Grundlagen der Bordelektrik - Strom, Spannung & Co. für die Bootselektrik

Bordelektrik Teil 1 – Grundlagen Strom, Spannung, Leistung und Widerstand

Hier stellen wir euch die technischen Grundlagen der Bordelektrik vor. Wir erklären an einfachen Modellen die Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung und Widerstand. Ihr werdet lernen wie Schaltpläne gelesen und erstellt werden und welche Typen von Sicherungen an Bord Sinn machen. Nach der Lektüre solltet ihr in der Lage sein, die richtigen Entscheidungen zu treffen wenn es um Kabelquerschnitte und die Wahl der Sicherungen und Schaltpanele geht.

Die Übersicht zu den weiteren Beiträgen in dieser Serie findet ihr hier: Bordelektrik

Danksagung

Die Artikel in diesem Bereich basieren auf dem hervorragenden PDF von Manfred  Kosthorst. Manfred hat auf seiner Homepage einige sehr interessante Beiträge zum Thema Refit veröffentlicht. Leider ist er vor einigen Jahren verstorben. Wir haben die freundliche Genehmigung seiner Witwe, Manfreds Arbeit als Grundlage für diese Beiträge zu verwenden. Wir werden die Anleitungen sukzessive erweitern und auf den neuesten Stand bringen. So bleibt dieser Schatz an Informationen weiterhin zugänglich und aktuell.

Ein herzlicher Dank geht auch an Michael Herrmann von Yachtinside.de für seine hilfreichen Anmerkungen zu den Kapiteln. Wir werden diese Anmerkungen im Zuge der Überarbeitung in die Artikel einarbeiten.

Wir bedanken uns außerdem bei den Firmen Victron Energy und TransWatt für die Unterstützung und Beratung.

Auch wenn es in diesem Teil einige Formeln gibt: Habt keine Angst, ihr müsst nicht wieder Schulmathematik pauken. Wir beschränken uns hier auf das Allernötigste. In der Praxis haben wir es nur mit einigen wenigen Größen und Begriffen zu tun.

Genauer gesagt, mit nur vier Grundbegriffen: Widerstand, Spannung, Strom und Leistung.

Der Widerstand

Widerstände sind in der Elektrotechnik nicht wegzudenken. Der elektrische Widerstand ist eine Eigenschaft aller Elemente und Verbindungen, sie alle haben einen elektrischen Widerstand einer bestimmten Größenordnung. Mal mehr, mal weniger.

Da wir es hier erst zunächst einmal nur mit Gleichspannung zu tun haben, reden wir hier nur von Gleichspannungswiderständen! Neben diesen gibt es noch kapazitive und induktive Widerstände, die wir hier außer Acht lassen und schnell wieder vergessen.

Was sind nun Widerstände? Materialien lassen sich in zwei grobe Kategorien einteilen: in elektrisch nichtleitend und elektrisch leitend. Natürlich ist das nicht ganz korrekt nur zwei Kategorien zu erstellen, es existieren noch Sonderzustände, aber im Allgemeinen sind z.B. Metalle elektrisch leitend und z.B. Kunstoffe elektrisch nicht leitend. Man spricht dann auch von einem Isolator. 

Vom Verständnis ist es einfacher, sich den Widerstand über den Wasserdruck zu erklären. Wasser kennen wir alle, man kann es sehen und wenn man es berührt, wird man nass. Das ist zunächst einmal etwas ungefährlicher.

Im Modell mit dem Wasser gilt folgendes:

\[Wassermenge = \frac{Wasserdruck}{Widerstand}\]

je höher der Druck, desto mehr Wasser, aber auch, je höher der Widerstand, desto weniger Wasser.

Dazu stellen wir uns ein erhöhtes Wassergefäß vor, aus dem durch einen Schlauch Wasser in ein tieferes Gefäß fließt.

Dünner Schlauch: hoher Widerstand = geringer Wasserfluss

Dicker Schlauch: geringer Widerstand = hoher Wasserfluss

Die Menge des durchfließenden Wassers wird also vom Schlauchdurchmesser bestimmt. Der Schlauch setzt dem Wasserfluss einen Widerstand entgegen. Dieses Wissen setzen wir nun in die Elektrotechnik um.

Anstelle des Wassers bewegen sich Inneren eines Leiters freie Ladungsträger, der elektrische Strom. Wenn diese nun auf ein Atom stoßen, werden sie in ihrer Bewegung gehemmt und diesen Effekt nennt man Widerstand. Ein Widerstand begrenzt also die freie Bewegung der Ladungsträger und damit den Strom in einem Leiter.

Der elektrische Widerstand wird auch als ohmscher Widerstand bezeichnet. Dieser spielt in der Elektronik eine wichtige Rolle, da er einen Einfluss auf Spannung und Ströme in einer Schaltung nimmt.

Es gibt aber noch eine zweite Größe, welche die Fließgeschwindigkeit beeinflusst. Der Wasserdruck: je höher der Druck, umso größer die Fließgeschwindigkeit.

Die Spannung

Der anliegende Wasserdruck am Schlauch ist vergleichbar mit der elektrischen Spannung. Auch hier verwenden wir wieder den Vergleich mit den Wassergefäßen. Wenn irgendwo eine Differenz vorhanden ist, will diese sich ausgleichen, z.B. hoher Luftdruck und niedriger Luftdruck. Den Ausgleich kennen wir alle „Wind“.  Das Gleiche gilt für das Wasser in einem hohen Wasserturm und den viel tiefer liegende Wasserkran in unserer Wohnung.

Je höher der Druck, desto höher die mögliche fließende Wassermenge durch den Schlauch. Der Schlauchdurchmesser stellt den Widerstand dar und begrenzt den Wasserdurchfluss.

Wir fassen zusammen: Dünner Schlauch = hoher Widerstand bedeutet, wenig Wasser fließt. Dicker Schlauch = geringer Widerstand, es fließt mehr Wasser. Großer Druck, es fließt viel Wasser; geringer Druck, weniger Wasser.

Niedrige "Spannung": niedriger Wasserdruck = geringer Wasserfluss

Hohe "Spannung": hoher Wasserdruck = hoher Wasserfluss

Umgesetzt auf die Elektrotechnik bedeutet das, die elektrische Spannung U gibt den Unterschied der Ladungen zwischen zwei Polen an. Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlichen Ladungen.

Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen.

Anmerkung : Es klingt etwas komisch, dass der Pluspol einen Mangel an Elektronen hat und der Minuspol einen Überschuss. Das kommt daher, dass Elektronen negativ geladene Teilchen sind. Daher der Überschuss an negativen Teilchen = Minus und ein Mangel an negativen Teilchen = Plus.

Den Unterschied der Elektronenmenge nennt man elektrische Spannung. Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom.

Der Wasserdruck ist also vergleichbar mit der elektrischen Spannung. Da die meisten Yachten eine 12- bzw. 24-Volt-Versorgungsbatterie haben, ist die Spannung demzufolge immer gleich. (Die geringen Spannungsschwankungen beim Laden und Entladen der Batterie lassen wir der Einfachheit halber zunächst unberücksichtigt)

Der Strom

Die Menge des durchfließenden Wassers in unserem Beispiel ist vergleichbar mit dem elektrischen Strom. Der elektrische Strom oder elektrische Stromstärke wird of kurz Strom genannt.

Der elektrische Strom ist die gezielte und gerichtete Bewegung freier Ladungsträger. Die Ladungsträger können Elektronen oder Ionen sein.

Und jetzt kommen wir zum ersten elektrischen Beispiele: unsere Bordbatterie. Am Pluspol haben wir bei einer vollen Batterie einen Elektronenmangel und am Minuspol einen Elektronenüberschuss. Würden wir den Pluspol und den Minuspol mit einem Kabel verbinden, fände ein Ausgleich statt. Diesen Ausgleich (Bewegung freier Ladungsträger im Inneren des Leiters) nennen wir den Stromfluss. Aber Vorsicht, ohne einen Verbraucher sollten wir die beiden Pole nicht verbinden! Denn dann hätten wir einen Kurzschluss und der gesamte zur Verfügung stehende Strom würde auf einmal fließen (siehe Sicherheitshinweise).

Hat ein Ausgleich stattgefunden fließt kein Strom mehr, die Batterie ist leer.

Wir haben nun 3 Größen, den Widerstand, die Spannung und den Stromfluss kennen gelernt.
In der Praxis (für unsere Verkabelung im Schiff) haben wir es nur mit diesen wenigen Größen und Begriffen zu tun

  • Die Spannung, gemessen in Volt [ V ] hat das Formelzeichen [ U ]
  • Der elektrische Widerstand, gemessen in Ohm [ \(\Omega\) ] hat das Formelzeichen [ R ]
  • Der Strom gemessen in Ampere [ A ] hat das Formelzeichen [ I ]
  • Die Leistung, gemessen in Watt [ W ] hat das Formelzeichen [ P ]

Upps, da hat sich doch noch ein Begriff eingeschlichen, den wir noch nicht behandelt haben: die Leistung.

Die Leistung

Die elektrische Leistung P, die in einem Verbraucher umgesetzt wird, ist bei Gleichstrom das Produkt der elektrischen Spannung U und der Stromstärke I:

\[P = U \cdot I\]

Da bei uns die Bordspannung immer 12 (bzw. 24) Volt beträgt kann man also sagen, je höher der Strom, umso höher die Leistung. Oder umgekehrt, je höher die Leistung, umso höher der Strom.

Der guten Ordnung halber müssen wir an dieser Stelle auch noch erwähnen, dass es neben der elektrischen Leistung auch noch die Wirkleistung, die Scheinleistung und die Blindleistung gibt. Aber auch diese vergessen wir ganz schnell wieder. Für uns ist die elektrische Leistung interessant.

Das ohmsche Gesetz

Wir hatten gesagt, je höher der Strom, umso höher die Leistung. Wir haben aber auch gelernt, Die Spannung ist abhängig vom Widerstand und vom Stromfluss. Sie ist das Produkt aus Widerstand und Strom ... und schon haben wir die Gesetzmäßigkeiten des „ohmschen Gesetzes“:

Als Formel ausgedrückt \(I = \frac{U}{R}\) oder umgestellt \(U=R \cdot I\)

Noch einmal, U steht also für die Spannung in Volt, R für den Widerstand in Ohm und I für den Strom in Ampere.

Das ohmsche Gesetz ist eine der wichtigsten Regeln in der angewandten Elektrotechnik. Mit ihr lassen sich Widerstände, Ströme und Spannungen berechnen.

Aber warum überhaupt diese Einleitung mit den Grundlagen, wenn die Spannung in den meisten Fällen immer 12 (bzw. 24) V beträgt und die Leistung in der Regel durch die Art des Verbrauchers schon festgelegt ist?

Nun, wir wollen unsere Bordelektrik erneuern und müssen daher wissen, welche Sicherung wir einbauen und wie dick unsere Kabel sein müssen. Kabeldicke, man spricht vom Kabelquerschnitt und Sicherungsgröße sind direkt abhängig vom Stromfluss.

\(I= \frac{P}{U}\) abgeleitet von \(P=U \cdot I\)

So wissen wir, welcher Strom fließt und können die Sicherungen und den Kabelquerschnitt entsprechend bestimmen.

Diese 4 elektrischen Größen sowie diese 2 kleine Formeln reichen völlig aus, um die gesamte Schiffselektrik zu verstehen. (Naja, zumindest unsere Gleichstromkreise.)

Der Stromkreis

Schauen wir uns nun mal einen einfachen Stromkreis an. Ein Verbraucher an einer Batterie. In diesem Fall stellt der Verbraucher und die Leitung aus Kupfer (wir haben eben gelernt, dass alle Materialien einen Widerstand besitzen) einen Widerstand dar. Der Einfachheit halber vernachlässigen wir zunächst den Widerstand des Kupfers, also des Leiters. Übrig bleibt nur der Widerstand des Verbrauchers.

Hinweis: Der Einfachheit halber verzichten wir in diesen einfachen Beispielen auf die (in der Praxis obligatorische) Sicherung direkt an den Batteriepolen.

Der Verbraucher könnte bei uns im Schiff zum Beispiel eine Positionslampe oder ein Plotter sein. Fügen wir nun einfach mal die elektrischen Werte hinzu.

einfacher Schaltkreis mit Bezeichnungen

Unsere Stromversorgung an Bord beträgt meistens 12 V (oder in einigen Fällen sogar 24 V). Einigen wir uns mal auf die 12 V. Die Positionslampe hat einen Widerstand von 7,2\(\Omega\). Nehmen wir nun unsere Formel für das ohmsche Gesetz und setzen unsere Werte ein, so können wir den Strom ausrechnen, der in unserem kleinen Stromkreis fließt.

\[U = R * I\]
\[12V = 7,2\Omega \cdot I\]

Stellen wir nun die Formel um erhalten wir

\[I = \frac{12V}{7,2\Omega} = 1,666667\]

das ist der Strom, gemessen in A (Ampere).
Erinnern wir uns an die zweite kleine Formel

\[P=U \cdot I\]

Die Spannung U und den Strom I kennen wir schon. Setzen wir die Werte in die Formel ein, so können wir die Leistung ausrechnen.

\[P = U \cdot I\]
\[P=12V \cdot 1,666667A = 20W\]

In diesem Fall haben wir eine Positionslampe mit einer Leistung von 20 W (Watt)

Die Leistung in Watt, ist auch eine Größe, die häufig bei einem Verbraucher angegeben wird. Den Widerstand findet man so gut wie gar nicht, und den Stromverbrauch nur selten an einem Verbraucher. Dafür wie schon geschrieben die Leistung. Egal, mit Angabe der Leistung und dem Wissen, dass unsere Batterie 12V Versorgungsspannung liefert, können wir jeden weiteren Wert ausrechnen.

Noch einmal unsere beiden Formeln

\(U = R \cdot I\) und \(P = U \cdot I\)

wobei die zweite die für unser Vorhaben die Elektrik zu erneuern, die wichtigere ist. Die andere behalten wir erst einmal im Hinterkopf.

Zurück zu unserem Schaltkreis. Wir haben gelernt, dass jeder Verbraucher einen Widerstand hat (kleiner Widerstand = hoher Strom und großer Widerstand = geringer Strom). Schauen wir uns mal die Grenzfälle an:

Ist der Widerstand unendlich groß, fließt praktisch kein Strom. Wollen wir, dass kein Strom fließt, öffnen wir einen Schalter. Damit wird praktisch ein Stückchen Leitung aus Luft eingefügt. Luft gehört zu den Nichtleitern und damit ist das Gerät ausgeschaltet.

Im anderen Fall, der Widerstand geht gegen Null, er ist praktisch nicht vorhanden. Diese Situation wird Kurzschluss genannt, und in diesem Fall fließt ein sehr hoher Strom, der unsere Schaltung zerstören würde, was natürlich nicht in unserem Sinne ist.

Für diesen Fall hat man Sicherungen erfunden, die bei einem bestimmten Stromfluss durchbrennen, also praktisch wieder ein kleines Stückchen Luftleiter einfügen. Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen, bevor die Leiter oder das Gerät durch einen zu hohen Stromfluss zerstört werden.

Dieses Wissen setzen wir jetzt um und bauen eine (Haupt)-Sicherung mit in unseren Stromkreis. Die Hauptsicherung sollte so nah wie möglich (max 20 cm) vom Batteriepol entfernt eingebaut werden. Ideal sind auch Bolzensicherungen, die mit einem entsprechenden Sicherungshalter für Bolzensicherungen direkt am Pol angebracht werden können.

In diesem Fall haben wir ein System mit "Minus an Masse". Das bedeutet, dass der Minuspol der Batterie mit dem Schiffsrumpf bzw. (bei GFK oder Holzschiffen) der Maschine verbunden ist. Ist dies nicht der Fall, so müssen beide Leiter abgesichert sein:

Vollständig isoliertes System

Die Sicherung bemessen wir nach dem Leiterquerschnitt. Wie genau erklären wir in den folgenden Kapiteln. Die üblichen Verbraucher an Bord sind in der Regel intern abgesichert. Wenn nicht, können wir noch eine "fliegende" Sicherung in den Plus-Leiter direkt am Verbraucher einsetzen.

Parallelschaltung

In der Regel sind mehrere Verbraucher an einer Batterie angeschlossen. Dafür werden dann auch dünnere Leiter anstelle der die dicken Hauptleitungen verwendet. Diese Leiter müssen dann (je nach Querschnitt) separat mit entsprechenden Sicherungen abgesichert werden.

Oft nimmt man aber anstelle einer Schmelzsicherung einen Schutzschalter (oft auch als Sicherungsautomat bezeichnet). Der vereint gleich 2 Funktionen. Erstens dient er als Schalter, und zweitens als Sicherung. Im Fehlerfall, also bei zu hohem Stromfluss schmilzt er nicht durch, sondern er öffnet einfach den Schalter. Ist der Fehler behoben, lässt sich der Schalter wieder in die geschlossene Position schalten.

Im Schaltplan sieht ein Schutzschalter so aus:

Schutzschalter vereinen also Sicherung und Schalter in einer Funktion. In dem Beispielschaltplan ist trotzdem die Sicherung direkt am Batteripol eingezeichnet. Sie sorgt dafür, dass ein eventueller Kurzschluss vor dem Schutzschalter nicht zu einem Kabelbrand führt.

Haben wir nun, wie auf einem Boot üblich, viele Verbraucher, so werden einfach alle parallel geschaltet. Im Schaltplan sieht das so aus:

Verbraucher parallel geschaltet

Dem aufmerksamen Beobachter fällt nun auf, dass zusätzlich zu den Verbrauchern ein Hauptschalter und ein paar dunkle Punkte hinzu gekommen sind. Mit dem Hauptschalter können wir alle Verbraucher ausschalten, zum Beispiel wenn wir das Boot für eine Zeit lang unbeaufsichtigt lassen. Die Punkte bedeuten, dass an diesen Stellen eine Verbindung besteht. Ohne einen Punkt würde es bedeuten, dass sich eine Leitung nur kreuzt.

Die Parallelschaltung von Verbrauchern hat den Vorteil, dass an allen Verbrauchern die gleiche Spannung, nämlich 12 V anliegt. Bei einer Reihenschaltung (die werden wir später der Vollständigkeit halber auch noch mal beschreiben) ist das nicht so.

Da man den Sicherungsautomaten nicht ansehen kann, ob sie ein- oder ausgeschaltet sind, fügt man oft auch kleine Lämpchen oder Leuchtdioden (LEDs) in die Leitungen ein, die im eingeschalteten Zustand leuchten. So sind auch die fertig zu kaufenden Schaltpanele geschaltet.

Aber wie schon gesagt: Lämpchen können, müssen aber nicht zwingend mit eingebaut sein.
Bauen wir mal die LEDs in unseren kleinen Schaltplan mit ein. Das sieht dann so aus:

Schaltpanel mit Kontrollleuchten

Ein Hauptschalter ist auch deshalb wichtig, damit wir, wenn wir an der Anlage arbeiten, alles stromfrei schalten können,  um Kurzschlüsse zu vermeiden.

Alle bisher aus der Elektrotechnik verwendeten Symbole sind unten noch einmal aufgeführt.

Die wichtigsten Schaltsymbole

Schaltsymbol
Erklärung
Leiter
Leiter
Kreuzung ohne Verbindung
Kreuzung ohne Verbindung
Kreuzung mit Verbindung
Schalter
Schutzschalter
Widerstand
Sicherung
Glühlampe
Glühlampe
LED
LED
Batterie
Batterie
Masse

Viel mehr kommt für unsere Verkabelung nicht mehr hinzu. Wir fassen noch einmal zusammen:

Zusammenfassung der Grundlagen

Die Versorgungsspannung, kurz Spannung, ist an Bord (mehr oder weniger) konstant und beträgt in der Regel 12 oder 24V. Das Formelzeichen dafür ist U.

Jeder Verbraucher hat einen Widerstand (Formelzeichen R) und begrenzt den Strom in einem Leiter. Gemessen wird der Widerstand in Ohm.

Der Strom (Formelzeichen I) ist direkt abhängig von der Spannung U und dem Widerstand R. Der Strom wird gemessen in Ampere A.

Diese Abhängigkeiten werden im Ohmschen Gesetz mit der Formel

\(U = R \cdot I\) oder umgestellt \(I = \frac{U}{R}\)

beschrieben.

Die Leistung (Formelzeichen P) wird gemessen in Watt W und ist bei Gleichstrom das Produkt der elektrischen Spannung U und der Stromstärke I:

\[P = U \cdot I\]

Ist die Leistung bekannt, stellen wir die Formel um und können den Strom ausrechnen

\[I=\frac{P}{U}\]

Nun sind wir in der Lage, die für eine Neuverkabelung nötigen Kabelquerschnitte und auch die für einen Verbraucher benötigten Absicherungen zu berechnen.

So, das war‘s erst einmal mit der Theorie. Mit diesem Wissen im Hinterkopf begeben wir uns nun an Bord.

Hier geht es zum nächsten Kapitel der Serie zur Bordelektrik: Bestandsaufnahme der elektrischen Anlage an Bord

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