Elektrotechnik

Das Thema Elektrotechnik ist sehr interessant, weil die gesamte Infrastruktur auf der Erde zunehmend elektrifiziert wird. Es fängt mit modernen Hausinstallationen an, führt über die gesamte Informationstechnologie zur zukünftigen Transporttechnologie. Alles wird mit hilfe von Strom gelöst, oder anders gesagt, die Zukunft ist elektrisch.

Elektrischer Strom
Elektrizität ist eine Form der Energie wie Wärme, Licht, mechanische und chemische Energie. Strom ist eine der sieben *Grundgrössen der Physik. Elektrischer Strom ist die gleichzeitige Bewegung von Ladungsträgern gleicher Polarität in die gleiche Richtung. Strom wird in Ampère (A) gemessen .

* Grundgrössen der Physik sind: Länge, Zeit, Temperatur, Masse, Lichtstärke, Stoffmenge und Strom.

Strom / Spannung / Widerstand
Strom, Spannung und Widerstand sind die drei Wichtigsten Grundgrössen der Elektronik, sie kommen in jedem Stromkreis vor. Der Deutsche Georg Simon Ohm (1789-1854) beschrieb die Zusammenhänge zwischen Strom, Widerstand und Spannung. Spannung ist die Ursache des Stromflusses. Als Analogie kann man Wasserleitungen nehmen. Der Wasserdruck entspricht der elektrischen Spannung. Lange und dünne Rohre stellen dem Wasserstrom einen höheren Widerstand entgegen, kurze und dicke Rohre wenig Widerstand. Im elektrischen Stromkreis findet man anstelle von Rohren z.B. Drähte, leitende Schichten und Halbleiter als Widerstände.

Einige Formeln in der Elektrotechnik
Einheiten:
U=Spannung in Volt (Abkürzung V)
R=Widerstand in Ohm (Abkürzung griechisches Omega)
I=Strom in Ampère (Abkürzung A)
K=Kapazität in Ampèrestunden (Abkürzung Ah)
t= Zeit in Stunden (Abkürzung t)
P= Leistung in Watt (Abkürzung W)

Ohmsches Gesetz I = U / R oder U = R * I oder R = U / I
Dieses Gesetz beschreibt die Zusammenhänge zwischen Spannung, Strom und Widerstand.
Der Strom von einem Ampère fließt genau dann, wenn an einem Widerstand von 100 W eine Spannung von 100V fällt.

Kapazität: I = K / t
Der Strom von einem Ampère fließt genau dann, wenn ein Akku mit der Kapazität von 18Ah nach 18 Stunden entladen ist.

elektrische Ladung: I = Q / t
Die Stromstärke von einem Ampère fließt genau dann, wenn durch den Querschnitt eines Leiters pro Sekunde eine Gesamtladung von 1As strömt.
Das sind 6,25 * 1018 Elektronen pro Sekunde

Leistung: I = P / U
Der Strom von 20 Ampère fließt genau dann, wenn die Leistungsaufnahme einer Maschine 480W beträgt und sie mit 24V Spannung beliefert wird.
Um die Stromstärke eines Elektrorollers zu senken, kann man beispielsweise die Bordspannung auf 36V oder 48V erhöhen.

Beispiele über Strom und Spannung am Auto / Motorrad

** Thema 42V Bordnetz für zukünftige Autos
Die elektronische Zukunft ist schon lange da. Neue Autos werden Jahr für Jahr mit mehr elektronischen Systemen ausgerüstet. Schon seit mehr als 15 Jahren wird die gesamte Benzinzuführung elektronisch gesteuert. Die Klimaanlage mit unzähligen Stellmotoren und Lüftungsklappen wird natürlich auch elektronisch gesteuert. Servolenkung und Antiblockiersystem, Alarmanlage und Automatikgetriebe, alles wird elektronisch gesteuert und betrieben.

Zukünftig kommen eine Menge von weiteren elektrischen Systemen dazu, die Liste ist unendlich lange. Einige Beispiele: Keyless-Go, neuere Alarmanlagen, Ultraschall -Einparkhilfen, elektrische Bremsen, elektrische Reifendrucksystems, Navigationssysteme mit Radio, CD, TV und mobilem Internetzugang. Mehrstufige Airbags, Gurtstraffer, elektrische aktive Nackenstützen, Mehrzonen-Klimaanlagen, automatische Distanzsysteme (Autopilpot), elektronische Stabilitätsprogramme, Anfahrhilfen, Kurven-Lichtsysteme, elektronische Dämpfungssysteme um nur einige zu nennen. Natürlich kommen dann noch viele elektrische Pumpen für Benzin, Hydrauliköl und Wasser dazu. Die vielen dezentralen Elektromotoren und Sensoren müssen natürlich elektronisch gesteuert und zentral überwacht werden. Das heutige Auto ist also schon längst ein komplexer fahrbarer Computer. Ein Beispiel aus der automobilen Oberklasse des VW-Konzerns, der VW Phaeton besitzt insgesamt 45 Steuergeräte welche untereinander vernetzt sind. Obwohl das Leitungssystem bereits drastisch reduziert wurde, ist der Leitungsstrang fast 4 km lang, aufgeteilt in 2100 Zuschnitte und wiegt 64kg.

Aktuelle und zukünftigen elektromechanischen Systeme brauchen natürlich eine Menge Leistung. Das ist ein Problem, denn aktuelle Lichtmaschinen (Generatoren) liefern heute nur etwa 1 kW. Der Leistungsbedarf wird in den nächsten Jahren massiv ansteigen. Dies wiederum hätte zur Folge, dass neben grösseren Akkus und stärkeren Generatoren auch dickere Kupferkabel installiert werden müssen. Der Umstieg von 12V auf 42V ist zwar nicht einfach zu realisieren, ist aber eigentlich beschlossene Sache. Swissroller geht von einer stufenweisen Einführung der 42V-Bordnetze in den nächsten 10 Jahren aus.

Der intensive Einsatz von elektrischer Technik geht Hand in Hand mit dem Einsatz von neuer Software. Der Gedanke, dass ein zukünftiges Auto zuerst wie ein PC aufgestartet werden muss und im Falle eines Fehlers neu gestartet werden muss, stimmt absturzgeplagte PC-Benutzer natürlich nachdenklich. Aber dies ist ein anderes Thema...