Schaltungen von Verbrauchern

1
Schaltungen von Verbrauchern
a) Parallelschaltung :
Dies ist die normale Schaltung für Verbraucher an einem Stromnetz.
Die Spannung ist überall gleich :
U 1=U 2 =U
(bei geschlossenem Schalter)
Jeder Verbraucher erhält die gleiche Spannung (in unserem Netz 230V).
Der Gesamtstrom ist gleich der Summe der Teilströme :
I g=I 1 + I 2
b) Reihenschaltung :
Durch alle Verbraucher fliesst der gleiche Strom :
I =I 1 =I 2
Dies ist normalerweise nicht erwünscht, ausser bei LEDs.
Wenn der Stromkreis an einer Stelle unterbrochen wird, fliesst kein Strom mehr.
Die Spannung teilt sich auf alle Verbraucher auf :
U=U 1+U 2
2
Aufgaben :
1. Drei gleiche Lämpchen 6V/ 0.1A sind parallel geschaltet.
Wie groß muß die Versorgungsspannung gewählt werden ?
Welchen Strom muß die Spannungsquelle liefern ?
2. Wieviele 100W-Glühlampen kann man an einer Steckdose anschliessen, die mit einer
10A-Sicherung abgesichert ist ?
3. Eine Weihnachtsbaumbeleuchtung besteht aus einer Reihenschaltung von 20
Glühlampen. Welche Spannung liegt an einer Lampe ?
3
Aufgaben zur elektrischen Leistung
Leistung=
Arbeit ( Energie)
Zeit
P=
W
t
Einheit : Watt = W
Elektrische Leistung :
P=U⋅I
Aufgaben :
1. Welche Leistung nimmt ein Lämpchen 12V/0,2A bei Nennbetrieb auf ?
2. Welcher Strom fliesst durch eine Lampe 100W / 230V ?
3. Kann ein Grillapparat mit 1kW Leistung an einer Steckdose die mit 16A abgesichert ist,
betrieben werden ?
4. Eine Vitrine wird von 6 Lampen 230V /60W beleuchtet.
Wie sind die Lampen geschaltet (in Reihe / parallel) ? Warum ?
Welche Leistung wird aufgenommen ?
Kann die Beleuchtung an einer mit 10A abgesicherten Steckdose betrieben werden ?
5. In einem Zimmer sollen 4 Halogenstrahler 12V / 20W installiert werden.
Wie sind die Lampen zu schalten (in Reihe / parallel) ? Warum ?
Reicht ein Netzgerät 12V / 5A ?
6. Drei LEDs (Light Emitting Diodes, Leuchtdioden) von 10W / 700mA sollen für eine
Beleuchtung zusammen geschaltet werden. Die LEDs müssen alle mit dem gleichen
Strom betrieben werden.
Welche Schaltung ist zu wählen ?
Welche Spannung und welchen Strom muss das Netzgerät liefern ?
4
Aufgaben zur elektrische Arbeit (Elektrische Energie)
W = P⋅t
Energie = Leistung mal Zeit
Einheiten :
Joule = J = Ws
kWh
Beispiel 1
Ein Jugendlicher schaltet aus Bequemlichkeit seinen Computer nie aus.
Wieviel kWh "verbraucht" das Gerät in einem Jahr, wenn die durchschnittliche
Leistungsaufnahme 100W beträgt ? Wieviel kostet das im Jahr bei einem Preis von 15 Cent pro
kWh ?
Beispiel 2
Die Solaranlage von Herrn Weiler (Elektro-Lehrer im LTAM) brachte im Jahr 2012 einen
Energieertrag von ca. 8500kWh. (http://www.weigu.lu/e/index.html)
Wie lange könnte eine 100W-Lampe mit dieser Energiemenge theoretisch ununterbrochen mit
dieser Energiemenge leuchten ?
5
Wirkungsgrad
Beispiel : 100W-Glühlampe
Nutz-Leistung
Elektrische
Leistung
Pel = 100W
Licht-Leistung
PNutz = 5W
Zugeführte Leistung
Pzu
Verlustleistung
Wärmeleistung
PV = 95W
Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis der genutzten Leistung zur zugeführten Leistung an.
η=
P Nutz
P zu
P zu= P Nutz + P V
Typische Werte für den Wirkungsgrad :
Glühlampen
Halogenlampen
Sparlampen
LED-Lampen
2-5 %
4-6 %
12-20 %
5-25 %
Tauchsieder
Motoren
>98 %
60-98 %
Aufgabe 1
Welchen Wirkungsgrad hat die obige Lampe ? Wieviel Leistung geht in Form von Wärme
verloren ?
Vergleiche mit LED-Lampen die einen Wirkungsgrad von ca. 20 % haben. Wieviel mal weniger
Energie braucht eine LED-Lampe um die gleiche Helligkeit zu erzielen ?
6
EU-Label für die Energieeffizienz der Lampen :
Effiziente Halogenlampen mit ungerichtetem Licht findet man in Klasse C, solche mit
gerichtetem Licht in Klasse B. Glühlampen erreichten aufgrund ihrer geringen Energieeffizienz
bestenfalls die Klasse D und wurden daher schrittweise vom Markt genommen.
Lichtstrom in Lumen
Da die Leistungsaufnahme einer Lampe nicht alles über ihre Helligkeit aussagt, wird heute der
Lichtstrom der Lampe angegeben.
Der Lichtstrom ist ein Mass für die insgesamt nach allen Seiten abgestrahlteLichtleistung.
Lichtstrom : Φ (Phi)
Einheit : Lumen = lm
Beispielwerte (Quelle : Konsumenteschutz) :
7
Lichtausbeute in Lumen pro Watt
Für Lampen entspricht die Lichtausbeute prinzipiell dem Wirkungsgrad.
Lichtausbeute=
Lichtstrom
elektrische Leistung
η= Φ
Pel
Aufgabe 1
Vergleiche die Lichtausbeute von Glühlampen, Halogenlampen, Sparlampen und LED-Lampen
für den Fall der hellsten Lampen aus der obigen Tabelle.
Aufgabe 2
Gebe für das obige LED-Modul an :
Elektrische Leistung, Spannung, Strom
Lichtstrom
Lichtausbeute
Welche Glühlampe könnte durch dieses Modul ersetzt werden ?
Wieviel mal weniger Energie würde diese LED im Vergleich zu einer entsprechenden
Glühlampe brauchen ?
8
http://www.ulc.lu/Uploads/Konsument_Menage/Doc/144_1_21-23.pdf
http://www.energieinfo.de/eglossar/halogenlampe.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BChlampe
http://www2.philips.de/licht/onlineacademy/samples/el_halogenl.pdf