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Die Anatomie eines Kurzschlusses

Jun 17, 2023Jun 17, 2023

Für BMW war es eine langsame Automobilwoche, da meine Freizeit damit verschwendet wurde, die undichten Dichtungen unter den Begrenzungsleuchten auf dem Dach des Lastwagens auszutauschen und einen festsitzenden Bremssattel am 2007er Corolla meines jüngsten Sohnes auszutauschen. Anstelle echter Automobilarbeit werde ich diese Woche mit Ihnen über Kurzschlüsse im Automobilbereich sprechen. Ich werde erklären, wie sie eine Funktion der „guten“ Art von Widerstand sind, aber an der schlechtesten Stelle, die möglich ist.

Zuerst muss ich meine Rolle als Hack-Mechaniker-Professor aufsetzen und Ihnen einen kurzen Kurs über die Grundlagen der Funktionsweise von Elektrizität in einem Auto geben.

Elektrizität wird als Ladungsfluss definiert. Sie können sich darüber im Klaren sein, was „Fluss“ und „Ladung“ tatsächlich bedeuten, aber für diese Diskussion verwenden wir die Konvention, dass elektrischer Strom vom Pluspol der Batterie zum „Ladegerät“ fließt, das dies durchführt Arbeit (z. B. das Licht, der Elektromotor) und schließt den Rundlauf mit der Rückkehr zum Minuspol der Batterie ab. Bei einem kleinen Handgerät mit austauschbaren Batterien, beispielsweise einer Taschenlampe, erfolgt der Anschluss direkt an den Plus- und Minuspolen der Batterie. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Ein Lastgerät wie eine Glühbirne, die direkt an eine Batterie angeschlossen ist.

Wenn Sie nicht an Autos gearbeitet haben, würden Sie annehmen, dass diese ebenfalls auf diese Weise verkabelt sind, aber schon früh in der Entwicklung des Automobils wurde der Nutzen der Verwendung des Metallchassis des Autos für einen Teil der Rennstrecke deutlich Auf diese Weise könnte jedes Gerät (jedes Licht oder jeder Motor) über ein einziges langes Kabel mit der Batterie und ein kurzes Kabel mit dem Chassis verbunden werden. Anfangs haben einige Hersteller den Pluspol und andere den Minuspol geerdet (und die positive Masse war nicht nur diesen verrückten Briten vorbehalten; überraschenderweise hielt sich Ford bis Mitte der 50er-Jahre zurück), aber schließlich standardisierte die Branche die negative Masse. Daher ist bei der überwiegenden Mehrheit der Fahrzeuge auf der Straße das Minuskabel der Batterie mit der Fahrgestellmasse verbunden. Einzelne Drähte transportieren Strom vom „+“-Batteriepol zu jedem Gerät, aber fast jedes Gerät verfügt über einen gemeinsamen Erdungspfad durch das Gehäuse. Dies ist für eine einfache Schaltung in der folgenden Abbildung dargestellt.

Ein einfacher Stromkreis mit einem Lastgerät und Gehäuseerde als Rückweg.

Nun fügen wir dem Schaltkreis zwei weitere Dinge hinzu – eine Sicherung und einen Schalter. Auf diese Weise fließt kein Strom durch den Stromkreis, bis der Schalter betätigt wird, und wenn der Stromkreis mehr Strom zieht als er sollte, brennt die Sicherung durch und stoppt den gesamten Stromfluss. Die meisten (aber definitiv nicht alle) Strecken eines Autos sehen in etwa so aus.

Eine einfache, aber sehr repräsentative Automobilschaltung mit einem Schalter und einer Sicherung.

Wenn wir in einem Auto sagen, dass es einen „Kurzschluss“ (oder, um es kürzer zu sagen, einen „Kurzschluss“) gibt, meinen wir fast immer, dass es sich um einen positiven Draht handelt, dessen Isolierung abgerieben wurde, wodurch das blanke Kupfer entsteht Es besteht die Gefahr, dass die darin enthaltenen Litzen versehentlich die Erde berühren, was dazu führt, dass der Stromkreis das Lastgerät, an das das Kabel angeschlossen ist, umgeht. (Es gibt so etwas wie einen „Kurzschluss zur Stromversorgung“, aber Kurzschlüsse zur Masse kommen weitaus häufiger vor.) Zwei solcher Kurzschlüsse zur Masse sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Nehmen wir an, dass der Draht zwischen der Sicherung und dem Lastgerät seine Isolierung durchdrungen hat und die Karosserie des Autos berührt. Dies ist Kurzschluss Nr. 1, grün dargestellt. In diesem Fall fließt Strom – sehr viel Strom – plötzlich vom Pluspol der Batterie durch die Sicherung, durch das Kabel und direkt zur Erde. Beachten Sie, dass dies auch dann geschieht, wenn der Schalter im Diagramm offen dargestellt ist – das heißt, es wird genau deshalb als „Kurzschluss“ bezeichnet, weil dadurch ein Stromkreispfad entsteht, der kürzer als der beabsichtigte ist. Da die Strommenge den Nennwert der Sicherung bei weitem übersteigt (glauben Sie mir, das ist der Fall, und dazu kommen wir gleich), brennt die Sicherung fast augenblicklich durch und stoppt den Stromfluss.

Kurzschlüsse gegen Masse an zwei möglichen Stellen.

Befindet sich die abgeriebene Isolierung stattdessen im Kabelabschnitt vor der Sicherung, kommt es zum Kurzschluss Nr. 2 – dem roten Pfad. Wie bei Kurzschluss Nr. 1 fließt plötzlich viel Strom, aber auf diesem Weg gibt es keine Sicherung, die durchbrennen könnte, sodass nichts den Stromfluss stoppen kann. Dies ist das Albtraumszenario – ein Kurzschluss eines nicht abgesicherten Stromkreises zur Erde, der zu geschmolzener Isolierung, einem verbrannten Kabel und möglicherweise einem elektrischen Brand führt. Selbst wenn es keinen Brand gibt, schmilzt wahrscheinlich auch die Isolierung benachbarter Drähte im Kabelbaum, wenn das verbrannte Kabel durch einen Kabelbaum verläuft. Es ist ein Chaos.

Warten Sie – haben Sie unfusioniert gesagt? Wie können Stromkreise keine Sicherungen haben? Es ist überraschend und ein wenig erschreckend, wie viele Kabel, insbesondere bei einem Oldtimer, nicht durch Sicherungen geschützt sind. Es ist verständlich, dass die Hochstromkabel vom Pluspol der Batterie zum Anlasser, der Lichtmaschine und dem Sicherungskasten selbst selten abgesichert sind (da diese viel Strom führen, bräuchten sie eine wirklich große Sicherung, und das ist bei manchen auch üblich). (bei modernen Autos, aber normalerweise nicht bei 50 Jahre alten Autos), aber bei einem 2002 sind auch der Zündschalter und die Hupe nicht abgesichert.

Zweimal oben habe ich gesagt: „Es wird VIEL Strom fließen.“ Über wie viel reden wir?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir ein wenig rechnen. Hab Geduld mit mir. Es ist nur eine Gleichung. Okay, zwei. Nun, zwei Versionen derselben Gleichung und dann noch eine, also quasi drei. Aber das ist es. Das verspreche ich. Du kannst damit umgehen. Ihr BMW selbst hat Ihnen sicherlich mehr Schmerzen bereitet.

Lassen Sie uns zunächst kurz einige der Begriffe durchgehen, die wir bereits verwendet haben. Es gibt eine Wasserfall-Analogie für elektrische Spannung, Strom und Widerstand, die viele Menschen hilfreich finden.

Stromspannung ist das, was von der Batterie und der Lichtmaschine geliefert wird. Bei einem Auto wird häufig davon ausgegangen, dass es über ein 12-Volt-Bordnetz verfügt. Okay, die Ruhespannung der Batterie beträgt in Wirklichkeit 12,6 Volt, und während die Lichtmaschine läuft, gibt sie tatsächlich 13,5 bis 14,2 Volt ab, aber nennen wir es einfach 12 Volt. In der Wasserfall-Analogie ist die Spannung die Höhe des Wasserfalls.

Aktuell(gemessen in Ampere oder „Ampere“) ist die Wassermenge, die über den Wasserfall fließt.

Widerstand(gemessen in Ohm) ist der Durchmesser des Rohrs, durch das das Wasser fließt.

Über die 170 Fuß hohen Niagarafälle fließt also viel mehr Wasser als über die kilometerhohen Yosemite-Fälle, aber wenn Sie versuchen, einen Teil der gesamten Wassermenge durch einen Gartenschlauch zu pumpen, werden Sie ein Problem haben. Entweder wird dadurch der Durchfluss eingeschränkt oder der Schlauch platzt.

Wenn Sie nicht in Wasserfall-Analogien denken möchten, gibt es eine nicht im Abspann aufgeführte Grafik, die seit mindestens 50 Jahren in der Elektrowelt gezeigt wird. Es wird oft als „Volt drückt Verstärker durch Ohm“ bezeichnet.

Armer kleiner Verstärker-Typ mit Volts Stiefel im Hintern.

Bei beiden Analogien geht es darum, dass bei einer konstanten Spannung der Widerstand (Ohm) die Menge des fließenden Stroms bestimmt.

Persönlich sage ich zum Teufel mit den Analogien. Die Mathematik sagt alles.Ohm'sches Gesetzgibt die folgende Beziehung zwischen Spannung (V), Strom (I) und Widerstand (R) an:

V = I*R (Spannung entspricht Strom multipliziert mit Widerstand)

Bei einer einfachen Schaltung sind Spannung und Widerstand konstant, und was Sie wirklich interessiert, ist der Strom. Lösen Sie dies also für den Strom:

I = V/R (Strom ist gleich Spannung geteilt durch Widerstand)

Bei einem Auto mit einem 12-Volt-Bordnetz kennen Sie die Spannung. Wenn Sie also den Widerstand eines Stromkreises kennen, können Sie den Strom berechnen. Wir können das tatsächlich bei einem Kurzschluss tun und erklären, warum dadurch der Draht schmilzt.

Sie können den Widerstand verschiedener Drahtstärken online nachschlagen. Zehn Fuß 12-Gauge-Draht (ungefähr das, was man für die Verkabelung eines Scheinwerfers oder eines elektrischen Lüfters verwenden würde) haben einen Widerstand von etwa 0,016 Ohm. Setzen Sie das in die obige Formel ein:

I = (12 Volt) / (0,016 Ohm)

= 750 Ampere

Dies besagt, dass 750 Ampere durchfließen, wenn ein 12-Gauge-Kabel mit einer Länge von 10 Fuß knapp ist. Ich sage „Yeesh!“ aber Sie fragen sich vielleicht: „Ist das viel?“ Möglicherweise sind Sie mit der Einheit Volt vertraut, da ein Auto eine 12-Volt-Batterie verwendet, aber die meisten Menschen haben kein gutes Gespür für die Einheit Ampere.

Machen wir es also stattdessen mit der Leistung in Watt. Die Menschen haben ein Gespür für Watt, denn das ist die Einheit für die Leistung von Glühbirnen, Heizgeräten, Generatoren und allem Möglichen.

Das bringt uns zur zweiten Gleichung, mit der ich Sie quälen muss:Wattsches Potenzgesetz:

P = I*V (Leistung in Watt entspricht Strom multipliziert mit Spannung)

Für unseren Kurzschluss wird die Leistung in Watt also wie folgt berechnet:

P = (750 Ampere) * (12 Volt)

= 9.000 Watt

Neun. Tausend. Watt. In unserem kleinen Kurzschluss aus einem Stück Draht. Das entspricht der maximalen Leistungsabgabe eines dieser Geräte:

Ein 9.000-Watt-Generator

Als würde man versuchen, die Niagarafälle durch einen Gartenschlauch zu pumpen, es wird einfach nicht funktionieren – ein 12-Gauge-Drahtstück kann vielleicht für kurze Zeit 750 Ampere tragen, aber ohne irgendeine Lastvorrichtung (ein Licht). (z. B. eine Glühbirne, ein Elektromotor) im Stromkreis, die gesamte Energie wird in Wärme umgewandelt. Der Draht glüht also glühend heiß, die Isolierung brennt ab und der Draht selbst schmilzt.

Eigentlich hofft man, dass es schmilzt, denn wenn das passiert, wird der Stromkreis unterbrochen, solange sich das Teil am positiven Ende nicht sofort wieder auf die Karosserie des Autos legt. Aber wenn es nicht schmilzt – wenn der freiliegende, isolierte Draht einfach am Gehäuse anliegt –, leitet es weiterhin enorme Strommengen weiter und erzeugt enorme Wärmemengen. Andere Dinge werden Feuer fangen. Und bevor Sie es wissen, wird das Auto in Flammen aufgehen. Wenn Sie so etwas schon einmal erlebt haben: Es geht erstaunlich schnell, oft weniger als 30 Sekunden von der Rauchentwicklung bis zum völligen Flächenbrand mit Totalschaden.

Wenn also das Kabel einen geringen Widerstand hat und ein geringer Widerstand dazu führt, dass viel Strom fließt, warum schmelzen dann die Enteisungsgitter an der Heckscheibe nicht sofort? Das ist doch ein Stromkreis, der nur aus Draht besteht, oder? Es gibt kein anderes „Ladegerät“, oder? Was ist der Unterschied zwischen diesem und einem toten Kurzschluss?

Das mysteriöse Defrostergitter.

Eigentlich ist es eine sehr gute Frage, deren Verständnis ich eine Weile gebraucht habe. Die Antwort hängt von zwei Dingen ab: dem Widerstand und der Fähigkeit, Wärme abzuleiten.

Ein Heckscheiben-Enteisungsgitter hat wesentlich mehr Widerstand als Standarddraht, wahrscheinlich irgendwo im Bereich von 1 bis 5 Ohm, sodass es nach dem Ohmschen Gesetz zwischen etwa 2,4 und 12 Ampere ziehen sollte. Der Draht im Enteisungsgitter ist für diesen Widerstand ausgelegt und wird genau für diese Anwendung verwendet, weil er sowohl die erforderliche Wärmemenge erzeugt als auch die Fähigkeit besitzt, diese Wärme abzuleiten, ohne zu schmelzen.

Nehmen wir also diese beiden Beispiele – das Kabel mit niedrigem Widerstand, das bei einem Kurzschluss Ihr Auto bis auf die Grundmauern niederbrennt, und das Kabel mit hohem Widerstand, das Ihre Heckscheibe richtig beschlagfrei macht – welche Schlussfolgerungen können Sie über den Widerstand ziehen? Ist es gut oder schlecht?

Es kommt darauf an, wo der Widerstand ist. Ich denke so darüber nach:

Ein unbeabsichtigter hoher Widerstand ist schlecht, aber nicht gefährlich . Wenn Ihre Batteriepole korrodiert sind, kann dieser zusätzliche Widerstand dazu führen, dass Ihr Auto nicht startet. Wenn der Pfosten, an dem Ihre Scheibenwischer geerdet sind, Rost aufweist, kann dieser zusätzliche Widerstand dazu führen, dass die Scheibenwischer nicht mehr funktionieren. Wenn jemand sagt: „Überprüfen Sie Ihre Erdung“, geht es hier um die Prüfung auf unbeabsichtigt hohen Widerstand, der die Funktion eines Stromkreises verhindert.

Aber am anderen Ende der SkalaEin unbeabsichtigter niedriger Widerstand ist WIRKLICH schlecht und WIRKLICH gefährlich. Darum handelt es sich bei einem Kurzschluss gegen Masse: unbeabsichtigt niedriger Widerstand. Wenn Sie aus einem Stück Draht mit niedrigem Widerstand in einem nicht abgesicherten Stromkreis einen Kurzschluss erzeugen, der dazu führen kann, dass Hunderte von Ampere fließen, die von ihm erzeugte Wärme jedoch nicht abgeführt werden kann und es keine Sicherung gibt, die durchbrennt und den Stromkreis stoppt, Es kann das Auto schneller in Brand setzen und niederbrennen, als man sagen kann: „Mensch, das Ohmsche Gesetz ist viel interessanter, als ich jemals erwartet hätte.“

Ich hoffe, Ihnen hat diese kleine Lektion von Professor Hack gefallen. Ihre Aufgabe für die nächste Woche besteht darin, Ihre Oldtimer auf abgescheuerte Kabel zu prüfen.

—Rob Siegel

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StromspannungAktuellWiderstandOhm'sches GesetzV = I*R (Spannung entspricht Strom multipliziert mit Widerstand)I = V/R (Strom ist gleich Spannung geteilt durch Widerstand)Wattsches PotenzgesetzP = I*V (Leistung in Watt entspricht Strom multipliziert mit Spannung)Ein unbeabsichtigter hoher Widerstand ist schlecht, aber nicht gefährlichEin unbeabsichtigter niedriger Widerstand ist WIRKLICH schlecht und WIRKLICH gefährlich.