Sicherung

Lehrpläne: KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

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Ziel

Beobachten Sie, wie eine Sicherung einen Stromkreis vor Überlast und vor Kurzschluss schützt und warum ihr Nennstrom auf die Last abgestimmt wird.

Aufbau

Eine Spannungsquelle mit 6 V, eine 0,5-A-Sicherung und ein Amperemeter führen zu zwei Sammelschienen. Zwischen den Sammelschienen liegen drei Zweige: unten eine Glühlampe 6 V / 0,5 W, in der Mitte eine Last von 5,1 Ω hinter einem offenen Schalter, oben ein Taster – er schließt die Sammelschienen kurz, solange er gedrückt gehalten wird. Die Lampe leuchtet, und das Amperemeter zeigt etwa 83 mA.

Durchführung

1. Schließen Sie den Schalter der Last. Beobachten Sie die Sicherung, die Lampe und das Amperemeter.
2. Öffnen Sie den Schalter. Ersetzen Sie den Schmelzeinsatz: Entfernen Sie den Haken bei „Durchgebrannt“ in der Parameterkarte der Sicherung.
3. Stellen Sie den Nennstrom auf 2 A ein und schließen Sie den Schalter der Last erneut. Notieren Sie den Messwert des Amperemeters.
4. Drücken und halten Sie den Taster. Beobachten Sie die Sicherung und die Kontrollleuchte der Quelle.
5. Lassen Sie den Taster los, öffnen Sie den Schalter der Last, stellen Sie den Nennstrom wieder auf 0,5 A und schalten Sie die Quelle mit ihrem Netzschalter ein.
6. Drücken Sie den Taster erneut. Beobachten Sie die Sicherung und die Kontrollleuchte der Quelle.

Erwartetes Ergebnis

Die Last von 5,1 Ω fügt dem Lampenstrom etwa 1 A hinzu – etwas mehr als das Doppelte des Nennstroms des Schmelzeinsatzes von 0,5 A. Ein echter flinker Schmelzeinsatz würde bei einer solchen Stromstärke noch Sekunden halten: Die Wärme entweicht über die Endkappen, und je näher die Stromstärke an der Schwelle liegt, desto länger hält er. Hier brennt er nach einer halben bis mehreren Sekunden durch, bei jedem Schmelzeinsatz anders. Der Stromkreis öffnet sich, die Lampe erlischt, und das Amperemeter zeigt 0. Ein durchgebrannter Schmelzeinsatz bleibt offen, bis er ersetzt wird. Bei einer Stromstärke unter etwa dem 1,9-Fachen des Nennstroms brennt der Schmelzeinsatz überhaupt nicht durch.

Der 2-A-Schmelzeinsatz hält dieselbe Stromstärke aus: Das Amperemeter zeigt etwa 1,0 A. Bei einem Kurzschluss beträgt die Stromstärke aber etwa 7 A – nur das 3,4-Fache seines Nennstroms, und ein solcher Schmelzeinsatz braucht dafür eine Zehntelsekunde. Der Überlastschutz der Quelle ist mit 20 ms schneller: Die Kontrollleuchte blinkt rot, die Quelle schaltet sich ab, und der Schmelzeinsatz bleibt intakt. Ein zu groß bemessener Schmelzeinsatz schützt den Stromkreis nicht.

Mit dem 0,5-A-Schmelzeinsatz beträgt der Kurzschlussstrom, etwa 6 A, das 12-Fache seines Nennstroms: Der Schmelzeinsatz brennt in wenigen Millisekunden durch, noch vor dem Überlastschutz der Quelle, und die Quelle bleibt eingeschaltet.

Fragen

1. Warum wird eine Sicherung in Reihe mit der Last geschaltet und nicht parallel?
2. Was passiert, wenn Sie einen Schmelzeinsatz einsetzen, dessen Nennstrom viel größer ist als der Laststrom?
3. Worin ist eine Sicherung dem Überlastschutz der Quelle überlegen, der die ganze Quelle abschaltet?
4. Warum brennt der Schmelzeinsatz bei doppelter Stromstärke in Sekunden durch, bei einem Kurzschluss aber in Millisekunden?

Antworten

1. In Reihe fließt der gesamte Laststrom durch die Sicherung, und wenn der Schmelzeinsatz durchbrennt, ist der Stromkreis unterbrochen. Eine parallel geschaltete Sicherung würde die Last mit ihrem kleinen Widerstand kurzschließen und sofort durchbrennen, und danach bliebe die Last ohne Schutz an der Quelle angeschlossen.
2. Der Schmelzeinsatz lässt Ströme durch, die für die Last und ihre Leitungen zu groß sind, und der Stromkreis bleibt ohne Schutz. In diesem Aufbau hält der 2-A-Einsatz die Überlast von 1 A aus und übersteht den Kurzschluss mit 7 A, nur das 3,4-Fache seines Nennstroms: Der Überlastschutz der Quelle schaltet zuerst ab.
3. Jeder Zweig kann eine eigene Sicherung mit einem auf seine Last abgestimmten Nennstrom haben, sodass ein Fehler nur diesen Zweig abtrennt und der Rest des Stromkreises weiterarbeitet. In diesem Aufbau brennt der 0,5-A-Einsatz in wenigen Millisekunden durch, und die Quelle bleibt eingeschaltet; der Schutz der Quelle spricht erst über 3 A an und schaltet alles ab, was an ihr angeschlossen ist.
4. Die im Draht freigesetzte Wärmeleistung ist \(P = I^2 R\). Bis etwa zum 1,9-Fachen des Nennstroms entweicht die Wärme über die Endkappen, bevor der Draht seinen Schmelzpunkt erreicht; beim Doppelten des Nennstroms ist die Wärmeleistung nur wenig größer, sodass sich der Draht über Sekunden langsam dem Schmelzen nähert. Bei einem Kurzschluss, dem 12-Fachen des Nennstroms, ist die Wärmeleistung 144-mal so groß wie beim Nennstrom, und der Draht schmilzt in Millisekunden, bevor die Wärme entweichen kann.