Blogeintrag Februar 2017

Relais

Das Relais war einer der ersten Schaltkörper, die es ermöglichen, durch elektrische Impulse andere elektrische Verbraucher anzusteuern. Solche Schaltungen nennt man Relaisschaltungen. Auch wenn das Relais schon etwas älter ist, wird es heutzutage immer noch häufig benutzt. 

Ein Relais ist ein durch elektrischen Strom betriebener, elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen. Das Relais wird im Steuerstromkreis verbaut und kann durch die vorhandenen Schaltglieder weiter Stromkreise und elektrische Verbraucher schalten. Das Relais erstellt durch eine mechanische Verbindung Kontakt zwischen den Schaltkontakten.

Wird an der Spule Spannung aufgebaut, so wird in dieser ein magnetisches Feld erzeugt. Durch dieses magnetische Feld wird der Anker angezogen und dieser wiederum schliesst die Schaltkontakte, so dass der Strom ungehindert durchfliessen kann.

Vorteile

• Hohe Belastbarkeit

• Relais benötigen keine Kühlung

• Können im Normalfall Kurzschlüsse schalten, ohne ihre Funktion zu verlieren

• Schaltzustand kann ohne Probleme festgestellt werden

• Spule kann mehrmalige Überspannung hinnehmen

Nachteile

• Erschütterungs- und stossempfindlich

• Geräuschentwicklung beim Schalten

• Relativ hohe Ansprech- und Abfallzeit

Relais sind vielfältig einsetzbar. Zwar werden sie in gewissen Einsatzgebieten durch modernere aber auch teure SPS-Anlagen abgelöst. Jedoch werden sie in der konventionellen Steuerungstechnik immer noch häufig eingesetzt. Natürlich gibt es ganz verschiedene Relaisschaltungen: Von einfachen Lampensteuerungen bis hin zu vollautomatischen Stern-Dreieckschaltungen mit 2 Drehrichtungen oder Motoren mit 3 Drehzahlen und 2 Drehrichtungen ist alles möglich. 

Blogeintrag Januar 2017

Magnetismus

Ausrichtung Elementarmagnete

In jedem magnetisierbaren Material befinden sich Elementarmagnete, welche normalerweise kreuz und quer durcheinander ausgerichtet sind. Wenn das der Fall ist, ist das Material nicht magnetisch. Die Elementarmagnete können allerdings ausgerichtet werden. Dies ist mit elektrischem Strom möglich, da jeder stromdurchflossene Leiter ein magnetisches Feld hat. Die Ausrichtung dieses Feldes kommt auf die Flussrichtung des Stroms an. Um sich die Ausrichtung des Feldes im Zusammenhang mit der Flussrichtung zu merken, gibt es die sogenannte "rechte Hand Regel". 

Diese funktioniert so:

Rechte Hand Regel Leiter

Die rechte Hand wird um den Leiter gelegt (physisch oder imaginär) Der Daumen muss in die Flussrichtung des Stroms zeigen (Plus nach Minus). Nun zeigen die Finger in die Richtung, in welche das magnetische Feld zeigt.

Rechte Hand Regel Spule

Eine andere Form der "rechte Hand Regel" wird für Spulen angewendet:

Hier werden die Finger in die Richtung des Stromflusses an die Spule gelegt. Der Daumen zeigt nun in die Richtung des Nordpols der Spule.

Mit Hilfe einer Spule können nun die Elementarmagnete in einem Material ausgerichtet werden, da das magnetische Feld eines Leiters in einer Spule verstärkt wird. Wie auf dem Bild ersichtlich, arbeiten die beiden Seiten der Wicklung in der Mitte zusammen und generieren ein stärkeres magnetisches Feld. Wenn nun in der Mitte der Spule ein Kern platziert wird, werden in diesem die Elementarmagnete ausgerichtet und es entsteht ein Elektromagnet.

Einzelne Wicklung einer Spule

Darstellung des Magnetfeldes einer Spule

Blogeintrag Dezember 2016

Sensorik

Sensoren werden fast überall verbaut. Sogar in einem einfachen Smartphone ist z.B. ein Beschleunigungssensor oder auch ein Fingerabdrucksensor verbaut, um die Bedienung einfacher zu machen oder bestimmte Funktionen zu ermöglichen. Sensoren sind im Grunde nichts Anderes als die «Augen» und «Ohren» einer elektrischen Steuerung oder eines elektrischen Gerätes.

Aktive und passive Sensoren

In allen Sensorkategorien gibt es 2 grosse Hauptgruppen: die aktiven und die passiven Sensoren. Aktive Sensoren erzeugen aus dem Messprozess die Energie, die für die Weitergabe der Information notwendig ist. Bevorzugt sind elektrische Spannungen, da sie sich in der analogen Signaltechnik am leichtesten verarbeiten lassen.

Folgende Sensoren sind Beispiele für aktive Sensoren:

• Thermoelement (Temperatur - Spannung)
• Induktionsspule (Geschwindigkeit - Spannung)
• Hallsonde (magn. Induktion - Spannung)
• pH-Elektrode (pH-Wert - Spannung)

Bei passiven Sensoren muss die Energie durch den Sensor fließen, um diesen zu schalten. Einige Sensoren ändern dabei ihren Widerstand, um somit den Energiestrom zu ändern.

Der grösste Unterschied ist, dass ein aktiver Sensor die Energie, welche er detektiert, in eine andere Energie umwandelt: je höher die Geschwindigkeit ist, desto höher ist die ausgegebene Spannung (Bewegung = Spannung). Ein passiver Sensor hingegen beeinflusst nur den Energiefluss und wandelt diesen nicht um: Je heisser der PTC-Widerstand desto höher der Widerstand. Dieser Sensor beinträchtig also den Strom, welcher durch ihn hindurch fliesst.

Binäre, analoge und digitale Sensoren

Nebst den zwei grossen Obergruppen (aktiv und passiv) gibt es noch drei Unterkategorien, denen verschiedene Sensoren zugeordnet werden können. Diese drei Kategorien geben an, wie der Sensor ein Signal ausgibt:

Binär

Binär bedeutet im Grunde nichts Anderes, als dass es nur zwei Zustände gibt: Ein oder Aus. Es gibt darum keinen Wert zwischen diesen zwei Zuständen. Binäre Sensoren sind vor allem als mechanische Schalter ausgeführt.

Analog

Mit Hilfe von analogen Sensoren können mechanische Grössen wie zum Beispiel ein Druck oder eine Temperatur in elektrische Spannungs- oder Stromsignale umgewandelt werden. Dies erfolgt meistens mithilfe von Elektronik, welche im Sensor verbaut ist.

Digital

Digitale Sensoren sind Sensoren zum zahlenmässigen Erfassen von Messgrössen. Dies können Wegstrecken, Drücke oder auch wiederum Temperaturen sein.

Blogeintrag November 2016

Transformator

Ein Transformator ist in fast jedem elektrischen Gerät vorhanden. Vom kleinen Ladegerät für ein Handy über einen Trafo in einer Steuerung bis hin zu einem riesigen Kraftwerkstrafo. Ohne dieses elektrische Bauteil könnte man weder ein elektrisches Gerät betreiben noch überhaupt irgendwelche Elektrizität im Haus haben. 

Ein Transformator oder auch Trafo genannt besteht aus zwei oder noch mehr Spulen welche sich auf einem gemeinsamen Eisenkern befinden. Die Wicklungen der Spulen bestehen aus isoliertem Kupferdraht. Der Trafo funktioniert ausserdem ausschliesslich mit Wechselspannung. Er wandelt also eine Eingangswechselspannung, die an einer der Spulen angelegt ist, in eine Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann.

Dabei entspricht das Verhältnis von Eingangsspannung und Ausgangsspannung dem Verhältnis der Windungszahlen der beiden Spulen. So wird zum Beispiel bei einem Windungsverhältnis von 20 zu 1 eine Eingangsspannung von 240 Volt in eine Ausgangsspannung von 12 Volt transformiert.

Elektrogeräte

 In Elektrogeräten, die nicht direkt mit Netzspannung arbeiten, wandeln Transformatoren die an der Steckdose anliegende Netzwechselspannung von typischerweise 230 V auf die Betriebsspannung des Elektrogeräts um. Netzteile von Elektrogeräten enthalten entweder einen konventionellen Netztransformator, welcher mit Netzfrequenz und primärseitig (prinzipiell) direkt am Stromnetz betrieben wird, oder ein Schaltnetzteil, welches den Transformator mit einer höheren Frequenz als der Netzfrequenz betreibt. 

Idealer Transformator

Unter einem idealen Transformator versteht man einen in der Praxis nicht realisierbaren, verlustfreien Transformator. Diese Modellvorstellung ist hilfreich bei der Funktionsbeschreibung. In der Praxis treten mehr oder weniger große Abweichungen auf, die Gesetzmäßigkeiten gelten also nur näherungsweise. Beim idealen Transformator sind die Spannungen an den Wicklungen aufgrund der elektromagnetischen Induktion proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses und zur Windungszahl der Wicklung. Daraus folgt, dass sich die Spannungen so zueinander verhalten wie die Windungszahlen. Ausserdem verhalten sich die Ströme genau umgekehrt proportional da man davon ausgeht, dass beide Leistungen (P_primär und P_sekundär) genau gleich gross sind.

Realer Transformator

Ideale Transformatoren sind praktisch nicht realisierbar. Ein realer Transformator unterscheidet sich folgendermaßen vom idealen Transformator:

• Die Wicklungen der Spulen haben einen Widerstand.
• In dem Eisenkern des Trafos treten Wirbelstromverluste in Form von Wärme auf.
• Ausserdem benötigt die Ummagnetisierung des Kerns Energie.
• Die Permeabilität des Kerns hängt von der Frequenz und der Stärke des Magnetflusses ab.

Die Widerstände der Wicklungen, die Ummagnetisierung und die Wirbelströme führen zu Energieverlusten: Die Verluste aufgrund der Widerstände der Wicklungen nennt man Kupferverluste, die Verluste durch die Ummagnetisierung heißen Hystereseverluste und die Verluste aufgrund von Wirbelströmen heißen Wirbelstromverluste. Hystereseverluste und Wirbelstromverluste werden unter dem Begriff Eisenverluste zusammengefasst.