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Wie Strom sich verhält und Bauteile verbunden werden.
Bei Gleichstrom bleibt die technische Stromrichtung gleich; die Polarität ist fest.
Bei Gleichstrom bleibt die technische Stromrichtung gleich. Die Spannung kann konstant sein oder schwanken, ohne ihre Polarität zu wechseln.
DC bedeutet Direct Current. Das Symbol am Messgerät ist meist eine durchgezogene Linie über einer gestrichelten Linie.
Mini-Beispiel: Ein 24-V-DC-Netzteil besitzt +24 V und 0 V. Ein korrekt angeschlossener Sensor erhält damit eine feste Polarität.
Vor Arbeiten Versorgung, mögliche Rückspeisungen und gespeicherte Energie berücksichtigen. Sicherungen, Leitungen und Polarität nur nach freigegebenem Verfahren ändern.
Sicherheitsbereich öffnen →Gleichstromsysteme besitzen einen festgelegten Bezug und eine gleichbleibende Polarität. In Steuerungen wird häufig mit 24 V DC gearbeitet, weil Sensoren, SPS-Eingänge und Relais dafür ausgelegt sind. Trotzdem können Einschaltspitzen, Spannungseinbrüche oder getaktete Signale auftreten.
Bei der Fehlersuche werden Plusversorgung, 0-V-Rückleiter und tatsächliche Spannung unter Last getrennt betrachtet. Ein unterbrochener Rückleiter kann ebenso zum Ausfall führen wie eine fehlende Plusversorgung.
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Kontrollfrage: Warum ist 0 V nicht automatisch mit dem Schutzleiter gleichzusetzen?
Antwort: 0 V ist der elektrische Bezug eines Gleichstromkreises. Ob und wie dieser Bezug mit Erde oder Schutzleiter verbunden ist, hängt vom Anlagenkonzept ab und darf nicht einfach angenommen werden.
Bei Wechselstrom ändern sich Richtung und meist auch Höhe des Stroms regelmäßig.
Bei Wechselstrom ändern sich Richtung und Augenblickswert regelmäßig. Im öffentlichen Netz in Europa laufen 50 vollständige Perioden pro Sekunde ab (50 Hz) – die Richtung wechselt dabei 100-mal pro Sekunde.
AC bedeutet Alternating Current. Hertz (Hz) gibt die Anzahl der Perioden pro Sekunde an.
Mini-Beispiel: Eine Netzspannung von 230 V AC ist ein Effektivwert. Der momentane Spitzenwert der sinusförmigen Spannung liegt deutlich höher.
Vor Arbeiten Versorgung, mögliche Rückspeisungen und gespeicherte Energie berücksichtigen. Sicherungen, Leitungen und Polarität nur nach freigegebenem Verfahren ändern.
Sicherheitsbereich öffnen →Wechselgrößen werden durch Verlauf, Frequenz, Effektivwert und Phase beschrieben. Der Effektivwert eignet sich für den Vergleich der Wärmewirkung, sagt aber nicht allein alles über Spitzenwert oder Kurvenform aus.
Transformatoren, Motoren und Netzteile reagieren auf Wechselspannung unterschiedlich. Für Messung und Auswahl von Betriebsmitteln müssen Frequenz, Spannungsform, Messverfahren und Herstellerangaben zusammenpassen.
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Kontrollfrage: Warum ist 230 V AC nicht der höchste Augenblickswert einer sinusförmigen Netzspannung?
Antwort: 230 V ist der Effektivwert. Der Scheitelwert einer idealen Sinusspannung ist um den Faktor √2 höher und liegt ungefähr bei 325 V.
Polarität bezeichnet bei Gleichspannung die Zuordnung von Plus und Minus.
Polarität beschreibt die Zuordnung von Plus und Minus beziehungsweise die Richtung einer Gleichspannung. Viele elektronische Bauteile funktionieren nur bei richtiger Zuordnung.
Dioden, Elektrolytkondensatoren, Sensoren und Steuerungen können durch Verpolung beschädigt werden.
Mini-Beispiel: Eine Diode leitet nur in Durchlassrichtung. Wird sie umgekehrt eingebaut, sperrt sie – und kann zerstört werden, wenn ihre zulässige Sperrspannung überschritten wird.
Vor Arbeiten Versorgung, mögliche Rückspeisungen und gespeicherte Energie berücksichtigen. Sicherungen, Leitungen und Polarität nur nach freigegebenem Verfahren ändern.
Sicherheitsbereich öffnen →Polaritätsabhängige Bauteile besitzen eine vorgesehene Anschlussrichtung. Dazu gehören viele Dioden, LEDs, Elektrolytkondensatoren, Sensoren und elektronische Steuergeräte. Eine Verpolung kann zu Fehlfunktion, Sperrung oder Zerstörung führen.
Farben und mechanische Stecker helfen bei der Orientierung, ersetzen aber nicht Schaltplan, Klemmenkennzeichnung und Messung. Besonders nach Reparaturen oder Leitungsänderungen muss die tatsächliche Zuordnung kontrolliert werden.
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Kontrollfrage: Was zeigt ein negatives Vorzeichen bei einer DC-Spannungsmessung häufig an?
Antwort: Die Messleitungen liegen gegenüber der eingestellten Bezugsrichtung vertauscht. Das beweist noch keinen Anlagenfehler, zeigt aber die tatsächliche Polarität zwischen den Messpunkten.
Bauteile liegen hintereinander in einem einzigen Strompfad. Durch alle fließt derselbe Strom.
In einer Reihenschaltung liegen die Bauteile hintereinander im selben Strompfad. Deshalb fließt durch alle Bauteile derselbe Strom.
Teilspannungen addieren sich zur Gesamtspannung.
Mini-Beispiel: Zwei Widerstände mit je 100 Ω in Reihe ergeben 200 Ω. An 24 V fließen idealisiert 0,12 A.
Vor Arbeiten Versorgung, mögliche Rückspeisungen und gespeicherte Energie berücksichtigen. Sicherungen, Leitungen und Polarität nur nach freigegebenem Verfahren ändern.
Sicherheitsbereich öffnen →In der Reihenschaltung fließt derselbe Strom durch alle Elemente. Einzelspannungen entstehen abhängig von den jeweiligen Widerständen und addieren sich zur Quellenspannung. Diese Regel ermöglicht Spannungsteiler, erklärt aber auch unerwünschte Spannungsfälle.
Wird ein Verbraucher unterbrochen, ist der gesamte Strompfad offen. Wird ein Widerstand größer, verändert sich der Strom und damit auch die Spannungsverteilung an allen anderen Elementen.
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Kontrollfrage: Warum ist eine Reihenschaltung gewöhnlicher Verbraucher oft störanfälliger?
Antwort: Eine Unterbrechung trennt den gemeinsamen Strompfad für alle Verbraucher. Außerdem teilen sich die Verbraucher die Versorgungsspannung und beeinflussen sich gegenseitig.
Bauteile liegen in mehreren Zweigen. An jedem Zweig liegt dieselbe Spannung an.
In einer Parallelschaltung liegen mehrere Zweige an denselben zwei Knoten. Daher liegt an jedem Zweig dieselbe Spannung an.
Der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand.
Mini-Beispiel: Zwei 24-V-Lampen parallel erhalten beide 24 V. Zieht jede Lampe 0,5 A, liefert die Quelle insgesamt 1 A.
Vor Arbeiten Versorgung, mögliche Rückspeisungen und gespeicherte Energie berücksichtigen. Sicherungen, Leitungen und Polarität nur nach freigegebenem Verfahren ändern.
Sicherheitsbereich öffnen →Parallele Zweige liegen zwischen denselben Knoten und besitzen deshalb dieselbe Spannung. Jeder Zweig nimmt abhängig von seinem elektrischen Verhalten einen eigenen Strom auf. Die Quelle und gemeinsame Zuleitungen müssen den Gesamtstrom führen.
Ein zusätzlicher paralleler Verbraucher verringert den Gesamtwiderstand und erhöht den Gesamtstrom. Deshalb kann eine Erweiterung trotz unveränderter Spannung Sicherung, Netzteil oder Leitung überlasten.
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Kontrollfrage: Warum steigt der Gesamtstrom, wenn ein weiterer Verbraucher parallel angeschlossen wird?
Antwort: Der neue Zweig bietet einen zusätzlichen Strompfad. Der Gesamtwiderstand sinkt und die Quelle liefert die Summe aller Zweigströme.
Eine Sicherung unterbricht bei unzulässig hohem Strom und schützt vor allem Leitung und Anlage.
Sicherungen unterbrechen einen Stromkreis, wenn der Strom festgelegte Grenzen überschreitet. Sie schützen vor allem Leitungen und Betriebsmittel gegen Überstrom.
Nennstrom und Auslösecharakteristik müssen zur Leitung und Anwendung passen. Eine Sicherung verhindert nicht jeden elektrischen Schlag – als Zusatzschutz für Personen dient der FI-Schutzschalter (Fehlerstrom-Schutzeinrichtung, meist 30 mA).
Mini-Beispiel: Löst eine Sicherung wiederholt beim Motorstart aus, werden Motor, Leitung, Mechanik und Auslösecharakteristik geprüft – nicht einfach eine größere Sicherung eingesetzt.
Vor Arbeiten Versorgung, mögliche Rückspeisungen und gespeicherte Energie berücksichtigen. Sicherungen, Leitungen und Polarität nur nach freigegebenem Verfahren ändern.
Sicherheitsbereich öffnen →Eine Sicherung wird nach Leitung, Verbraucher, Netzform, Abschaltbedingungen und möglichen Einschaltströmen ausgewählt. Ein höherer Nennstrom ist keine allgemeine Lösung für wiederholtes Auslösen, weil dadurch die Schutzwirkung verloren gehen kann.
Nach einer Auslösung wird zwischen Überlast, Kurzschluss, fehlerhaftem Betriebsmittel und ungeeigneter Auslegung unterschieden. Auch die Energie, die eine Quelle im Fehlerfall liefern kann, und das Ausschaltvermögen des Schutzorgans sind wichtig.
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Kontrollfrage: Warum darf eine ausgelöste Sicherung nicht einfach durch eine stärkere ersetzt werden?
Antwort: Die Leitung oder das Betriebsmittel könnte dann Ströme führen, für die es nicht ausgelegt ist. Überhitzung und Brandgefahr können entstehen.
Leitungen besitzen Widerstand und dürfen nur bis zu einer zulässigen Strombelastung verwendet werden.
Leitungen müssen Strom sicher führen, ohne unzulässig warm zu werden oder zu viel Spannung zu verlieren. Dafür sind Querschnitt, Material, Verlegeart und Umgebung entscheidend.
Der benötigte Querschnitt hängt unter anderem von Material, Länge, Strom, Verlegeart und Umgebung ab. Tabellen und Normvorgaben sind entscheidend.
Mini-Beispiel: Ein langer 24-V-Leitungsweg kann unter Last so viel Spannung verlieren, dass ein Sensor nicht mehr zuverlässig arbeitet, obwohl am Netzteil 24 V messbar sind.
Vor Arbeiten Versorgung, mögliche Rückspeisungen und gespeicherte Energie berücksichtigen. Sicherungen, Leitungen und Polarität nur nach freigegebenem Verfahren ändern.
Sicherheitsbereich öffnen →Leitungsdimensionierung berücksichtigt Strombelastbarkeit, Spannungsfall, Kurzschlussfestigkeit, Umgebung, Bündelung, Verlegeart und mechanische Beanspruchung. Derselbe Querschnitt kann unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich belastbar sein.
Auch Anschlussstellen sind Teil des Strompfads. Falsches Abisolieren, lose Klemmen, beschädigte Litzen oder ungeeignete Aderendbehandlung erhöhen Widerstand und Wärmeentwicklung.
Prüfe dich selbst, bevor du zum nächsten Thema wechselst:
Kontrollfrage: Warum kann eine lange 24-V-Leitung trotz ausreichender Strombelastbarkeit Probleme verursachen?
Antwort: Der Spannungsfall kann so groß werden, dass der Verbraucher seine notwendige Betriebsspannung nicht mehr erhält.