Themen:
- Einführung
- Atomkern mit Elektronen
- Elektronenfluss
- Strom, Spannung und Widerstand
Einführung:
Jeder Kfz-Techniker, vom Assistenten bis zum Techniker, hat mit Elektronik zu tun. Neben der Elektronik von Komfort- und Sicherheitssystemen wie der Beleuchtung, dem Scheibenwischermotor und dem ABS-System finden wir Elektronik in der Steuerung des Motormanagementsystems und in Form von Kommunikationsnetzwerken (u. a. CAN-Bus). Immer mehr Fahrzeuge erhalten auch einen Elektroantrieb. Wer Elektronik verstehen will, sollte mit den Grundlagen beginnen. In diesem Abschnitt beginnen wir mit einer kurzen Erklärung der Elektronen, die ein Atom umkreisen, und gehen dann schnell zu elektrischen Diagrammen über, in denen die Grundkonzepte der Fahrzeugelektronik auf praktische Weise erklärt werden.
Atomkern mit Elektronen:
Nach Bohrs Atommodell besteht ein Atom aus einem Kern, der Protonen und Neutronen enthält und von Elektronen in mehreren Schalen umkreist wird. Das Kupferatom enthält in seinem Kern 29 Protonen und 35 Neutronen.
Die Elektronen befinden sich in vier Schalen. Die Verteilung der Elektronen auf diese Schalen wird Elektronenkonfiguration genannt. Jede Schale hat eine maximale Anzahl an Plätzen für Elektronen. Die erste Schale (K) bietet Platz für zwei Elektronen, die zweite Schale (L) für acht, die dritte Schale (M) für achtzehn und die anderen Schalen für 32 Elektronen.
Die Elektronen in den inneren drei Schalen sind gebundene Elektronen. Die Elektronen in der Außenhülle nehmen an chemischen Bindungen und Reaktionen teil und werden auch „Valenzelektronen“ genannt. Das Kupferatom enthält ein Valenzelektron. Diese Elektronen können sich frei bewegen und zu einem anderen Atom wandern. Bei Kupferdraht überlappen sich die äußeren Hüllen und das einzelne Elektron kann sich über die Hülle seines Nachbaratoms bewegen.
Für dieses Thema ist die Abgabe des Valenzelektrons wichtig. Der Sprung des Elektrons von einem Atom zum anderen ermöglicht die Leitfähigkeit des Materials. Materialien wie Kupfer, Gold und Aluminium verfügen über ein Valenzelektron in der Außenhülle. Im Gegensatz dazu besitzen Isolatoren wie Kunststoff, Glas und Luft kein Valenzelektron. Dieses Material ist daher auch nicht leitend.
Elektronenfluss:
Im nächsten Bild sehen wir eine Batterie, eine Lampe, den Leiter (Kupferdraht) und einen Schalter. Abhängig von der Stellung des Schalters kann Strom durch den Stromkreis fließen oder auch nicht. Das hellblaue Rechteck stellt den Kupferleiter mit den Kupferatomen (gelb) und den springenden Valenzelektronen (grün) dar.
- Schalter geöffnet: Die Elektronen kreisen um das Kupferatom, es findet jedoch kein Elektronenfluss durch den Verbraucher (die Lampe) statt. Die Lampe leuchtet nicht;
- Schalter geschlossen: Da die Batterie eine Spannungsdifferenz erzeugt, kommt es zu einem Elektronenfluss von Minus nach Plus. Der Strom fließt durch die Lampe und schaltet sich aufgrund des Elektronenflusses und der Spannungsdifferenz ein.
Der Strom bewegt sich von – (Minus) nach + (Plus). Dies ist die tatsächliche Fließrichtung. Früher dachte man, dass sich der Strom von Plus nach Minus bewegen würde, aber das ist nicht richtig. Dennoch bleiben wir der Einfachheit halber bei dieser Theorie und nennen sie „technische Flussrichtung“. Im Folgenden behalten wir diese technische Strömungsrichtung bei und gehen davon aus, dass die Strömung von Plus nach Minus verläuft.
Strom, Spannung und Widerstand:
In diesem Abschnitt gehen wir näher auf die drei Konzepte ein: Strom, Spannung und Widerstand. Diese Konzepte begegnen uns in der Automobiltechnik immer wieder. Strom, Spannung und Widerstand haben jeweils eine eigene Größe, Einheit und ein eigenes Symbol.
- I = Strom = Ampere (A)
- U = Spannung = Volt (V)
- R = Widerstand = Ohm (Ω)
Leistung: Im vorherigen Abschnitt haben wir den Elektronenfluss durch einen Stromkreis gesehen. Die Menge an Elektronen, die innerhalb einer Sekunde durch eine bestimmte Querschnittsfläche eines elektrischen Leiters fließen, wird als Strom bezeichnet. Die Einheit des Stroms ist Ampere (A). Ein Strom von 1 A wird erreicht, wenn innerhalb einer Sekunde 6,24 Trillionen (6.240.000.000.000.000.000) Elektronen durch einen Querschnitt geflossen sind. Je mehr Elektronen innerhalb eines bestimmten Zeitraums fließen, desto höher ist der Strom.
Um einen Einblick zu bekommen, wie viel Strom die elektrischen Verbraucher in der Automobiltechnik benötigen, hier eine Auflistung, bei der der Strom auf eine Ladespannung von 14 Volt geschätzt wird:
- Anlasser für Benzinmotoren: 40 – 80 A;
- Dieselmotor-Anlasser: 100 – 300 A;
- Zündspule: 3 bis 6 A, je nach Typ;
- Einspritzventil für Benzinmotoren: 4 – 6 A;
- Elektrische Kraftstoffpumpe: 4 – 12 A, je nach Druck und Durchfluss;
- Elektrischer Kühlventilator: 10 – 50 A;
- H7-Lampe (Halogen-Abblendlicht) von 55 Watt: 3,9 A;
- 35 Watt Xenonlampe: 2,5 A;
- LED-Lampen (PWM-gesteuert und nicht über einen Vorwiderstand): 0,6 – 1 A;
- Heckscheibenheizung: 10 – 15 A;
- Sitzheizung: 3 – 5 A pro Sitz;
- Standard-Autoradio ohne Bordcomputer: ~5 A;
- Wischermotor: 2 -5 A je nach Leistung;
- Innenraumgebläsemotor: 2 – 30 A je nach Drehzahl;
- Elektrische Servolenkung: 2 – 40 A, je nach Leistung.
Spannung: Die Spannung ist die Kraft, die die Elektronen bewegt. Die Spannung ist ein Maß für die Kraftdifferenz zwischen Elektronen an zwei Punkten. Die Spannung wird in Volt, abgekürzt V, gemessen. In der Automobiltechnik arbeiten wir mit einer „Nennspannung“ von 12 Volt. Das bedeutet, dass die Batterie und alle elektrischen Verbraucher auf 12 Volt basieren. In der Praxis sehen wir jedoch, dass die Spannung nie genau 12 Volt beträgt, sondern immer etwas niedriger, oft aber auch höher ist. Zudem ist die Spannung beim Elektroantrieb um ein Vielfaches höher. Die Verbraucher in einem Auto verbrauchen Spannung. Nehmen wir als Beispiel die Heckscheibenheizung: Sie verbraucht etwa einen Strom von 10 Ampere bei einer Spannung von 14 Volt. Der Fluss wird nicht wird verbraucht und geht zurück zur Batterie. Die 14-Volt-Spannung wird in der Heckscheibenheizung zum Aufheizen genutzt. Am Ende (der Masseseite) sind noch 0 Volt übrig.
Um einen Einblick in die möglichen Spannungsniveaus in einem Pkw zu erhalten, finden Sie hier eine kurze Liste der Spannungen, denen wir begegnen können:
- Batteriespannung: 11 – 14,8 V (fast leere Batterie bis maximale Ladespannung der Lichtmaschine);
- Öffnungsspannung des Piezo-Injektors: kurzzeitig 60 – 200 Volt;
- Systemspannung eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb (Hybrid oder BEV): 200 – 800 Volt.
Widerstand: Jedes elektrische Bauteil hat einen Innenwiderstand. Dieser Widerstandswert bestimmt, wie viel Strom fließt. Je höher der Widerstand, desto geringer ist der Strom. Der Widerstand hat den Buchstaben R und die Einheit Ohm. Als Einheit verwenden wir das Omega-Zeichen aus dem griechischen Alphabet: Ω. Wir können einen in einem Stromkreis verwenden zusätzlicher Widerstand hinzufügen, um den Strom zu begrenzen.
Bei einem Kurzschluss, beispielsweise wenn ein Pluskabel die Karosserie berührt, ist der Widerstand sehr gering. Der Strom steigt sofort an, bis eine Sicherung durchbrennt, um Schäden zu verhindern. In der folgenden Liste sehen wir, wie widerstandsfähig die Bauteile sind, denen wir in der Automobiltechnik begegnen:
- Kupferdraht von 2 Metern Länge und einem Querschnitt von 1,25 mm²: 0,028 Ω;
- Lampe (21 Watt Glühbirne): 1,25 Ω;
- Einspritzventil für Benzinmotoren (die hochohmige Variante): 16 Ω;
- Relais-Steuerstromabschnitt: ~ 60 Ω;
- Hauptleistungsteil des Relais: < 0,1 Ω.
Der Widerstand eines Bauteils hängt häufig von der Temperatur ab: Beispielsweise ist der Widerstand der Lampe im eingeschalteten Zustand viel höher als bei der Messung im kalten Zustand, bei der der Strom mit zunehmender Wärme abnimmt.
In Summe: Der Widerstand einer elektrischen Komponente bestimmt, wie viel Strom fließt. Ein geringer Widerstand bedeutet, dass viel Strom fließt. Die zugeführte Spannung (oft etwa 12 Volt) wird im elektrischen Bauteil verbraucht, sodass auf der Masseseite 0 Volt anliegen. Es wird kein Strom verbraucht, er ist also auf der Plusseite genauso hoch wie auf der Masseseite.
Um die Konzepte besser zu verstehen, ist es manchmal hilfreich, sich das Beispiel des Wasserfasses anzusehen. Das Fass wird mit Wasser gefüllt und unten mit einem Hahn verschlossen. Die Spannung und der Wasserfluss durch den Wasserhahn, der eine bestimmte Menge Wasser durchlässt, geben einen guten Eindruck davon, was mit dem Strom in einem Verbraucher mit Innenwiderstand passiert.
Spannung:
Wenn das Fass mit Wasser gefüllt ist, erhöht sich der Wasserdruck am Wasserhahn. Der Wasserdruck kann mit dem Konzept der Spannung in der Elektrizität verglichen werden. Das System muss geschlossen sein, da sonst das Wasser abfließt und kein Wasserdruck mehr vorhanden ist.
Leistung:
Wenn wir den Wasserhahn öffnen, beginnt das Wasser durch den Wasserhahn zu „fließen“. Der Wasserfluss kann mit dem Konzept des Stroms in der Elektrizität verglichen werden.
Widerstand:
Der Wasserhahn reguliert den Widerstand gegen den Wasserdurchfluss. Wenn der Abgriff weiter geöffnet wird, verringert sich der Widerstand und der Strom steigt.
Das Gleiche gilt für Strom. Je größer der Widerstand im Stromkreis ist, desto weniger Strom fließt und umgekehrt. Der Widerstand hat keinen Einfluss auf die Spannung.
