U/R/I für Beleuchter & Co.: Wie funktioniert die Stromversorgung?
von Herbert Bernstädt,
Spannung, Widerstand – und wie war das mit dem Strom und dem Spannungsfall? In dieser Folge der “Praktischen Veranstaltungskunde” sehen wir uns diese elektrotechnischen Parameter an, und was sie für die Verkabelung bedeuten.
In dieser Ausgabe der “Praktischen Veranstaltungskunde” wollen wir uns darum kümmern, wie man die Leuchte mit Strom versorgt. Die ganze Diskussion über Kernkraftwerke und Solarenergie, wozu? Bei uns kommt der Strom aus der Steckdose. Und in der Tat, für unsere Veranstaltungen können wir bis auf einige Ausnahmen auf eine vorhandene Energieversorgungs-Struktur zurückgreifen. Mit der Stromversorgung mittels Generator werden wir uns separat beschäftigen. Hier wollen wir uns auf das vorhandene einphasige Netz konzentrieren und finden je nach Größe der Spielstätte unterschiedliche Anschlüsse für die Stromversorgung wieder.
In der Regel gibt es keine Spielstätte in der nicht mindestens eine Schukodose vorhanden ist. Schuko ist die Abkürzung für Schutzkontakt, was ein geschützter Begriff für diese Steckerart und eine passende Beschreibung für das außen liegende Kontaktpaar für die Erdung ist. Da historisch bedingt die Elektrizität an vielen Orten gleichermaßen ins Leben gefunden hat und erst einmal separat funktionierende Systeme entwickelt wurden, ist erst durch die massenhafte Anwendung eine Normierung notwendig geworden. Und da bekanntlich viele Wege nach Rom führen, gibt es dementsprechend viele Varianten von Steckverbindern.
So haben sich in verschiedenen Ländern ähnliche bis gänzlich unterschiedliche Steckverbindertypen als genormte Netz-Steck-Verbinder durchgesetzt. So ist z. B. in Frankreich der Steckverbinder unserem sehr ähnlich, jedoch ist der Schutzkontakt als ein separater Pin und nicht als Schleifkontakt an den Seiten wie bei uns ausgeführt. Der Vorteil des zusätzlichen Pins ist in diesem Fall, dass der Stecker nie seitenverkehrt eingesteckt werden kann und somit bei ordnungsgemäßer Installation immer die spannungsführende Phase auch auf der dafür vorgesehenen Leitung zu finden ist. Unseren Schukostecker kann man auch 180° gedreht einstecken. Würde man theoretisch die Leitung abisolieren, was man praktisch ja auf keinen Fall machen darf, kann die Phase auf dem mit L1 gekennzeichneten Leiter sein, aber auch bei 180° gedrehtem Stecken auf der eigentlich für den Neutralleiter vorgesehenen Ader. Was beide Steckverbinder aber gemeinsam haben, ist, dass der Schutzleiter der erste Kontakt ist, der geschlossen wird und der letzte Kontakt der sich öffnet, so dass der Schutzkontakt immer anliegt solange eine andere elektrische Verbindung vorhanden ist.
In anderen Ländern muss das nicht zwangsweise genauso aufgebaut sein – was nicht bedeutet, dass die anderen Lösungen gefährlicher sind. Meist wird die Einfachheit am Steckverbinder durch andere Sicherungsorgane wieder ausgeglichen. Deshalb trennt der Sicherungsautomat z. B. in anderen Ländern nicht nur die Phase, sondern gleichzeitig auch den Nullleiter. So ist eigentlich immer das Gesamtsystem in seiner Beurteilung zu betrachten. Neben den haushaltsüblichen Schukosteckern gibt es noch eine Reihe anderer Typen, die alle für ihren Bereich eine besondere Eigenschaft haben. Im Folgenden geben wir eine kleine Übersicht für die in der Veranstaltungstechnik gebräuchlichsten Stecker für die einphasige Stromversorgung.
Schukostecker (CEE 7/4-Steckern und CEE 7/3-Steckdosen Typ F) und Kupplung, hier in billiger Baumarktausführung. Diese Steckverbinder und Leitungen aus PVC haben in der Veranstaltungstechnik eigentlich nichts verloren, gelangen aber spätestens als Mitbringsel der elektrotechnisch nicht versierten Musiker wieder auf unsere Bühne. Dabei stellt der Bühnenbetrieb bzw. der gesamte Veranstaltungsbetrieb mit seinen Auf- und Abbauten und zeitweise mechanischen Metall und Holz- Bearbeitungen, denkt man z.B. nur an den Messebau, eine mittlere, eher schwere mechanische Beanspruchung dar und muss gemäß den Regeln aus mittlere bis schwere Gummischlauchleitung bestehen, welche an der Kennzeichnung H07RN-F zu erkennen ist. (Bild: hbernstaedt.de)Zum Vergleich der französische Steckverbinder mit dem Schutzkontakt als Stift welche als Typ-E bezeichnet werden. Hier in annehmbarer Gummi-Qualität. (Bild: hbernstaedt.de)
Es muss nicht immer Schuko sein. Bei Wohnmobilen wegen der Outdoor-Tauglichkeit, aber auch wegen der Internationalen Ausrichtung auf diesen Typ hat dieser im Caravan seine feste Größe gefunden. Würde man nicht so verflucht viele Stecker für eine Veranstaltung benötigen, die möglichst auch noch kompakt sein sollen, so hätte man wahrscheinlich schon auf diesen Typ umgestellt. Es wurde auch schon eine Spielstätte besucht, bei der dies der tragende Steckverbindertyp war. Hier hat die Steckerfarbe eine Bedeutung, und zwar ist dieser Stecker für Spannungen von 200-250V geeignet. Dieser Typ gehört zur CEE Steckerreihe welche wir meist als Drehstromstecker her kennen. Dort sind Sie rot weil dort Spannungen von 400V arbeiten, doch mehr dazu im Themenblock Drehstrom. (Bild: hbernstaedt.de)
Jetzt ein Blick nach England, bei dem im Steckverbinder als Zuleitung zum Verbraucher eine Sicherung integriert wird. (Bild: hbernstaedt.de)
Sind Verlängerungsleitungen an sich relativ kompatibel, wenn man sich hierzulande sich erst einmal an die Schuko Varianten hält. Jedoch wenn das Arbeitsgerät angeschlossen werden soll, wird man ebenfalls mit verschiedenen Steckverbindern konfrontiert, die wiederum auch besondere Eigenschaften aufweisen.
Kleine Verbraucher die keinen Schutzleiter benötigen, können mit einem sehr einfachen Steckverbinder ausgestattet sein. Man findet Sie meist bei Ladegräte, Rasierern und einfachen Netzteilen wie hier auf dem Bild für ein Kamera-Akku-Ladegerät. Der hier abgebildete ist nach IEC-Code ein C7 / C8 für max. 2,5A und bis zu 70 Gehäusetemperatur zulässig. Wobei die Bezeichnung für die Kupplung C7 ist und die für den Stecker C8, also die Weiblichen Steckverbinder sind in der Nummerierung immer ungerade unter dem Männlichen Stecker, der immer eine grade Ziffer trägt. (Bild: hbernstaedt.de)
Bei Kleinen Verbrauchern die mit Schutzleiter arbeiten müssen, ist oft auch der C5 / C6 der auch als Kleeblatt bzw. Mickymouse Steckverbinder wegen seiner Form genannt wird. Er ist bei W-DMX-Sendern oder Schnurnetzteile für Laptops zu finden. Für einen vergessenen Stecker hat man meist keinen zweite irgendwie in seiner Kabelkiste rumliegen. (Bild: hbernstaedt.de)
IEC-Stecker C13 gegenüber C15. Deutlich kann man das andere Material des C15 erkennen, da er für höhere Temperaturen konzipiert wurde. Damit wurden lange Zeit die Scheinwerfer ausgestattet, die mit Ihrer Gehäusetemperatur sehr hoch lagen. Nachteil des Steckverbinders, ausgeleiert, konnte er leicht herausrutschen und bei halbherzigen fast abgefallenen Zustand ist der Stromübergang sehr klein und verbrennt dort die Kontaktstellen. Damit man keine „Kaltgerätesteckverbinder“ in Scheinwerfer einsteckt, deren Gehäusetemperatur bzw. die Steckerbelastung von dem Temperaturbereich nicht viel zu hoch sing, wurden die Heißgerätesteckverbinder mit einer Nasenbucht versehen. Damit kann man den Kaltgerätestecker nicht in den Scheinwerfer einstecken, wohl aber den Heißgeräte Stecker in ein Gerät mit dem normalen C14 Steckkodierung, also für Normaltemperaturgeräte. (Bild: hbernstaedt.de)Eine Klammer am Scheinwerfer die das Herausrutschen des Heißgerätesteckers verhindert. (Bild: Herbert Bernstädt)
eine weitere Entwicklung des Kaltgeräte Steckverbinders gegen das herausrutschen ist ein System mit Verriegelung. Jedoch muss das Gerät, wie auch die Zuleitung über das gleiche Verriegelunsgssystem verfügen. Natürlich passen die unverriegelten C13 ebenfalls in die Buchse, falls man das Kabel mal verlegt haben sollte. (Bild: hbernstaedt.de)
Die Notwendigkeit der Verriegelung also der zuverlässigen Verbindung im Rouen Touralltag war aus der Praxis ersichtlich. Im Hausgebrauch waren bzw. sind die Kaltgerätestecker vollkommen ausreichend, da ein Computer am Schreibtisch nicht allzu oft bewegt wird. So wurde Folgerichtig auch ein neuer Steckverbinder Konzipiert, der Powercon. Mit diesem verriegelten Bajonettanschluss ist ein sicherer Halt des Steckverbinders garantiert. Ein weiterer großer Vorteil ist die Erweiterung eines „Ausgangssteckers“. Damit ist es möglich von Gerät zu Gerät die Netzspannung weiter zu schleifen. (Bild: hbernstaedt.de)Der nächste Schritt war dann die Outdoorfähigkeit. Mit einer Schutzklasse IP65 ist er Staub und Wassergeschützt. Weiterhin ist dieses System mit zwei weiteren Vorteilen behaftet. Man kann nicht nur von Gerät zu Gerät verkabeln, sondern dazwischen mit weiteren Kabeln direkt verlängern, und das bei einem sehr kompakten Steckverbinder, wo gerade bei Kabelbrücken sehr oft der Platz für eine Verlängerungskupplung sehr eng ist. Der dritte Punkt ist ein in der Praxis meist nicht berücksichtigter Umstand, dass man die meisten Steckverbindungen nicht unter Last stecken darf. Wie bereits angedeutet ist bei Verringerung der Kontaktfläche, was in der Regel beim Abziehen des Steckers passiert, Der Strom auf eine sehr kleinen Fläche für überhöhte Temperatur und Verschleiß sorgt. Ganz kritisch ist das dann wenn Induktive Lasten den Stromfluss aufrecht erhalten wollen und mit Überspannungsspitzen bis hin zum Lichtbogen kontern. Der Neutrix Powercon True one ist zudem eine Steckvorrichtung und darf deshalb unter Last und unter Spannung ein- und ausgesteckt werden. (Bild: hbernstaedt.de)Der letzte Evolutionsschritt der modernen Veranstaltugssteckverbinder ist der Eventcon, der als Outdoorfähiges Steckverbindersystem die Strom- wie auch die Datenkabel in einer Leitung zusammenfasst. Auch hier ist die Schlanke Bauform Ideal um auch in Kabelbrücken eine Verlängerung ausführen zu können.
Jetzt wissen wir, dass sehr verschiedene Steckverbinder auf unseren Einsatz warten, aber welchen nehmen wir? Unwissenheit schützt vor Strafe nicht und so können wir uns nicht dahinter verstecken, dass jeder professionelle Gastronom oder Caterer einfach an der Schukodose einen nach dem anderen Dreifachstecker hintereinander weg anschließen, um seine Heißhalteplatten mit Strom zu versorgen – immer in der Gewissheit – die Sicherung bewahrt ja vor Schaden. Oder die Band, womöglich eine Schülerband, die auf der Bühne ihr Equipment verkabelt, ist vielleicht von Hause aus eben nicht elektrisch bewandert und baut gemäß Lego alles zusammen, was sich irgendwie mechanisch zusammenstecken lässt. Dem gilt Einhalt zu bieten, auch wenn es sich wie mit dem Kampf und den Windmühlen verhält. Denn alles, was man an einer Schukodose anschließt, folgt auch bestimmten Regeln und Gesetzmäßigkeiten. Dazu hilft hier ein wenig Grundlagenwissen. Zunächst wissen wir, dass aufgrund des Spannungspotentials ein Elektronenstrom fließt, wenn der elektrische Stromkreis geschlossen wird. Wir wissen vom letzten Mal auch, dass je nach Stoff der Widerstand höher oder niedriger ausfallen kann, bzw. der Widerstand von Querschnitt und der Länge des Materials abhängt. Es ist nachvollziehbar, dass bei gleicher Spannung natürlich mehr Elektronen fließen werden, wenn der Widerstand im Stromkreis kleiner ist. Die Höhe des Stromflusses wird also vom Widerstand begrenzt. Dieser einfache proportionale Zusammenhang kann natürlich auch in einer Formel ausgedrückt werden:
U = R × I
U = Spannung in V (Volt)
R = Widerstand in Ω (Ohm)
I = Strom in A (Ampere)
Landläufig hat sich zum Auswendiglernen der Formel „URI“ verbreitet – nicht wie Uri Geller, dem etwas Magisches nachgesagt wird, sondern einfach die Reihenfolge von Spannung, Widerstand und Strom als Formelzeichen. Denn stellt man die Formel nach der gewünschten Größe um, so wird U durch den Strom geteilt, um den Widerstand zu errechnen oder U wird durch den Widerstand geteilt, um den Strom zu errechnen. Und nun können wir auch schon wieder den Bogen spannen, um die passende Netzverbindung auszuwählen. Denn wenn der Strom durch eine Leitung zu groß ist, dann sorgt er dafür, dass es richtig warm wird, so warm, dass von einer Brandgefahr ausgegangen werden muss.
Wir hatten das ja bewusst gemacht, um einen Draht in einer Lampe zum Leuchten zu bringen. Aber wenn wir den Strom erst dorthin transportieren wollen, dann sollen die Zuführungsleitungen am besten nicht glühen, sondern eher „handwarm“ bleiben. Das gilt für die Leitung genauso wie an den Übergängen von Steckverbindern. Dabei sind die Steckverbinder einer der kritischen Punkte, denn hier treffen zwei Metallteile aufeinander und die Elektronen müssen nun von einem Metallkörper auf den anderen Metallkörper übertreten. Hier wird deutlich, dass die Kontaktfläche bei Steckverbindern möglichst groß sein soll, damit eine genügend große Fläche zum Übergang der Elektronen gewährleistet ist. Auch die Auswahl der Metalle spielt dabei eine wichtige Rolle, denn nicht nur der spezifische Widerstand des Metalls ist hier von Belang, sondern auch die Oberflächenstruktur, um möglichst aneinander liegende Flä- chen zu erhalten. Aber auch die Oxidationseigenschaften des Stoffes, der natürlich mit einer isolierenden Oxidschicht wesentlich schlechter den Elektronenübergang zulässt. Insbesondere bei Outdoor-Anwendungen und feuchten Einsätzen sind selbstreinigende Eigenschaften beim mechanischen Einschieben von Kontakten ebenso ausschlaggebend. Und sollten die aufeinanderstoßenden Metallteile auch noch unterschiedlich sein, so kann gerade durch den Stromfluss und den unterschiedlichen Metallsorten eine chemische Reaktion ausgelöst werden.
Wir kürzen ab, so ein Steckverbinder darf nur mit einer maximalen Stromstärke belastet werden, damit er letztendlich keinen Schaden nimmt bzw. zerstört wird und im ungünstigsten Fall Ursache eines Brandes oder Stromunfalls wird. Deshalb ist es immens wichtig zu wissen, bis zu welchem Strom ein Steckverbinder zugelassen ist und welcher Strom durch ihn hindurchfließen kann.
Damit die Stromversorgung nicht nur sicher gewährleistet wird, sondern auch zuverlässig zur Verfügung steht, haben auch die Energieversorger ihre Regeln aufgestellt. Diese wollen damit sicherstellen, dass am Verbraucher die benötigte Mindestspannung für einen einwandfreien Betrieb zur Verfügung steht bzw. nach oben hin die Spannung nicht zu groß ist, um die angeschlossenen Geräte zu schä- digen. Ein Begriff, der dabei immer auftaucht und sich mit meist 3 % in den Köpfen eingebrannt hat, ist der Spannungsfall. Dies ist die Spannung, die am Widerstand der Leitung (welche ja auch einen endlichen Widerstand darstellt) anliegt.
Natürlich ist der Spannungsfall größer, je länger die Leitung ist und je kleiner der Querschnitt für den Elektronenstrom zur Verfügung steht. Man kann sich beim Elektronenstrom dann auch vorstellen, dass der Weg umso beschwerlicher wird je mehr Elektronen hindurch müssen. Folglich ist die Höhe des Spannungsfalls abhängig von der Höhe des Stromes. Es ist also möglich die Stromstärke mit dem Querschnitt der Leitung zu kompensieren, um den Spannungsfall klein zu halten. Da die meisten Elektrotechnik von Praktikern aus der allgemeinen Elektrotechnik gelernt haben, wurden dann für die Beispielaufgaben die 3 % für die Strecke Zähler und Verbrauchsmittel genommen bzw. gemeint war die Abgabestelle an der Wand für das Verbrauchmittel der Steckdose. Von dort aus soll dann das Endgerät angeschlossen werden.
Hier sollen keine unendlich langen Verlängerungsschnüre angeschlossen werden, da der Raum in der Regel sowieso nach paar Metern mit einer Wand begrenzt wird. Auch der Einsatz von hintereinander gesteckten Dreifachsteckern wurde von den Entwicklern des Versorgungsnetzes damals nie ernsthaft in Erwägung gezogen. Kurz, diese 3 % sind nur dieser Beispielaufgabe geschuldet. Für uns in der Veranstaltungsbranche ist mehr die SQ P4 interessant (Mobile Elektrische Anlagen in der Veranstaltungstechnik) die 5 % empfiehlt – OK im Anhang V schlägt man dann für Einphasenwechselstrom einen Spannungsfall von 4 % vor. Jedoch wie berechnet man den Spannungsfall? Dazu können wir aus den bisherigen zwei Formeln Folgendes umsetzen:
Wir nehmen die Formel
U = R × I und aus der letzten Reihe
R = l / (γ · S ).
Nun setzen wir für das R aus der URI Formel die Entsprechung aus der letzten Reihe ein und erhalten:
U = l / (γ · S ) × I
Da die Kabel einmal den Strom hinführen und wieder zurück, müssen wir die Strecke zweimal bzw. 2l einsetzen:
So folgt dann:
ΔU = (cos φ * I * 2l)/γ * S
ΔU = Spannungsfall in V (Volt) / 3 % Netzspannung 230 V sind folglich erlaubte 6,9 V
I = Strom in A (Ampere)
φ = Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, welche bei Induktivitäten oder Kapazitäten auftritt. Wir wollen hier erst einmal mit einer rein ohmschen Last, wie z. B. dem PAR-Scheinwerfer rechnen und setzen dafür einfach eine 1 ein.
l = Leitungslänge in m (Meter) / hier zweimal, da der Strom auf der Phasenleitung „hinfließt“ und auf dem Nullleiter „zurück“, also zwei Adern beteiligt sind.
γ = Leitfähigkeit in m/Ωmm² z. B. Kupfer = 56
S = Leiterquerschnitt in mm² (Millimeter) / Anderen Ortes wird S auch mit q oder auch A bezeichnet
Wir können nun aus der Formel sehen, dass je höher der Leitungsquerschnitt wird, umso kleiner wird der Spannungsfall.
Unter dem Link Spannungsfall ist eine Excell-Tabelle herunter zu laden die bei Eingabe des Queschnitts den Spannungsfall abhängig von der Länge und den Strohöhe anzeigt.
Diese Formel hat auch Gültigkeit, wenn man den Spannungsfall bei Gleichstromversorgungen, wie z. B. bei LED-Lichtstreifen und deren Zuleitung, berechnet. Gerade bei den kleinen Spannungen um die 5, 12, 24 oder zeitweise 48 V, die bei den meisten LED-Streifen verwendet werden (und den dann notwendigen Strömen, die entsprechend der Versorgungsspannung und der angelegten Leistung umgekehrt proportional hoch sind), ist der Spannungsfall ein ernstzunehmendes Thema: Meist bricht die rote Farbe weg, da die rote LED gegenüber den blauen und grünen LEDs eine andere Vorwärtsspannung aufweist.
Farbveränderung nach grün: die eingestellte Farbe kann über die gesamte Strecke nicht gleich gehalten werden, wenn der Spannungsfall im Laufe der Strecke bei der RGB-Farbmischung dafür sorgt, dass die rote LED viel früher wegbricht. Hier wurde fehlerhaft verkabelt oder das LED-System falsch dimensioniert, um die geforderten Kabellängen betreiben zu können. (Bild: Herbert Bernstädt)
In der Regel tendiert man eine LED-Strecke von einer Seite aus einzuspeisen. Betrachtet man aber den Spannungsfall, ist es günstiger wenn weniger Strom durch die Leitung fließt. Das kann man erreichen indem man z.B. von der Mitte aus einspeist. Dann fließen nach rechts und links von der Mitte aus nur noch die halbe Stromstärke und verursachen so weniger Spannungsfall. (Bild: Herbert Bernstädt)
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