Elektrotechnik für Lichtbastler, eine Einführung


Ich möchte hier mal ein paar Grundlagen der Elektrotechnik, die für HPV Lichtbasteleien wichtig werden können vermitteln, ohne Anspruch auf Vollständigkeit.


Wie fangen wir an?


Es geht uns um Licht, die Lichtquellen werden auf den anderen Seiten erörtert.

hier geht es darum, wo das Licht herkommt.


die Lichtquelle wandelt elektrische Energie in Licht um.


was müssen wir dazu über die elektrische Energie wissen?


Zunächst Definitionen:


Energie (Zeichen E) ist Leistung mal Zeit E= P*t


die Einheit von Energie ist Joule (J), oder auch Wattsekunde (Ws)


Leistung (Zeichen P), das wichtigste, womit wir umgehen. Alles andere wie Strom, Spannung hängt nur davon ab. Deshalb ist es wichtig, die Leistung, zu betrachten, nicht allein Strom, Spannung u.s.w.

Leistung gibt es in vielen Ausprägungen, als Licht, als elektrische Energie, als mechanische u.s.w.

Leistung muss irgend wo herkommen, Leistung wird dann immer nur umgewandelt (eigentlich wird Energie umgewandelt, bezogen auf die Zeit haben wir die Leistung)

Die Einheit von Leistung ist Watt.


Spannung:

Zeichen U

vergleichen wir mal (stark hinkend) Elektrizität mit einer Wasserleitung, so kann man die Spannung als Druck des Wassers in der Leitung betrachten.

Die Einheit ist Volt, die begegnet uns auf vielen Dingen wie Batterien, Dynamos, Lampen u.s.w. und ist daher vielen geläufig.

oft ist es notwendig, wenn man elektrische Bauteile zusammen schalten will, die Spannung anzupassen. Die meisten Teile ertragen nur eine maximale Spannung oberhalb derer sie Schaden nehmen.


Spannungsquelle:

Eine Energie- b.z.w. Leistungsquelle, die eine definierte, konstante Spannung an deren Klemmen anliegen hat. Eine Spannungsquelle drückt also allem angeschlossenen ihre Spannung auf. Deshalb ist das maximale Unglück der Kurzschluss, weil dann gewaltsam die Spannung auf 0 runter gezogen wird und ein grosser Strom fliesst.

Die meisten Energiequellen, die uns begegnen sind Spannungsquellen: Die Steckdosen Zuhause und im Auto, Batterien, Akkus, Netzgeräte.

Auch die geregelten Dynamos wie der B&M S6 , S12 sowie der Dynosys Lightspin sind Spannungsquellen.


Parallelschaltung:

alle Bauteile sind parallel an eine Spannungsquelle angeschlossen, alle Bauteile bekommen die gleiche Spannung ab.



Strom:

Zeichen I

im Wasserleitungs-Vergleich kann man den Strom mit der aktuell fliessenden Wassermenge vergleichen, die Spannung bestimmt die Geschwindigkeit der Wassermenge.

Die Einheit ist Ampère. (Zeichen: A)

Der Strom hängt über das ohmsche Gesetz von der Spannung ab. Manche Bauteile haben als Angabe einen maximalen Strom, oberhalb dessen sie schaden nehmen, z.B. LEDs


Stromquelle:

Eine Energie- b.z.w. Leistungsquelle, die eine definierten, konstanten Strom durch angeschlossene Verbraucher pumpt. Das maximale Unglück ist also der Leerlauf, d.h. wenn an eine Stromquelle kein Verbraucher angeschlossen ist, da dann die Stromquelle Strom pumpen will und es nichts zum reinpumpen gibt, die Spannung steigt daher in gefährliche Höhen. Eine Stromquelle wird also im Idealfall bei Nichtgebrauch kurzgeschlossen. Stromquellen begegnen uns eher selten, daher ist die Vorstellung auch so fremd. Eine Quelle, die sich annähernd wie eine Stromquelle verhält ist der Klauenpol-Generator, also alle einfachen Fahrradynamos, sowie die gebräuchlichen Nabendynamos HB-NX und SON.


Reihenschaltung, Serienschaltung:

alle Bauteile, die in Serie geschaltet sind, werden vom gleichen Strom durchflossen.


Widerstand:

Zeichen R

Engstelle in der Wasserleitung, die den Wasserfluss bremst.

Die Einheit ist Ohm.

Ein Widerstand ist ein Verbraucher, es wird elektrische Leistung in eine andere umgewandelt, meistens Wärme, oftmals Licht, mechanische Bewegung ist auch möglich. Idealerweise ist ein Widerstand konstant, egal bei welcher Temperatur oder aufgenommener el. Leistung. Aber den idealen Widerstand gibt es kaum.

Ein Widerstand kann man als elektronisches Bauteil kaufen, er verwandelt el. Leistung in Wärme, auch eine Glühbirne ist ein annähernd ohmscher Widerstand.


das Ohmsche Gesetz:

gibt den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei einem (ohmschen) Bauteil an.

U= R*I

das bedeutet, man kann die Spannung, die über einem Widerstand anliegt ausrechnen, wenn man den Widerstandswert und den fliessenden Strom kennt.


Wozu braucht man das?
Rechenbeispiel:
wir basteln uns eine LED-Taschenlampe:

als LED nehmen wir eine 1 W Luxeon, z.B. die Star/IO, die hat gleich eine Optik mit dabei.

Der Hersteller sagt, die LED darf maximal 350 mA (milli-Ampere, das sind tausendstel eines Amperes, so wie Millimeter und Meter) abbekommen. Weiter weisst du, dass über der LED bei den angegebenen 350 mA eine Spannung von 3.8 V abfällt.
Du willst die an einen Akku, b.z.w. eine Batterie, die 6V Spannung hat anschliessen. Direkt anschliessen wäre tödlich für die LED, da die LED die Spannung immer auf ihre 3.8V runter ziehen wird und die Spannungsquelle ihr allermöglichstes an Saft (sprich Strom) geben wird, um die auf 6 V hochzuziehen, meistens wird der Akku in dem Fall gewinnen......
die Lebensversicherung für die LED ist ein Vor-Widerstand, an dem die überschüssige Spannung abfallen kann.
Diesen gilt es zu berechnen.
folgende Fakten kennen wir: Akku: 6V, LED 350 mA, 3.8V, die sind unumstösslich, der Widerstand muss sich dran anpassen.

wir wissen also, dass der Widerstand 6V-3.8V= 2.2V  an Spannungsabfall übernehmen muss. Da es eine Serienschaltung ist bekommen alle Bauteile, Widerstand und LED den gleichen Strom ab, daher ist der Strom auch bekannt: 0.35A
nach dem Ohmschen Gesetz: R = U / I folgt dann R= 2.2V / 0.35A = 6.28 Ohm

Zur Sicherheit berechnen wir jetzt noch, welche elektrische Leistung der Widerstand verheizen muss, denn der muss das ja schliesslich aushalten.

Der Widerstand wandelt folgende el. Leistung in Wärme um: P = U * I = 2.2V *0.35A =0.77 W,
Wenn ihr dne Widerstand kaufen geht, dann nehmt also einen stärkeren, sagen wir einen 1W-Typ, die normalen Widerstände in der Unterhaltungselektronik haben meist nur 0.25W, die würden verschmurgeln.

Aufgabe: das Rücklichtbirnchen durch eine rote LED ersetzen