natürlich die Erfahrung mit der Materie eine große Rolle, sichere Allgemeintipps sind wieder mal schwierig.

Hier einfach eine (sicher unvollständige) Liste, der bekannten Strommesbereichskiller:

  • Netzspannung in jeder Art.
  • Anlasser und überhaupt Motoren im Auto.
  • KFZ Scheinwerfer.
  • Lade-/Entladeströme an (stärkeren) Akkus.
  • Übersehene/falsche Einstellung des Multimeters.

 

Dazu noch einige Punkte, die man beherzigen kann

  • Multimeter bei Nichtgebrauch immer auf den größten AC-Spannungsbereich stellen.
  • Messleitungen NIE in den Buchsen für die Strommessung belassen.
  • NIEMALS Widerstände in Spannungsführenden Schaltungen messen.
  • Sicherungen IMMER mit den passenden Werten erstezen.
  • Ausreichend volle Batterien im Multimeter um Fehlmessungen zu vermeiden.
  • Sichere, geeignete Messleitungen verwenden.
  • Anleitung lesen!
  • Bei unbekannten Messwerten in den höchsten Bereichen beginnen.

Eine Vielzahl der verfügbaren Multimeter hat recht unterschiedliche Fähigkeiten. Einige müssen auch für mA Messungen umgesteckt werden, andere regeln die Umschaltung der Messbereiche selber. Simple Varianten haben fest installierte Leitungen, Luxusvarianten mehr Schalter und Knöpfe als überschaubar. Es macht auf jeden Fall Sinn, sich mit seinem Modell umfassend auseinander zu setzen! Je besser man das Gerät kennt, desto sicherer sind die Ergebnisse und größer die Möglichkeiten, um an diese zu gelangen.