Elektrotechnik im OrgelbauGrundlagen

&normgerechte Ausfuhrung

Leitfaden zur Umsetzung geltender Normenbei der Konstruktion und Fertigung elektrotechnischer Anlagen

im Orgelbau

Dipl.-Ing. (TH) Thomas Kroll

Thomas KrollTalblick 2751645 Gummersbach

Email: thomas-kroll@gmx.deWebseite: www.thomas-kroll.de

c© Thomas Kroll 2013, Selbstverlag

Alle Teile dieser Schrift sind urheberrechtlich geschutzt. Jegliche Verfielfaltigung,Speicherung und Weitergabe (auch auszugsweise) ist ohne die ausdruckliche Genehmi-gung des Verfassers untersagt.Die Erstellung dieser Schrift erfolgte mit großter Sorgfalt und Gewissenhaftigkeit; dennochschließt der Autor jegliche Haftungsanspruche gegen ihn aus.

Der Konigin der Musikinstrumente und ihren Erbauern gewidmet.

Inhaltsverzeichnis

Danksagung i

Vorwort und Einleitung iii1. Grundsatzliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii2. Zielgruppe, Zielsetzung & Stilistisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv3. Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi

3.1. Beispiel einer sauberen Losung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi3.2. Beispiel einer Grauzonen-Losung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi3.3. Beispiel einer unzulassigen Ausfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . vi

4. Kronung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii

1. Grundlagen der Elektrotechnik im Orgelbau 31.1. Strom, Spannung, Widerstand, Ohm’sches Gesetz, Energie, Leistung . . . . 3

1.1.1. Spannung U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.2. Widerstand R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.3. Strom I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1.4. Zusammenhang zwischen U, I und R (Ohm’sches Gesetz) . . . . . . 41.1.5. Leistung P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.6. Arbeit W und Energie E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2. Kirchhoff’sche Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.1. Erste Kirchhoff’sche Regel (Knotenregel) . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.2. Zweite Kirchhoff’sche Regel (Maschenregel) . . . . . . . . . . . . . 8

1.3. Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstanden . . . . . . . . . . 91.3.1. Leitwert G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4. Spannungsteiler, Stromteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4.1. Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4.2. Stromteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5. Zwei Beispielaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.6. Spannungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.7. Passive Bauelemente, linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.8. Passive Bauelemente, nichtlinear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.9. Aktive Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.10. Spannungskategorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.11. Motoren, Motorschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.12. Motorschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2. Ubersicht von speziellen elektrischen Bauteilen im Orgelbau 21

3. Praktische Aspekte der normgerechten Ausfuhrung 253.1. Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2. Bauteilkennzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3. Hauptschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5

Inhaltsverzeichnis

3.4. Der Orgel-Haupt-Schaltschrank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.5. Das Bedienpult = der Spieltisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.6. Dezentrale Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.7. NOT-AUS-Schlagtaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.8. NOT-AUS-Sicherheitsrelais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.9. Befehls- und Meldegerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.10. Spannungsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.11. Sicherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.12. Motorschutzschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.13. Schaltschranke und Gehause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.14. Kabel, Kabelschutzschlauche, Schutzrohre, Kabelkanale . . . . . . . . . . . 263.15. Kabeleinfuhrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.16. Netzteildimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.17. Leiterquerschnitte und –materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.18. Absicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.19. Sammelschiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.20. Erdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.21. Leitungsenden / Klemmen / Lotverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . 263.22. Koppelrelais / Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.23. Schutz vor Beruhrung spannungsfuhrender Teile . . . . . . . . . . . . . . . 263.24.

”Leitungen auf Holz ...“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.25. Funkenloschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.26. Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.27. Rauchmelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.28. Elektronik und Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.29. Sicherheitsgerichte Mustersteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.30. Denkmalgerechte Ausfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4. Kapitel 29

A. Schluss 31

6

Danksagung

Ohne die Unterstutzung der besten Frau der Welt und meiner Familie, ohne ihre un-erschopfliche Geduld und den Ruckhalt, den ich stets fand, ware eine Umsetzung diesesProjektes niemals moglich gewesen. Ich mochte an dieser Stelle schlicht DANKE sagen.

Auch mochte ich meinen Freunden und Orgelsachverstandigen Andreas Pumpa und Man-fred Schwartz ganz herzlich danken fur unsere zahllosen Diskussionen und die Einbringungihres unschatzbaren Fachwissens sowie die Ubernahme der lastigen Arbeit des Korrektur-lesens. Ohne ihren Anstoß und ihr Engagement hatte ich niemals eine einzige Zeile zuPapier gebracht. Ebenso danke ich ihnen fur die großzugige Erlaubnis, im Rahmen ihrerOSV-Tatigkeit aufgenommene Fotos zu verwenden. Außerdem danke ich Andreas Pumpafur die zeitweilige Uberlassung von Orgel-Elektrik-Bauteilen zum Zweck der Untersuchungund fotografischen Dokumentation.

Mein Dank gilt ferner den Firmen Heuss (Lich), Laukhuff (Weikersheim), Kimber-Allen(London) und Syndyne (Vancouver) fur die Genehmigung, Foto-Material und Informatio-nen aus ihren Katalogen zu verwenden. Besonders freue ich mich uber das Interesse vonHerrn Stefan Heuss, das er meiner Arbeit entgegenbracht hat und die stets bereitwilligeUnterstutzung.

Es liegt in der Natur der Sache, daß sich trotz großter Sorgfalt nicht alle Fehler aus-merzen lassen; die Verantwortung hierfur liegt allein beim Verfasser.

Fur Hinweise auf Fehler, Anregungen und Verbesserungsvorschlage bin ich jederzeit dank-bar und bitte um rege Außerung.

Thomas Kroll,Gummersbach im November 2013.

i

Langweilige Vorworte und Einleitungen gibt es zur Genuge. Das hier bildet keine Ausnah-me ... oder doch?Na ja, vielleicht doch! Bitte nehmen Sie sich die Zeit, diesen Beipackzettel zu lesen. DerAutor stellt hier vor, was er will, wen er erreichen mochte und wo die Grenzen liegen. Au-ßerdem wird der Leser sanft auf das Thema eingestimmt und ihm die Angst vor moglichenRisiken und Nebenwirkungen genommen.

ii

Vorwort und Einleitung

1. Grundsatzliches

Dem Thema”Elektrische Ausrustung von Pfeifenorgeln“ wurde im Orgelbau bisher kaum

Aufmerksamkeit geschenkt. Es existieren keine Leitlinien fur die korrekte, d.h. sichereAusfuhrung der elektrischen Ausrustung von Orgeln, deshalb herrscht diesbezuglich imOrgelbau erhebliche Unsicherheit. Mit erschreckender Sorglosigkeit werden elektrische An-lagen errichtet, die teilweise haarstraubende Mangel aufweisen. Hier herrscht Handlungs-bedarf! Den Verantwortungstragern einerseits mussen die Augen geoffnet werden und denAusfuhrenden andererseits einfach umzusetzende Leitlinien an die Hand gegeben werden.Es kann an dieser Stelle aber direkt Entwarnung gegeben werden:

Eine sichere Orgel-Elektrik zu erschaffen, ist weder schwierig noch teuer.

Orgelbauer sind stets bemuht, ein Hochstmaß an Sorgfalt bei der Ausfuhrung ihrer Arbeitwalten zu lassen; dies trifft selbstverstandlich auch auf die elektrische Seite einer Orgelzu. Ein Orgelbauer kann aber nicht alle Disziplinen, die sein außerordentlich komplexesBerufsbild kennzeichnen, gleichermaßen perfekt beherrschen. Das Thema Elektrotechnikwird in der Ausbildung eher stiefmutterlich behandelt, und in der Praxis ist der Orgel-bauer oft auf sich allein gestellt.

Die vorliegende Schrift stellt die fur den Orgelbauer praxisrelevanten Grundlagen derElektrotechnik dar und behandelt anschließend moglichst viele Gesichtspunkte einer kor-rekten elektrischen Ausrustung von Orgeln und mochte damit Leitlinien zur Verfugungstellen.

Da es keine Normen gibt, die sich ausdrucklich der Orgel-Elektrik widmen, wird die Orgel– ihrer Funktion und ihrem Aufbau entsprechend – zunachst definiert, so daß sie in dasumfangreiche DIN-/VDE-/BG-Normenwerk eingeordnet werden kann und deutlich wird,welche Normen herangezogen werden mussen. Hierbei handelt es sich um eine Darstellungaus der Sichtweise des Verfassers als im Steuerungsbau tatiger Dipl.-Ing. der FachrichtungElektrotechnik.

”Was ist eine Orgel ?“

Der Verfasser definiert eine Orgel vom technischen Standpunkt aus als eine Maschine,deren Aufgabe die vom Bediener gewunschte dynamische Versorgung eines Systemsvon Rohren mit Druckluft ist.

Sind in Maschinen elektrische Komponenten verbaut, so muß die Norm EN60204-1:2006 (Elektrische Ausrustungen von Maschinen) Anwendung finden.

iii

Vorwort und Einleitung

Die EN 60204-1 (fruher VDE 0113 Teil 1) stellt - von wenigen Ausnahmen abgesehen -die zentrale Norm fur die elektrische Ausrustung von Maschinen dar und ist im Rahmender vorliegenden Schrift das Kernstuck der Betrachtung.Weitere Normen, Vorschriften und Richtlinien, die hier Anwendung finden, sind: (in Uberarbeitung)

• VDE 0100 - Teile x,y,z

• VDE 0298 - Teil 5

• BGV A3

• VdS 2023: 2001-08 (03)

• VdS 2046: 2010-06 (11)

• xyz

• xyz

• xyz

• xyz

• xyz

Die Einhaltung der Normen soll sicherstellen, daß Schaden an Menschen undGebauden durch Brand verhindert werden, Menschen vor den Gefahren durch Elek-trizitat geschutzt werden und schließlich ein Schutz der Anlage selbst sowie derenzuverlassige Funktion gewahrleistet ist.

Sollte es dennoch zu einem Schaden1 kommen, ist es sowohl aus juristischer als auch ver-sicherungstechnischer Sicht von Vorteil, wenn der Erbauer einer Anlage nachweisen kann,daß diese normgerecht konstruiert und errichtet wurde.

Ebenso fur den Betreiber einer Anlage ist dies beruhigend, wenn nicht sogar kostenspa-rend, falls dadurch der Versicherer gunstigere Konditionen einraumt: wenn die Schaden-wahrscheinlichkeit sinkt, sollte es die Versicherungspramie ebenso.

2. Zielgruppe, Zielsetzung & Stilistisches

Diese Schrift richtet sich an alle Orgelbauer, die in Zeiten immer schmaler werdender Bud-gets jeden Tag hervorragende Arbeit leisten. Genugend Zeit, um sich in die Grundlagender Elektrotechnik und die fur den Orgelbau relevanten Elektro-Normen einzuarbeiten,ist meist nicht vorhanden.

Ebenso wende ich mich an die Orgelsachverstandigen, denen es in puncto Zeit nicht vielanders geht als den Orgelbauern.

1Nervenschaden bei der Zuhorerschaft, die Organist oder Intonateur zu verantworten haben, werden hieraußer acht gelassen

iv

2. Zielgruppe, Zielsetzung & Stilistisches

Die gezielte Aneignung oder Auffrischung von Wissen im Selbststudium anhand vonLehrbuchern der Elektrotechnik oder der Physik ist zeitraubend und manchmal auch frus-trierend, da man aufgrund der Fulle der Literatur zunachst gar nicht weiß, welche Bucherman zur Hand nehmen soll, um sich das gewunschte Wissensbrockchen herauszupicken.Ferner zahlt insbesondere die Lekture von Normen nicht gerade zu den vergnuglichstenTatigkeiten.

Es gibt viele gute Lehrbucher zu den fur uns relevanten Themen und der Autor mochtedieser langen Liste kein weiteres Werk hinzufugen. Vielmehr soll hier Fachwissen, dasman sonst uber etliche Bucher verstreut findet, kompakt zusammengetragen und praxis-nah dargestellt werden.

Da der Kenntnisstand und das Vorwissen jedes Lesers unterschiedlich ist und der Physik-unterricht auf der Schule meist schon eine Weile zuruckliegt, beginnt Teil I (Grundlagender Elektrotechnik) ganz elementar, so daß man ohne Kopfschmerzen einsteigen kann.Leser, denen das zu ausfuhrlich ist, konnen getrost ein paar Seiten weiterblattern.

Ganz wichtig ist mir, Verstandnis fur die physikalischen Sachverhalte zu wecken undPhanomene anschaulich zu erklaren. Nichts ist abstoßender als mit Formeln konfrontiertzu werden, die man nicht versteht.

Was man in der Praxis braucht, sind korrekte Ergebnisse. Hier sollen durchgerechneteBeispielaufgaben die Herangehensweise zeigen und ein Gefuhl fur die Großenordnungender Zahlenwerte vermitteln.

Teil II ist ein Intermezzo. Hier wird eine Ubersicht spezieller, im Orgelbau verwende-ter elektrischer Komponenten gegeben. Den meisten Lesern werden diese Bauteile ausihrer taglichen Praxis hinlanglich bekannt sein. Trotzdem sollen sie hier mit wichtigenKenndaten und Bildern zusammenfassend vorgestellt werden.

Teil III ist konkreten Fragestellungen der normgerechten Ausfuhrung von Orgel-Elektrikin der Praxis gewidmet. Hier wird ein breites Spektrum an Themen zur Sprache gebracht,sowie alltagstaugliche und bewahrte Losungen vorgestellt.

Ich habe versucht, die an sich eher trockene Materie nicht allzu abschreckend zu pra-sentieren. Ich habe mich um einen flussigen und gut lesbaren Sprachstil bemuht, ebensoum ein sauberes Layout des Textes. Bilder sagen mehr als 1000 Worte; deshalb wird mitgraphischen Darstellungen und farbigen Fotos nicht gespart.

GANZ WICHTIG:Dumm ist nicht derjenige, der etwas nicht weiß, sondern der, der nicht fragt.Wer eine Arbeit ausfuhrt, ohne sich ganz sicher zu sein, wie man sie richtig ausfuhrt,handelt grob fahrlassig und gefahrdet sich und andere. Dies gilt ganz besonders fur denUmgang mit Elektrizitat.Also: wer etwas nicht weiß, der fragt jemanden, der es weiß und es ihm erklart.Wer sich unsicher ist, laßt die Finger von der Sache.

v

Vorwort und Einleitung

3. Grenzen

Da die Normen an vielen Stellen Interpretations-Spielraum bieten, erhebt die vorliegendeDarstellung keinen Anspruch auf die einzig richtige Sichtweise. Vielmehr ubertragt derVerfasser seine Erfahrungen im Steuerungsbau auf die Maschine Orgel. Im Laufe der Zeitentwickelt jeder Steuerungsbauer seinen personlichen Stil in der Gestaltung seiner Elek-trik. Dies sollte aber niemals zu dogmatischer Verbissenheit fuhren und man sollte sichdie Offenheit fur alternative Losungsmoglichkeiten bewahren.

Auch wenn es Grauzonen in der Norm gibt, so pladiert der Verfasser stets fur saubere

Losungen, das sind solche, die ohne langes Nachdenken als normgerecht und sachdienlichanerkannt werden. Sachdienlich heißt, daß die Steuerung so ausgefuhrt ist, daß sie z.B.Wartungsarbeiten oder Fehlersuche durch Ubersichtlichkeit, saubere Leitungsfuhrung undklare, ergonomische Anordnung von Bedienelementen erleichtert.

In Zusammenfassung dieser Erlauterungen unterscheiden wir folgende 3 Kategorien:

• Saubere Losungen

• Grauzonen-Losungen

• Unzulassige Ausfuhrungen

Zur Verdeutlichung soll zu jeder dieser Kategorien ein kurzes Beispiel angefuhrt werden:

3.1. Beispiel einer sauberen Losung

Orgel-Haupt-Schaltschrank [Details und Bilder folgen]

3.2. Beispiel einer Grauzonen-Losung

230 Volt und 24 Volt in einem Kabel [Details und Bilder folgen]

3.3. Beispiel einer unzulassigen Ausfuhrung

Leitungsenden flexibler feindrahtiger Leitungen sind grundsatzlich mit Aderendhulsen zuversehen. Dies geschieht durch das Aufcrimpen mithilfe einer geeigneten Crimpzange -und mit sonst gar nichts. Fruher hat man gerne die dunnen Einzeldrahtchen verdrillt undanschließend mit einem Lotkolben unter Zufuhr von Lotzinn verzinnt. Das ist heute nichtmehr zulassig. Zinn ist ein weiches Metall, das im Laufe der Zeit

”wegfließt“. Eine fest

angezogene Schraubklemme, unter der sich eine verzinnte Leitung befindet, ist irgendwannlose, da das Zinn unter dem Druck der Klemme nachgibt.

Das vorherige Verzinnen von Leitungsenden ist nur erlaubt (und erwunscht), wenn dieLeitung anschließend an eine dafur vorgesehene Lotose, z.B. an einem Potentiometer oderan einen Lotpin angelotet wird.

BILD / BILD

vi

4. Kronung

4. Kronung

Der kronende Abschluß dieser Schrift ist dem schwierigen Thema”Denkmalgerechte Aus-

fuhrung“ gewidmet. Dies ist ein heißes Eisen, das wir anfassen werden, aber nur skizzen-haft behandeln konnen.

Zu viele Aspekte kommen hier zusammen, um einfache Losungen zu formulieren. Viel-mehr ist umfassende Sachkenntnis und ein gutes Fingerspitzengefuhl unabdingbar. Den-noch kann dieses wichtige Kapitel im Rahmen der vorliegenden Schrift nicht ausgeblendetwerden, da historische Orgeln ein wichtiges Kulturgut darstellen, das besonderen Schutzverdient.

Die elektrotechnische Seite derartiger Orgeln stellt neben der handwerklichen und mu-sikalischen oftmals eine ganz eigene Qualitat dar, die einerseits moglichst authentischerhalten bleiben sollte, andererseits aber den heutigen Sicherheitsstandards genugen muß.

Dies in der Praxis umzusetzen, ist ein schwieriger Spagat, der nur in enger interdiszi-plinarer Zusammenarbeit zwischen Orgelsachverstandigem, Orgelbauer, Denkmalschutz-behorde, Kirchengemeinde und evtl. einem externen Berater gelingt.

vii

Teil I.

Grundlagen der Elektrotechnik

1

1. Grundlagen der Elektrotechnik imOrgelbau

Elektrische und magnetische Phanomene entziehen sich unserer unmittelbaren Vorstel-lungswelt. Wir haben zwar taglich mit ihnen zu tun und wissen um ihre Existenz, habenaber oftmals nur eine vage Vorstellung davon. Alles, was mit Elektrizitat zu tun hat,wird im Alltag vielfach verallgemeinernd als

”Strom“ bezeichnet. Da

”Strom“ aber etwas

mehr ist als bloß Strom, schauen wir uns dieses Thema voller Spannung einmal genauer an.

Statt streng-wissenschaftlicher1 Defintionen, wollen wir hier die fur uns wichtigen elek-trischen Großen anschaulich und praxisnah einfuhren.

1.1. Strom, Spannung, Widerstand, Ohm’sches Gesetz,

Energie, Leistung

Wir fangen mit den Begriffen Spannung, Strom und Widerstand an und betrachten einenStromkreis, der im einfachsten Fall wie folgt aussieht: *** BILD ***Einen elektrischen Stromkreis kann man sich im Prinzip wie einen Wasserkreislauf vor-stellen: *** BILD ***

1.1.1. Spannung U

Die elektrische Spannung (Formelzeichen U) konnen wir uns als die treibende Kraft oderEnergiequelle eines Stromkreises vorstellen. Die Spannung wird in Volt (V) gemessen.

1.1.2. Widerstand R

Der Widerstand (Formelzeichen R) ist diejenige Große, die der Spannung im wahrstenSinne des Wortes Widerstand entgegensetzt und den Strom begrenzt. Ohne Widerstandwurde theoretisch ein unendlich großer Strom fließen. In der Praxis ist der Widerstand,auch Verbraucher genannt, meistens das Bauteil, was

”arbeiten“ soll, z.B. eine Lampe, ein

elektrisches Ventil oder ein Motor.

Auch konnen Widerstande verwendet werden, um gezielt Strome zu begrenzen: will manbeispielsweise ein Bauteil, das fur 5 Volt ausgelegt ist, an 12 Volt betreiben, so muß maneinen geeigneten Widerstand vorschalten, der den Strom begrenzt und dafur sorgt, daß an

1Physikalische Gesetzmaßigkeiten gelten nur innerhalb bestimmter Grenzen. Diese Grenzen mussen beiwissenschaftlicher Vorgehensweise naturlich angegeben werden. Im Orgelbau stoßen wir aber seltenan die Grenzen und unsere Gesetzmaßigkeiten gelten stets hinreichend genau. Deshalb wird in denmeisten Fallen der Gultigkeitsbereich nicht angegeben. Lediglich dort, wo es wirklich darauf ankommt,wird explizit darauf hingewisen. Um zu verdeutlichen, was mit Gultigkeitsbereich gemeint ist, zeigenwir beim Ohm’schen Gesetz einmal exemplarisch, wo dessen Gultigkeit aufhort.

3

1. Grundlagen der Elektrotechnik im Orgelbau

dem 5-Volt-Bauteil auch tatsachlich nur 5 Volt anliegen. Siehe Beispiel 5. Der Widerstandwird in Ohm (Ω) gemessen.

1.1.3. Strom I

Der Strom (Formelzeichen I) ist die”Elektrizitatsmenge“ (oder prazise: die Ladung), die

pro Zeit durch einen Querschnitt (z.B. einen Draht oder ein Bauelement) fließt.Da uns in der Praxis die Ladung selbst nicht interessiert, gehen wir hier auch nicht darauf

ein. Der Strom wird in Ampere (A) gemessen.

1.1.4. Zusammenhang zwischen U, I und R (Ohm’sches Gesetz)

Je mehr Spannung U an einem Widerstand R anliegt, desto mehr Strom I fließt. DoppelteSpannung U am gleichen Widerstand R bedeutet doppelten Strom I, die 5-fache SpannungU am gleichen Widerstand R laßt den 5-fachen Strom fließen usw.Man definiert den Widerstand R als Verhaltnis von anliegender Spannung zum fließendenStrom und schreibt:

R =U

I(Ohm′schesGesetz) (1.1)

Im Fußnotentext wurde bereits darauf hingewiesen, daß wir anhand des Ohm’schen Ge-setzes einmal exemplarisch den Gultigkeitsbereich eines physikalischen Gesetzes erklarenwollen.Das Ohm’sche Gesetz gilt streng genommen nur fur Betriebsbedingungen, unter denensich die Temperatur des Widerstands nicht andert. Legt man an einen Widerstand eineSpannung an, fließt ein Strom und der Widerstand erwarmt sich. Infolge der Erwarmungandert sich der Wert des Widerstandes - er wird großer. Beispiel: Gluhlampe. Wir schlie-ßen eine 230-Volt-Gluhlampe an 23 Volt an und messen einen Strom von 0,3 Ampere.Bei 23 Volt leuchtet die Gluhlampe nicht und der Gluhfaden wird auch nicht merklichwarm. Dann schließen wir die Gluhlampe an 230 Volt, also an die 10-fache Spannung, undwurden - gemaß dem Ohm’schen Gesetz - auch den 10-fachen Strom erwarten. Wir mes-sen aber lediglich 0,9 Ampere, also nur den 3-fachen Strom. Wie kommt das? Die Lampe,also der Widerstand, ist beim Anschluß an 230 Volt heiß geworden, dadurch hat sich seinWiderstandswert drastisch vergroßert und der Strom, der fließt, ist deutlich kleiner alserwartet. Ist das Ohm’sche Gesetz also fur die Praxis unbrauchbar? Nein. Die Gluhlampeist ein Extrembeispiel. Richtig dimensionierte Widerstande erwarmen sich nicht oder nurunerheblich, so daß das Ohm’sche Gesetz hinreichend genau gilt.

Kennt man von einem Bauteil dessen Widerstand R und die an ihm anliegende SpannungU, so kann man den durch R fließenden Strom I berechnen, in dem man das Ohm’scheGesetzt nach I auflost:

I =U

R(1.2)

Oder: man mißt einen Strom I, der durch R fließt und mochte gerne wissen, welche Span-nung an R anliegt (oder, wie man auch sagt

”uber R abfallt“), so lost man das Ohm’sche

Gesetz nach U auf:

U = R · I (1.3)

4

1.1. Strom, Spannung, Widerstand, Ohm’sches Gesetz, Energie, Leistung

Beispiel 1:

Ein Widerstand mit der Aufschrift 330 Ω wird an 230 Volt angeschlossen. Wie groß istder durch den Widerstand fließende Strom?Losung:

I =U

R−→ I =

230 V

330 Ω= 0, 7A

Beispiel 2:

Drei Widerstande von 10 Ω, 20 Ω und 30 Ω sind hintereinander geschaltet. Man mißteinen Strom von 2A, der durch diese Dreierkette fließt (alle Widerstande werden vomgleichen Strom durchflossen). Wie groß ist die Spannung, die uber dem 20 Ω-Widerstandabfallt?Losung:

U = R · I −→ U = 20 Ω · 2 A = 40 V

1.1.5. Leistung P

Die Leistung ist in der Mechanik definiert als Arbeit (oder Energie) pro Zeit. Dies ent-spricht auch unserem anschaulichen Verstandnis: wer mehr Arbeit in einer bestimmtenZeit verrichtet, leistet mehr. Oder: wer die gleiche Arbeit in kurzerer Zeit verrichtet, leis-tet mehr. In der Elektrotechnik ist die Leistung das Produkt aus dem Strom, der durchein Bauteil fließt und der uber diesem Bauteil anliegenden Spannung:

P = U · I (1.4)

Die Einheit der Leistung ist Watt (W)

Unglucklicherweise ist das Formelzeichen fur die Arbeit ebenfalls W und darf nicht mitder Einheitenabkurzung W fur das Watt verwechselt werden.

1.1.6. Arbeit W und Energie E

Wenn die Leistung P Arbeit pro Zeit ist, also

P =W

t, dann ist die Arbeit W: W = P · t ,

oder mit elektrotechnischen Großen ausgedruckt (s. oben):

W = U · I · t (1.5)

Die Einheit der Arbeit und der Energie ist Joule (J).

Worin besteht der Unterschied zwischen Arbeit und Energie? Im Prinzip gibt es keinen.Arbeit ist gespeicherte Energie. Die Physik lehrt uns, daß verrichtete Arbeit nicht verlo-ren geht, sondern als Energie gespeichert wird. Umgekehrt kann Energie wieder in Arbeitumgewandelt werden.

Beispiel 3:

5

1. Grundlagen der Elektrotechnik im Orgelbau

Um 1 Liter Wasser (≈ 1 kg) von 20C Raumtemperatur auf 100C Siedetemperatur zuerhitzen, bedarf es einer Energie/Arbeit von 335200 Joule. Es soll dies mit einem Tauch-sieder geschehen, der eine Leistung von 2000 Watt aufweist. Wie lange dauert es?Losung:

W = P · t Gleichung nach t umstellen liefert: t =W

P

−→ t =335200 J

2000 W= 167,6 s = 2 Min. 48 Sek.

1.2. Kirchhoff’sche Regeln

In der Praxis haben wir es oft mit etwas komplizierteren Anordnungen als dem einfachenStromkreis aus Abb. xxx zu tun. Wenn in einer Schaltung z.B. mehrere Widerstande undSpannungsquellen existieren, enstehen Knoten und Maschen. Ganz allgemein nennt maneine solche Anordnung Netzwerk. Wie sich Strome und Spannungen in einem Netzwerkverteilen, folgt aus den beiden Kirchhoff’schen Regeln (in Verbindung mit dem Ohm’schenGesetz).Wir formulieren die Kirchhoff’schen Regeln hier in einer gut handhabbaren Fassung undverzichten auf die Darstellung von

”Spitzfindigkeiten“, da uns solche in der Praxis nicht

begegnen werden.

1.2.1. Erste Kirchhoff’sche Regel (Knotenregel)

Die erste Kirchhoff’sche Regel sagt aus, daß die Summe aller auf einen Knoten zufließendenStrome gleich der Summe der von diesem Knoten abfließenden Strome ist. Das bedeutet,daß es in einem Netzwerk an keiner Stelle einen

”Strom- oder Ladungsstau“ gibt.

Ein Knoten kann ein Punkt (Abb. 1.1), aber auch ein raumlich ausgedehnter Bereich einesNetzwerks sein (Abb. 1.2).

Ein einzelner Widerstand ist z.B. ein Knoten. Aus der ersten Kirchhoff’schen Regelfolgt, daß ein Strom, der in einen Widerstand hineinfließt, in gleicher Große auch wiederherausfließt. In einemWiderstand wird kein Strom verbraucht; deshalb fließt durch eineKette mehrerer Widerstande (ohne weitere Verzweigungen) stets derselbe Strom.

In der Abbildung 1.1 fließen die Strome I2, I4 und I5 auf den Knoten zu und die StromeI1 und I3 vom Knoten ab. Es gilt deshalb:

I1 + I3 = I2 + I4 + I5

In der Abbildung 1.2 fließt der Strom I2 auf den Knoten zu und die Strome I2 und I3 vomKnoten ab. Folglich gilt:

I1 = I2 + I3

Der Knoten ist hier ein raumlich ausgedehntes Gebilde, dessen”Ein- und Ausgangstore“

lediglich betrachtet werden. Was im Inneren passiert, wissen wir nicht. Ein Beispiel ausder Praxis ist der Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter oder RCD). Man kann sichdieses Gerat gewissermaßen als Bilanzbuchhalter vorstellen, der standig uberwacht, daß

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1.2. Kirchhoff’sche Regeln

Abbildung 1.1.: Beispiel eines punktformigen Knotens

Abbildung 1.2.: Beispiel eines ausgedehnten Knotens = Teil eines Netzwerks

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1. Grundlagen der Elektrotechnik im Orgelbau

keine Strome unbemerkt versickern. Sind die an den FI-Schalter angeschlossenen Gerate inpuncto Isolation in Ordnung, ist die Bilanz aus hinfließenden und ruckfließenden Stromenausgeglichen, d.h. gleich Null. Im Falle eines Isolationsfehlers fließt (bei metallischen undordnungsgemaß geerdeten Geraten) ein Teil des Stromes uber den Schutzleiter ab. DerFI-Schutzschalter stellt dann fest, daß zu wenig Strom auf regularem Weg zuruckfließtund lost ab einer gewissen Ansprechschwelle aus, d.h. trennt die angeschlossenen Geratevom Netz. Dies ist ein ganz wichtiger Schutzmechanismus, um Menschen vor elektrischemSchlag zu bewahren.

1.2.2. Zweite Kirchhoff’sche Regel (Maschenregel)

Die zweite Kirchhoff’sche Regel sagt aus, daß die Spannung (hier U0) zwischen zwei Punk-ten A-B eines Netzwerks gleich der Summe aller dazwischen liegenden Teilspannungen -egal wo sie herruhren - ist, s. Abb. 1.3:

U0 = U1 + U2 + U3

Abbildung 1.3.: Masche

Ein ganz simples Beispiel zur Maschenregel ist die Reihenschaltung von Batterien: richtighintereinander geschaltet, ergeben drei 1,5-Volt-Batterien 4,5 Volt.

Ein weiteres Beispiel sind Weihnachtsbaum-Lichterketten, die direkt an 230V-Netzspan-nung angeschlossen werden. Schließt man z.B. 16 gleiche Birnchen in Reihe und verbindetdie beiden Enden dieser Kette mit 230V, so fallt uber jedem Birnchen 230V/16 = 14,375Vab. Bei Verwendung von 15V-Birnchen kann man sich viele Weihnachten an diesem Lich-terschmuck erfreuen.

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1.3. Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstanden

Abbildung 1.4.: Serienschaltung von Widerstanden

1.3. Serienschaltung und Parallelschaltung von

Widerstanden

Bei der Serienschaltung zweier Widerstande R1 und R2 werden beide vom gleichen Strom Idurchflossen; die Teilspannungen U1 und U2 addieren sich zur Gesamtspannung U. Wir su-chen nun den aquivalenten Gesamtwiderstand Rser. Die Aufgabe ist gelost, wenn bezuglichder Klemmen A-B Strom- und Spannungsverhaltnisse in der Originalanordnung mit denender Ersatzanordnung ubereinstimmen, siehe Abb. 1.4.Die zu erfullende Bedingung lautet:

U1 + U2 = U

Gemaß dem Ohm’schen Gesetz gilt:

U1 = R1 · I, U2 = R2 · I, U = Rser · I

Setzt man dies in die obige Gleichung ein, so erhalt man:

R1 · I +R2 · I = Rser · I

Der Strom I kann ausgeklammert und beide Seiten der Gleichung durch I geteilt werden.Dann erhalt man:

Rser = R1 +R2

Fur eine beliebige Anzahl N in Serie geschalteter Widerstande gilt:

Rser = R1 +R2 + · · ·+RN (1.6)

In Worten: Bei der Serienschaltung ist der Gesamtwiderstand gleich der Summe der Ein-zelwiderstande. Ferner ist der Gesamtwiderstand stets großer als der großte Einzelwider-stand.

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1. Grundlagen der Elektrotechnik im Orgelbau

Abbildung 1.5.: Parallelschaltung von Widerstanden

Die Vorgehensweise zur Berechnung des Gesamtwiderstandes von parallelgeschalteten Ein-zelwiderstanden ist ganz ahnlich. Hier liegen alle Einzelwiderstande an der gleichen Span-nung U und die Teilstrome I1 und I2 addieren sich zum Gesamtstrom I, siehe Abb. 1.5.Die zu erfullende Bedingung lautet hier:

I1 + I2 = I

Eingesetzt in das Ohm’sche Gesetz, folgt:

I1 =U

R1

I2 =U

R2

I =U

Rpar

Dies setzen wir in die erste Gleichung ein und erhalten:

U

R1

+U

R2

=U

Rpar

Die Spannung U wird ausgeklammert und weggekurzt; es ergibt sich dann:

1

Rpar

=1

R1

+1

R2

Fur eine beliebige Anzahl N parallelgeschalteter Widerstande gilt:

1

Rpar

=1

R1

+1

R2

+ · · ·+1

RN

(1.7)

In Worten: Bei der Parallelschaltung ist der Kehrwert des Gesamtwiderstandes gleich derSumme der Kehrwerte der Einzelwiderstande.

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1.4. Spannungsteiler, Stromteiler

In der Praxis interessiert aber nicht der Kehrwert, sondern der”richtige“ Wert. Rech-

net man mit einem Taschenrechner, und verfugt dieser uber eine 1/x-Taste, kommt manschnell ans Ziel. Bei zwei parallelgeschalteten Widerstanden, kann man den Kehrwert von1/R, also R noch recht einfach uber das Suchen eines Hauptnenners und entsprechendeRechnung ermitteln:

Rpar =R1 ·R2

R1 +R2

Bitte beachten: Bei der Parallelschaltung ist der Gesamtwiderstand immer kleiner als derkleinste Einzelwiderstand. Anschaulich kann man sich das so vorstellen, daß dem Stromdurch das Parallelschalten eines oder mehrerer Widerstande zu einem schon vorhandenenWiderstand weitere Pfade eroffnet werden, wodurch der Gesamtwiderstand in Folge klei-ner wird.

Beispiel 4:

3 Widerstande zu 10 Ω, 20 Ω und 30 Ω sind parallelgeschaltet. Wie groß ist der Gesamt-widerstand? Losung:

1

Rpar

=1

10Ω+

1

20Ω+

1

30Ω= 0, 183

1

Ω

−→ Rpar =1

0, 183Ω ≈ 5, 5Ω

1.3.1. Leitwert G

Der Vollstandigkeit halber sei erwahnt, daß der Kehrwert des elektrischen Widerstandes

auch elektrischer Leitwert (Formelzeichen: G) genannt wird.Es ist also:

G =1

R

Die Einheit des Leitwertes heißt Siemens, Abkurzung: S. 1 Siemens = 1/Ω.

1.4. Spannungsteiler, Stromteiler

In der Praxis steht man manchmal vor der Aufgabe, eine vorhandene Spannung (z.B.24 Volt) so zu verkleinern, daß Bauteile, die fur eine geringe Spannung ausgelegt sind,trotzdem betrieben werden konnen.Ebenso kann es erforderlich sein, aus einem großen Strom (z.B. 100 Ampere) einen klei-nen Teil

”auszukoppeln“, weil beispielsweise ein Meßgerat nur von einem kleineren Strom

durchflossen werden darf.Hier helfen uns Strom- und Spannungsteiler weiter. Diese konnen ganz einfach aus zweiWiderstanden aufgebaut werden.

1.4.1. Spannungsteiler

Aus Abbildung 1.4 erkennt man, daß folgende Beziehungen gelten:

U1 = I ·R1 und U2 = I ·R2

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1. Grundlagen der Elektrotechnik im Orgelbau

Setzt man U1 und U2 ins Verhaltnis, ergibt sich:

U1

U2

=I ·R1

I ·R2

Nach Herauskurzen von I erhalten wir:

U1

U2

=R1

R2

(1.8)

Dies ist die sog. Spannungsteiler-Regel fur einen unbelasteten Spannungsteiler: das Ver-haltnis der Teilspannungen ist gleich dem Verhaltnis der Widerstande.

”Unbelastet“ des-

halb, weil sich bei Belastung die Spannungsverhaltnisse verschieben. In der Praxis ist essinnvoller, den Lastwiderstand selbst als Bestandteil der Spannunsgteiler-Kombination zubetreiben und den anderen Widerstand als Vorwiderstand.

1.4.2. Stromteiler

Aus Abbildung 1.5 erkennt man, daß folgende Beziehungen gelten:

I1 =U

R1

und I2 =U

R2

Setzt man I1 und I2 ins Verhaltnis, ergibt sich:

I1

I2=

U

R1

U

R2

U kann weggekurzt werden und man erhalt:

I1

I2=

R2

R1

(1.9)

Dies ist die Stromteilerregel fur einen unbelasteten Stromteiler: das Verhaltnis der Teil-strome I1 und I2 entspricht dem umgekehrten Verhaltnis der Widerstande R1 und R2.Das leuchtet auch ein, denn in dem Pfad mit dem kleineren Widerstand fließt der großereStrom - und umgekehrt.

1.5. Zwei Beispielaufgaben

Es werden hier 2 Beispielaufgaben vorgerechnet - diese sind nicht kompliziert; zu ihrerLosung wird aber einiges vom vorausgegangenen Lernstoff benotigt.

Beispiel 5:

Das folgende Beispiel ist”brandaktuell“. Auf einen ahnlichen Fall ist der Verfasser bei

einer Orgelbegutachtung gestoßen. Leider wurde die Aufgabe nur teilweise richtig gelost.

Ein Verbraucher mit der Aufschrift”5V/8W“ soll an 24V betrieben werden. Es ist ein

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1.5. Zwei Beispielaufgaben

geeigneter Vorwiderstand auszulegen. Losung:

In Gedanken tun wir so, als hatten wir bereits die Losung gefunden. Wir schalten vor denVerbraucher einen Widerstand mit R = ? und schreiben an den Verbraucher 5 Volt. Wennim Verbraucher bei 5 Volt 8 Watt umgesetzt werden, fließt ein Strom von I = P/U, alsoI = 8W/5V = 1,6A. Also lassen wir direkt diese 1,6A in den Verbraucher fließen:

Abbildung 1.6.: Erster Schritt

Gemaß der 2. Kirchhoff’schen Regel (Maschenregel) liegen uber dem noch zu dimensio-nierenden Widerstand R 19V an, namlich 24V - 5V = 19V.Gemaß der 1. Kirchhoff’schen Regel (Knotenregel) fließen die 1,6A, die durch den Ver-braucher fließen, auch durch den Vorwiderstand. Wir schreiben also an den VorwiderstandR 19V und lassen 1,6A durch ihn fließen:

Abbildung 1.7.: Zweiter Schritt

Wenn an dem Vorwiderstand 19V anliegen und 1,6A durch ihn fließen, kann sein Wert mitHilfe des Ohm’schen Gesetzes berechnet werden: R=U/I, also R=19V/1,6A=11,875Ω:

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1. Grundlagen der Elektrotechnik im Orgelbau

Abbildung 1.8.: Dritter Schritt

11,875Ω-Widerstande gibt es naturlich nicht und wir runden auf 12Ω auf. Mit der Ermitt-lung des Widerstandes haben wir in der Praxis unsere Aufgabe aber noch nicht vollstandiggelost. Ein Widerstand muß stets so ausgelegt werden, daß er auch der in ihm umgesetztenLeistung standhalt. Die Leistung P ist P=U·I, in unserem Fall also P=19V · 1,6A = 30,4W,das ist beachtlich! Wo nun lag das eingangs erwahnte Problem? Der Orgelbauer hatte

”ir-

gendeinen“ 12Ω-Widerstand genommen - es handelte sich um einen 1W-Widerstand, dergluhend heiß wurde und dadurch bereits die Isolation von umliegenden Kabeln beschadigthatte. Ein Brand war hier vorprogrammiert!

Beispiel 6:

Ein Amperemeter mit einem Meßbereich von 0...1A soll so umfunktioniert werden, daßdamit Strome von 0...100A gemessen werden konnen. Geht das? Wenn ja, wie? Losung:

Ja, es geht! Und zwar mit Hilfe eines geeigneten Parallelwiderstandes, der so ausgelegt ist,daß bei einem Strom von 100A genau 1A durch das Meßgerat fließt und 99A am Meßgeratvorbei gefuhrt werden. Solche Widerstande nennt man Shunt.

Ein reales Amperemeter kann man sich modellhaft als Serienschaltung aus einem idea-len Amperemeter mit Innenwiderstand Null und einem Innenwiderstand Ri vorstellen,siehe Abbildung 1.9.

Zur Losung unserer Aufgabe mussen wir den Innenwiderstand Ri unsres Amperemetersmessen. Zu diesem Zweck schließen wir das Gerat an eine feinfuhlig regelbare Span-nungsquelle im Millivolt-Bereich an. Vorsicht! Hier reichen oft wenige Millivolt aus! Wirmessen einen Vollausschlag des Amperemeters (1A) bei einer Spannung von 99mV. Ausdem Ohm’schen Gesetz R=U/I errechnen wir einen Innenwiderstand Ri = 0,099V/1A =0,099Ω.

Das Ersatzschaltbild der zu dimensionierenden Anordnung ist in Abbildung 1.10 skizziert.

Um Rp zu berechnen, bedienen wir uns der Stromteiler-Regel (Gleichung 1.9):

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1.5. Zwei Beispielaufgaben

Abbildung 1.9.: Reales Amperemeter

Abbildung 1.10.: Ersatzschaltbild der Aufgabenstellung

Rp

Ri

=1A

99A=⇒ Rp =

1A

99A·Ri =

1A

99A· 0, 099Ω = 0, 001Ω

Wie wir in Beispiel 5 gesehen haben, ist es außerst wichtig, sich bei der Dimensionie-rung von Widerstanden uber die umgesetzte Leistung im Klaren zu sein. Diese ist I2 ·Rp.In unserem Fall ist P = (99A)2 ·0, 001Ω = 9, 8W. Jede Messung stellt einen Eingriff in daszu messende System dar und verfalscht mehr oder minder das Ergebnis. Mit der im Shuntund im Innenwiderstand Ri des Meßgerates umgesetzten Leistung entziehen wir dem Sys-tem insgesamt 9,9 Watt. Es ist in jedem Einzelfall zu prufen, welche Leistungsentnahmebeim Messen tolerierbar ist.

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