Unterbrechungen sind für die Sicherheit und Zuverlässigkeit elektrischer Systeme von grundlegender Bedeutung. Sie werden oft als Fehler oder Störung angesehen. Ihr bewusster Einsatz in elektrischen Systemen gewährleistet jedoch die Systemsicherheit und -zuverlässigkeit. Beispielsweise sind Unterbrechungen wie Leistungsschalter und Sicherungen in Stromkreisen unerlässlich, um Überstromschäden an Geräten zu verhindern.

Wenn hingegen ohne Eingriff kein Strom von der Quelle zur Last fließt, spricht man von einem Leerlauf. Ein solcher Leerlauf ist unerwünscht und muss rechtzeitig behoben werden. Ein Leerlauf kann das System beschädigen und im schlimmsten Fall zu einem Totalausfall führen. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten, müssen Leerlauffehler rechtzeitig behoben werden.

Verschiedene elektronische Bauelemente wie Leistungsschalter, Sicherungen und Transistoren werden häufig in elektrischen Systemen eingesetzt. Diese Bauelemente arbeiten nach dem Prinzip offener Stromkreise. Wenn das Gerät beispielsweise einen bestimmten Grenzwert an Strom abzieht, erzeugt die Sicherung einen offenen Stromkreis und unterbricht den Strompfad. Daher ist das Verständnis offener Stromkreise und ihrer Funktionsweise für Elektrotechniker wichtig, um robuste elektrische Systeme zu entwickeln.

Dieser Artikel hilft Ihnen, die Konzepte von Unterbrechungen, ihre Ursachen, Eigenschaften, Grundprinzipien und den Unterschied zu Kurzschlüssen zu verstehen. Außerdem wird die Rolle von Unterbrechungen für die Systemsicherheit und -zuverlässigkeit untersucht.

Was ist ein offener Stromkreis?

Eine elektronische Schaltung ist nichts anderes als ein geschlossener Kreislauf. Strom fließt über diesen geschlossenen Kreislauf von der Quelle zur Last. Ein offener Stromkreis hingegen ist ein Zustand, in dem kein Strom von der Quelle zur Last fließen kann. Dies kann verschiedene Ursachen haben, darunter lose Verbindungen und Kabelbrüche. In manchen Fällen können Überhitzung oder Kabelbrüche zu Kabelbrüchen führen. Ist der offene Stromkreis nicht erforderlich, kann dies zu Spannungsschwankungen und unnötigem Stromverbrauch führen.

Betrachten wir als Beispiel eine LED-Leuchte wie in Abbildung 1 dargestellt. Wenn der Schalter einen Kurzschluss bewirkt, fließt Strom von der Quelle zur Last und die LED leuchtet. Wenn der Schalter hingegen einen offenen Stromkreis bewirkt, wie in Abbildung 2 dargestellt, fließt kein Strom von der Quelle zur Last und die LED bleibt ausgeschaltet. Daher ist es wichtig zu beachten, dass die Position eines Schalters bei einem offenen oder Kurzschluss die gesamte Funktion des Stromkreises verändert.

Verständnis von offenen Stromkreisen

Für den Umgang mit elektrischen Schaltkreisen ist es wichtig, die Anatomie von Unterbrechungen und Kurzschlüssen zu verstehen. Das Verständnis dieser Konzepte kann dazu beitragen, Schäden an elektrischen Systemen zu vermeiden und die Sicherheit zu gewährleisten. In diesem Abschnitt behandeln wir die detaillierten Details und technischen Spezifikationen der Anatomie von Unterbrechungen und ihres Leerlaufwiderstands.

Die Anatomie eines offenen Stromkreises

Anatomie ist im Allgemeinen die Lehre vom Aufbau eines Systems. Daher befasst sich die Schaltungsanatomie mit der Struktur eines Schaltkreises. Das Verständnis der Schaltungsanatomie hilft Ingenieuren, Fehler in elektrischen Systemen zu identifizieren und zu diagnostizieren.

Ein Stromkreis besteht aus einigen grundlegenden Komponenten, die für den Elektronenfluss erforderlich sind. Ein offener Stromkreis ist eine Art elektronischer Schaltkreis, der den Stromfluss zur Last verhindert. Ein offener Stromkreis besteht aus den folgenden Schlüsselkomponenten.

1.     Stromversorgung: In der Regel dienen Batterien oder Solarzellen als Hauptstromquelle. Die Stromquelle ist in der Regel aktiv, aber aufgrund eines Kabelbruchs oder einer losen Verbindung fließt kein Strom im Stromkreis.

2.     Belastung: Komponente in einem Schaltkreis, die elektrische Energie verbraucht, um die gewünschte Leistung zu erzeugen, wie Widerstand, Lüfter und Glühbirne.

3.     Kabelbruch: Kabelbrüche können verschiedene Ursachen haben, beispielsweise Überhitzung oder defekte Komponenten. Diese Kabelbrüche verursachen einen offenen Stromkreis, der zu einer Funktionsstörung des Stromkreises führt.

4.     Schalter: Der Schalter ist das Gerät, das wir absichtlich in den Stromkreis einstecken, um einen kontrollierten Stromfluss zu gewährleisten, beispielsweise ein Relais, ein Transistor, ein Thyristor oder eine Diode.

Leerlaufwiderstand

Wenn der Draht oder Leiter, der den Stromkreis zu einem geschlossenen Kreis verbindet, bricht oder unterbrochen wird, stoppt dies den Stromfluss. Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Widerstand dem Stromfluss entgegenwirkt. Daher bietet theoretisch ein Nullstrom im Stromkreis einen unendlichen Widerstand. Dieser unendliche Widerstand wird als Leerlaufwiderstand bezeichnet. Für den Leerlaufzustand lässt sich Folgendes schlussfolgern:

   Die Anwendung des Ohmschen Gesetzes besagt:

Der Leerlaufwiderstand spielt in elektrischen Systemen eine wichtige Rolle, da er eine vollständige Blockierung/Unterbrechung des Stromkreises darstellt. Ein unendlicher Widerstand im Stromkreis stellt in der Regel eine Fehlfunktion dar, die, wenn sie nicht rechtzeitig behoben wird, zu Systemschäden führen kann. Beispielsweise kann die Fehlfunktion eines Smartphones auf physische Belastung oder unterbrochene Leiterbahnen auf der Leiterplatte (PCB) zurückzuführen sein. Die unterbrochenen Leiterbahnen führen zu einem Leerlauf. Weitere mögliche Ursachen für Leerlaufzustände in elektronischen Geräten können physische Belastung, starke Vibrationen und extreme Temperaturschwankungen sein.

Ursachen für offene Stromkreise  

Ein offener Stromkreis kann sowohl beabsichtigt als auch unbeabsichtigt entstehen. Die häufigsten Ursachen für offene Stromkreise sind jedoch Komponentenfehler, externe Faktoren und menschliches Versagen.

Defekt eines Bauteils

Wenn eine oder mehrere Komponenten in einem Schaltungsdesign fehlerhaft oder beschädigt sind. Die Ursachen für Komponentenausfälle können vielfältig sein, die häufigsten sind jedoch:

1.     Durchgebrannte Widerstände: In elektronischen Schaltungen kommt es häufig vor, dass Widerstände aufgrund von Überhitzung durchbrennen. Dadurch entsteht ein offener Stromkreis.

2.     Gebrochene Drähte: Mit der Zeit und durch Alterung können Drähte brechen und einen offenen Stromkreis verursachen. Weitere Ursachen für Kabelbrüche können körperliche Belastungen und Unfälle sein.

3.     Defekte Schalter: Eine häufige Beobachtung ist eine Fehlfunktion im Beleuchtungssystem. Dies liegt an einem defekten Schalter. Die Fehlfunktion des Schalters führt zu einem offenen Stromkreis.

Externe Faktoren

Verschiedene externe Faktoren tragen ebenfalls erheblich zu Unterbrechungsfehlern bei.

1.     Klimafaktoren: Eine Fehlfunktion in einem Stromkreis kann auch auf Temperaturschwankungen zurückzuführen sein, die einen offenen Stromkreis verursachen.

2.     Stromausfall: Ein Stromausfall ist ein schwerwiegender Stromkreisunterbrechungsfehler, der rechtzeitig behoben werden muss.

3.     Hardwareschaden: Schäden an den Schaltkreisen elektronischer Geräte durch physische Belastung oder Vibrationen können ebenfalls zu einer Unterbrechung des Schaltkreises führen. Beispielsweise kann die Verbindung des Akkus in einem Fahrrad durch Straßenvibrationen unterbrochen werden.

Menschlicher Fehler

Manchmal kann ein Installateur oder Techniker etwas übersehen, was zu einem Fehler und damit zu Unterbrechungen im Stromkreis führen kann. Beispiele hierfür sind falsche Anschlüsse, unzureichende Isolierung und unsachgemäße Handhabung elektrischer Komponenten.

Unterbrechung vs. Kurzschluss

In der Elektrotechnik ist das Verständnis der beiden extrem gegensätzlichen Konzepte Leerlauf und Kurzschluss unerlässlich für die Entwicklung sicherer und zuverlässiger elektrischer Systeme. Ein Leerlauf ist ein Zustand, in dem kein Strom von der Quelle zur Last fließt und ein unendlicher Widerstand entsteht. Ein Kurzschluss hingegen bietet den geringsten Widerstand (0 Ω) für den Stromfluss und liefert unendlich viel Strom. Die Konzepte Leerlauf und Kurzschluss sind unerlässlich, um Systemfehler zu erkennen und zu beheben und so Systemausfällen vorzubeugen.

In einem offenen Stromkreis kann kein Strom von der Quelle zur Last fließen. Da Elektronen sich in einem offenen Stromkreis nicht bewegen können, bieten sie unendlichen Widerstand, keinen Stromfluss und keine Leistungsübertragung von der Quelle zur Last. Ein Kurzschluss hingegen bietet einen Pfad mit minimalem Widerstand. Daher führt der Pfad mit minimalem Widerstand zu einem enormen Stromfluss, keiner Potenzialdifferenz und maximaler Leistungsübertragung. Dies kann zur Überhitzung elektrischer Komponenten und zu möglichen Schäden an elektronischen Bauteilen führen.

Die wichtigsten Unterschiede zwischen offenen Stromkreisen und Kurzschlüssen sind in Tabelle I dargestellt. 

Tabelle I: Vergleich von Leerlauf und Kurzschluss

	Stromspannung	Aktuell	Robustes Design	Power
Offener Stromkreis	Gleich einer Eingangsspannung
Kurzschluss	V= I x R => I x 0 => 0 Volt		Null Ohm (0Ω)

Daher sind die wichtigsten Merkmale von Unterbrechungen und Kurzschlüssen in Tabelle I zu finden.

Tabelle II: Leerlauf- und Kurzschlusseigenschaften

Leerlaufspannung

Die Leerlaufspannung spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der maximalen Spannungsbelastbarkeit eines Geräts. Sie ist die maximale Spannung, die ein Gerät erzeugen kann. Sie wird im Leerlauf gemessen. Elektronikhersteller geben diese Spannung im technischen Handbuch ihres Geräts an.

Kurzschlussspannung

Kurzschlussstrom ist definiert als der hohe Strom, den eine Batterie erzeugt, um die Sicherung auszulösen und so das elektronische Gerät vor Schäden zu schützen. Kurzschlussstrom wird normalerweise gemessen, wenn keine Last angeschlossen ist. Meistens erwähnen Unternehmen den Kurzschlussstrom als Spezifikation für elektronische Geräte.

Erkennen von Unterbrechungen in elektrischen Systemen

Die Identifizierung von Unterbrechungen in elektrischen Systemen ist der erste Schritt zu einer effektiven Diagnose. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, potenzielle Unterbrechungen in elektrischen Systemen zu identifizieren. Dazu gehören:

• Physische Inspektion:  Ein Techniker kann durch eine Inspektion nach Kabelbrüchen und losen Verbindungen suchen, sofern welche vorhanden sind.

• Pieptest: Schalten Sie das Digitalmultimeter (DMM) in den Diodentestmodus. Bei einem offenen Stromkreis zwischen zwei Anschlüssen piept die Sonde des DMM nicht.

• Multimetertest:  Messen Sie Widerstand und Spannung an verschiedenen verdächtigen Punkten. Zeigt das Multimeter einen unendlichen Widerstand an, deutet dies auf einen offenen Stromkreis hin.

Bedeutung offener Stromkreise für die Systemzuverlässigkeit und -sicherheit

Unterbrechungen und Kurzschlüsse sind für elektrische Geräte kritisch und müssen sorgfältig behandelt werden. Ihre unsachgemäße Handhabung kann weitreichende Folgen für die Systemsicherheit und -zuverlässigkeit haben. Leistungsschalter, Sicherungen, Transistoren und Relais arbeiten nach dem Prinzip der Unterbrechung, um das System vor Gefahren zu schützen.

A.    Leistungsschalter: Leistungsschalter arbeiten mit einem automatischen Leerlauf. Wenn das Gerät einen Strom über den angegebenen Grenzwert zieht, löst der Leistungsschalter den Stromkreis aus. Dies verhindert mögliche Schäden am Gerät.

B.    Sicherung: Der wichtigste Bestandteil einer Sicherung ist ein Metalldraht. Wenn das Gerät versucht, den Strom über den angegebenen Grenzwert hinaus zu verbrauchen, schmilzt der Metalldraht und erzeugt einen offenen Stromkreis, der das Gerät vor möglichen Schäden schützt. 

C.   Schalter: Auch eine Schalttafel in Ihrem Haus ist ein Beispiel für einen offenen Stromkreis. Diese Tafeln dienen zur Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten von Geräten wie Ventilatoren und Glühbirnen.

Offene Stromkreise sind auch für die Zuverlässigkeit elektrischer Systeme von entscheidender Bedeutung, beispielsweise:

A.    In Gefahrensituationen isolieren offene Stromkreise den fehlerhaften Abschnitt des Systems und verhindern einen möglichen Ausfall des Geräts. 

B.    Wenn der Strom die angegebenen Grenzen überschreitet, schützen offene Stromkreise das elektrische System, indem sie den Stromfluss unterbrechen.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Unterbrechungen in elektrischen Systemen eine wichtige Rolle spielen. In den meisten Fällen werden Unterbrechungen als Fehler eingestuft. Unterbrechungen kommen jedoch auch in elektronischen Schutzeinrichtungen wie Leistungsschaltern und Sicherungen vor. Daher ist das Verständnis von Unterbrechungen, ihren Grundprinzipien, Unterschieden, Ursachen und Eigenschaften für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Diagnose elektronischer Systeme unerlässlich.