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