4 Elektrische Grundgrößen

4.1 Das Auto Modell

Mit Hilfe des Auto-Modells, dass die Voraussetzungen für einen Verkehrsfluss beschreibt, kann in Analogie auf die notwendigen Bedingungen für das Entstehen eines Stromflusses geschlossen werden.

Damit es zu einem Verkehrsfluss kommt, müssen folgende Bedingungen erfüllt werden:

1. Es müssen fahrbereite Fahrzeuge vorhanden sein.
2. Es müssen geeignete Wege und Straßen existieren.
3. Es muss eine Energie vorhanden sein, die die Fahrzeuge fortbewegen kann (Treibstoff).

Mit Übertragung dieses Modells auf die Elektrotechnik, ergibt sich für die Erzeugung eines Stromflusses:

1. Es müssen freie Ladungsträger vorhanden sein.
2. Es muss einen elektrischen Leiter geben, in dem die elektrischen Ladungen strömen können.
3. Zum Antreiben der elektrischen Ladungen, d. h. zum Erzeugen eines gerichteten Elektronenstromes, muss eine elektrische Energiequelle vorhanden sein.

4.2 Der einfache Stromkreis

Sie wissen aus eigener Erfahrung, dass Sie zum Betreiben eines elektrischen Gerätes (Energiewandler, Betriebsmittel, Objekt) einen Stromanschluss oder – wenn es sich um ein mobiles Gerät handelt – Primärzellen bzw. Akkus benötigen. Elektrische Geräte, die am Stromnetz betrieben werden, verfügen über eine Verbindungsleitung. Über diese wird die an der Steckdose bereitgestellte Versorgungsspannung dem Gerät zugeführt. Auch in mobilen Geräten existiert diese Verbindungsleitung von den Batteriekontakten zur Elektronik. Diese ist im Gerät integriert, sehr kurz und in der Regel nicht sichtbar. Die im Gerätegehäuse untergebrachten elektrischen Komponenten, sorgen dafür, dass es nach dem Einschalten des Gerätes zu einem definierten Stromfluss von und zurück zur Spannungsquelle kommt – der Stromkreis ist geschlossen. Die Größe des sich einstellenden Stromes ist von der Höhe der angelegten Spannung und von den „Verbrauchseigenschaften“ des Betriebsmittels – seinem internen Widerstand – abhängig. Dieser begrenzt den maximal fließenden Strom. Der im Bild 1 dargestellte einfache elektrische Stromkreis besteht daher aus einer Energiequelle (9 V-Batterie), der Verbindungsleitung, einem Schalter und dem angeschlossenen Energiewandler (Glühlampe). Die realen Komponenten eines Stromkreises werden in der Elektrotechnik vereinfacht mit genormten Symbolen in Form eines Stromlaufplanes dargestellt. Das Symbol (Schaltzeichen) für den Schalter kennzeichnet den „Aus“-Zustand. In der Regel sind die Komponenten über Anschlussklemmen miteinander verbunden (Batteriestecker bzw. Anschlussklemmen an Schalter und Lampenfassung).

Bild 1: Nachbildung des einfachen realen Stromkreises (oben) als Stromlaufplan mit Schaltsymbolen [1]

Für die Darstellung der technischen Stromrichtung (rot) und für die zwischen den Polen der Energiequelle vorhandene Spannung (grün) werden Zählpfeile verwendet. Der Spannungspfeil wird bei Gleichspannungsquellen immer so eingezeichnet, dass dieser vom positiv geladenen Pol zum negativen Pol zeigt. In der Energiequelle verlaufen die Strom- und Spannungspfeile entgegen gerichtet und im Energiewandler zeigen sie in die gleiche Richtung.

4.2.1 Schaltzeichen und Symbole

Bild 2: Grundsymbole (schwarz), Symbolelemente (rot) und Kennzeichen (grün)

Für die Stromlaufpläne gibt es nach DIN^* 40900 genormte Schaltzeichen. Diese setzen sich aus Grundsymbolen und Symbolelementen zusammen (Bild 2).

Das schwarze Grundsymbol (a) kennzeichnet ein integrierendes Messgerät. Mit dem rot dargestellten Symbolelement „kWh“ wird festgelegt, was genau gemessen wird. In diesem Fall handelt es sich um einen Kilowattstun-denzähler. Das Grundsymbol (b) stellt einen Widerstand dar. Der Pfeil als zusätzliches Element kennzeichnet die lineare Veränderbarkeit des Widerstandswertes mit einer äußeren Einrichtung.

Daneben gibt es Kennzeichen. Diese sind im Bild 2 grün dargestellt (c bis f) und ergänzen als weiteres Symbolelement oder in Form eines anderen Schaltzeichens das Grundsymbol und legen somit seine exakte Eigenschaft fest.

^*DIN → Deutsches Institut für Normung.

Bild 3: Schaltzeichenvarianten des Heißleiters

Die Norm gibt keine feste Größe für die Schaltzeichen vor. Die Schaltzeichen können vergrößert und verkleinert werden. Die Proportionen müssen jedoch beibehalten werden. Die Schaltzeichen werden nach DIN in einer bestimmten Lage dargestellt. Diese ist für den Benutzer aber nicht zwingend. Sie dürfen in Abhängigkeit der Verwendung gedreht und gespiegelt werden, sofern ihre Bedeutung nicht verändert wird. Bild 3 zeigt die Schaltzeichenvarianten eines temperaturabhängigen Widerstandes (Heißleiter).

In Bild 4 sehen Sie Schaltzeichen, die in diesem Lernmodul zum Einsatz kommen werden.

Bild 4: Schaltzeichen (Auswahl) nach DIN 40900

Detaillierte Informationen zu den elektrotechnischen Komponenten oder Bauelementen, die durch diese Schaltzeichen symbolisiert werden, erhalten Sie in den entsprechenden Kapiteln.