Elektrotechnik für Beleuchter

Praktische Veranstaltungskunde: U/R/I für Beleuchter & Co.

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.

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Eine frühere Ausgabe der “Praktischen Veranstaltungskunde” finden Sie hier: Elektrotechnik für Beleuchter & Co. 

Unterschiedliche Lösungen für Netz-Stecker

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.

Einphasige Netzstecker

Verlängerungsleitungen sind an sich relativ kompatibel, wenn man sich hierzulande erst einmal an die Schuko-Varianten hält.

IEC Codes
IEC-Codes von Kupplungen und Steckern

Wenn jedoch das Arbeitsgerät angeschlossen werden soll, wird man ebenfalls mit verschiedenen Steckverbindern konfrontiert, die wiederum auch besondere Eigenschaften aufweisen.

Grundlagen Veranstaltungstechnik
Schukostecker (CEE 7/4-Stecker und CEE 7/3-Steckdosen Typ F) und Kupplung Diese „billigen“ 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 stellen der Bühnen- und Veranstaltungsbetrieb mit seinen Auf- und Abbauten und zeitweisen mechanischen Metall- und Holzbearbeitungen (denkt man z. B. nur an den Messebau) eine mittlere, eher schwere mechanische Beanspruchung dar und muss gemäß den Regeln aus mittlerer bis schwerer Gummischlauchleitung bestehen, welche an der Kennzeichnung H07RN-F zu erkennen ist (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Grundlagen Veranstaltungstechnik
Französische Variante: Steckverbinder mit dem Schutzkontakt als Stift, der als Typ-E bezeichnet wird (Bild: Herbert Bernstädt)

U – R – I

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.

Praktische Veranstaltungskunde
Es muss nicht immer Schuko sein Wegen der Outdoor-Tauglichkeit, aber auch wegen der internationalen Ausrichtung hat dieser Steckertyp im Caravan-Bereich 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 – der Stecker ist für Spannungen von 200–250 V geeignet. Dieser Typ gehört zur CEE Steckerreihe, welche wir meist als Drehstromstecker kennen (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Spannungsfall

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.

Spannungsfall

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: cos ϕ * I * 2l ΔU = ———————- 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/mm2 z. B. Kupfer = 56

 

Zweiseitige Eineisung
Zweiseitige Einspeisung In der Regel tendiert man dazu 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 fließt nach rechts und links von der Mitte aus nur noch die halbe Stromstärke und verursacht so weniger Spannungsfall.

 

Deko-Licht

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.

Grundlagen Veranstaltungstechnik
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)

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