Elektrische Spannung

Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit bzw. Energie nötig ist, oder frei wird, wenn man ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung entlang eines elektrischen Feldes bewegt. Spannung ist also das spezifische Arbeitsvermögen der Ladung. Das Formelzeichen der Spannung ist U (vom lat. urgere (drängen, treiben, drücken), auch weit verbreitet: Unterschied) bzw. im internationalen Sprachraum überwiegend V (von Voltage). Das Formelzeichen für das Potential ist E (Elektromotorische Kraft). Die Einheit ist das Volt, benannt nach Alessandro Volta.

Allgemeines

Wenn das elektrische Feld ein Potentialfeld ist (vgl. konservatives System), so ist die Arbeit, die auf dem Weg zwischen zwei Orten an einer Ladung verrichtet wird, wegunabhängig. Hieraus folgt, dass die elektrische Spannung zwischen diesen Orten eindeutig als die Differenz der jeweiligen Potentiale definiert ist. Deshalb wird die elektrische Spannung häufig auch Potentialdifferenz oder Galvanispannung U = Δ $\phi$ = $\phi _{1}-\phi _{2}$ genannt. Somit könnte das Formelzeichen U für Unterschied stehen. U soll jedoch von urgere (treiben) kommen. Eine positive Spannung zeigt somit immer vom Ort höheren Potentials zum Ort niedrigeren Potentials. Positive Ladungsträger bewegen sich also in Richtung der (positiven) Spannung, während negativ geladene Objekte sich einer positiven Spannung entgegen bewegen. Zu beachten ist aber, dass die Spannung eine skalare Größe darstellt; die in vielen Darstellungen verwendeten Spannungspfeile legen lediglich das Vorzeichen fest.

Wichtig für die eindeutige Definition der Spannung ist, dass das elektrische Feld ein Potentialfeld darstellt, also wirbelfrei ist. Das bedeutet, dass die Arbeit, die an einer Ladung auf einem geschlossenen Weg verrichtet wird, gleich null ist.

Um die Spannung zu messen, verwendet man einen Spannungsmesser, und um einen zeitlichen Spannungsverlauf aufzuzeichnen, benutzt man zum Beispiel ein Oszilloskop oder einen Schreiber.

Der Begriff der elektrischen Spannung ist direkt mit dem des elektrischen Stroms verknüpft: Wenn zwischen zwei Punkten eine elektrische Spannung herrscht, dann existiert stets auch ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf Ladungsträger bewirkt. Sind die Ladungsträger frei beweglich, wie z. B. in einem elektrischen Leiter, so bewirkt eine Spannung, dass die Ladungsträger in Bewegung gesetzt werden und ein elektrischer Strom zu fließen beginnt.

Auf "natürliche" Weise entsteht elektrische Spannung zum Beispiel bei den Vorgängen der Reibungselektrizität, bei Gewittern und bei Redoxreaktionen. Zur technischen Nutzung werden Spannungen meist durch elektromagnetische Induktion sowie durch Elektrochemie erzeugt.

Die Bezeichnung "Stromspannung" ist fachlich inkorrekt und sollte bei eindeutigem Zusammenhang durch "Spannung" und sonst durch "elektrische Spannung" bzw. "Netzspannung" ersetzt werden. Der Begriff "Stromspannung" wird in der Umgangssprache, in Reiseprospekten, in Gutachten von Rechtsanwälten, in Wirtschaft und Politik von Technik-Laien verwendet und bedeutet das gleiche, hat aber in der Physik nichts zu suchen.

Formeln

\mathrm {Spannung\ (gegen\ Potential\ Null)} ={\frac {\mathrm {Potentielle\ Energie} }{\mathrm {Ladung} }}\qquad

bzw.

\qquad U={\frac {W}{Q}}

\mathrm {Spannung} =\mathrm {Widerstand} \cdot \mathrm {Stromst{\ddot {a}}rke} \qquad

bzw.

\qquad U=R\cdot I

\mathrm {Spannung} ={\frac {\mathrm {Leistung} }{\mathrm {Stromst{\ddot {a}}rke} }}\qquad

bzw.

\qquad U={\frac {P}{I}}

In der Potentialschreibweise auch:

U=\Delta \phi =\;\phi _{2}-\phi _{1}\qquad \qquad

im radialen Feld einer Punktladung gilt:

\qquad \phi ={\frac {Q}{4\pi \varepsilon _{0}r}}

Siehe auch

Ohmsches Gesetz, Coulombsches Gesetz, Leistung, Stromstärke, Widerstand, Ladung, Arbeit

Gefahrenhinweis

Ab ca. 42 Volt ist Spannung für den Menschen gefährlich, weil der Übergang von der Haut zum Körperinneren überwunden wird und die Leitfähigkeit des menschlichen Körpers erheblich zunimmt. Doch nicht die Spannung (U), sondern die Stromstärke (I) ist für einen tödlichen Schlag verantwortlich. Da sich jedoch mit der Spannung auch der fließende Strom erhöht gilt: Je höher die Spannung umso gefährlicher! Schon eine Stromstärke von 50 mA kann tödlich sein.

Die Schädigung bei höheren Strömen erfolgt durch Verbrennung des Gewebes. Die Gefährlichkeit kleiner Wechselströme rührt von der Gefahr des Herzkammerflimmerns: Die Herzmuskulatur wird mit der Frequenz des Wechelstroms angeregt (50 Schläge pro Sekunde!), sodass ein Versagen eintritt. Bei Gleichstrom erfolgt dagegen eine Verkrampfung von Arm- bzw. Beinmuskulatur, die ein gewolltes Unterbrechen des Stromflusses verhindert.

Zu beachten ist auch, dass auch bei „ungefährlichen“ Spannungen schwere Unfälle durch Verbrennung erfolgen können, wenn metallischer Körperschmuck (Fingerring, Arm- oder Halsketten) z.B. zwischen die Pole einer Kfz-Batterie gerät.

Begriffe der Wechselspannungstechnik

Effektivspannung

ist die Spannung, die in einem ohmschen Widerstand die gleiche Leistung hervorruft wie eine Gleichspannung desselben Wertes (quadratischer Mittelwert). Dieses wird bei gleichgerichteten, geglätteten Schaltungen deutlich. Für die effektive Spannung ergibt sich bei sinusförmiger Wechselspannung mit der Scheitelspannung ${\hat {U}}$ :

\qquad U_{\rm {eff}}={\frac {\hat {U}}{\sqrt {2}}}

Bei Dreieckspannung:

\qquad U_{\rm {eff}}={\frac {\hat {U}}{\sqrt {3}}}

Bei Rechteckspannung fällt die Wurzel ganz weg:

\qquad U_{\rm {eff}}={\hat {U}}

Spitzenspannung

ist der Scheitelwert der Spannungsamplitude.

Bezeichnungen

Europäische Normen unterscheiden nach der Spannungshöhe drei Bereiche:

Übliche Spannungen

Zahlreiche Spannungsgrößen sind weit verbreitet und genormt, dazu gehören:

1,2 ... 2	V =	Monozelle (NiCd, NiMH, Alkali, AgZn)
8,4 ... 9,6	V =	Blockbatterie (6F22)
6, 12, 24, 42	V =	Bordnetz Auto (PKW alt, PKW aktuell, LKW, PKW in Planung)
24, 42	V ∼	Schutzkleinspannung bzw. Sicherheits-Kleinspannung, Spannungsgrenzwert für ungefährliche Berührung (24 V bei Spielzeug, 42 V allgemein (z.B. Werkzeugeinsatz innerhalb von Metallbehältern))
60	V =	analoge Telefonleitung
90	V	ISDN-Telefonleitung

100 ...125 200 ...250	V V	60 Hz, ( 400 Hz in Flugzeug-Bordnetzen ) Spannung zwischen Neutralleiter und Phasenleitung im 50 Hz Wechselstrom-Niederspannungsnetz (in Deutschland 230 V*)
175 ...200 350 ...435	V V	60 Hz Spannung zwischen zwei Phasenleitungen im Drehstrom- 50 Hz Niederspannungsnetz (in Deutschland 400 V* 50Hz)

15	kV	16 2/3 Hz Oberleitung der Eisenbahnen in Deutschland, Österreich und der Schweiz (u.a.)
25	kV	50 Hz Oberleitung der Eisenbahnen in Frankreich, Luxenburg, Dänemark (teilw.), (u.a.)
110, 220, 380	kV ∼	Hoch- und Höchstspannungsnetze*, Überlandleitung

Anmerkung: *Diese Spannungsnormen haben sich Geschichtlich praktisch nicht verändert, jedoch die Qualitätsansprüche der EVU. So fällt eine Spannung von z.B. 240V ± 5% in den alten Standardbereich von 220V −10 /+20%.

Andere Spannungsgrößen werden nur in ihrem eigenen Netz verwendet und sind nicht normativ festgelegt, beispielsweise:

500 ... 800	V =	Oberleitungen von Straßenbahnen
800 ... 3.000	V =	Oberleitungen von gleichstrombetriebenen Vollbahnen
6 ... 60	kV	Mittelspannungsnetze, Industrienetze
100 ... 1.000	kV =	Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen

Spannungsbezeichnungen

Auf Schaltplänen und in Datenblättern findet man die unterschiedlichsten Spannungsbezeichnungen. Doch was ist mit VDDQ, Vcore, VGPU usw. eigentlich gemeint?

Spannungsbezeichnungen die man in fast allen Schaltplänen findet sind beispielsweise die folgenden:

VCC VDD VSS VEE

Die Index-Buchstaben (oft tiefergestellt oder zumindest in kleinerer Schriftgrösse dargestellt) d,c,e und s entstanden dabei aus den Namen der Terminals (Anschlüsse) eines Transistors (beispielsweise MOSFET) nämlich: Drain, Collector, Emitter und Source.

Doch wieso nimmt man oftmals quasi eine doppelte Indizierung vor? Warum nicht Vc anstatt Vcc? Das ist in den meisten Fällen ganz einfach eine Pluralbildung, d.h. quasi eine Verallgemeinerung. Es handelt sich also nicht um die Spannung an einem einzelnen bestimmten Bauteilepin, sondern z.B. Vcc meinte ursprünglich die Collector-Spannungen an mehreren Bauteilen. Absolute Unterscheidungen dieser Spannungsbezeichnungen sind seit dem abwechselnden/gleichzeitigen Einsatz von TTL- (Transistor Transistor Logic) und CMOS-Logik verwischt worden.

Hier einige der gängigsten Bezeichnungen im Überblick:
VB     = Spannung an der Basis
VBB   = Verbindung der Bulks (Wannen) der MOSFETs, meist -5V, also NICHT die Spannung an den Basis-Pins mehrerer Transistoren!
VBAT   = Batteriespannung
VBE    = Spannung zwischen Basis und Emitter bei Bipolartransistoren
VC       = ist die Spannung am Collektor eines bipolaren Transistors
VCC    = Pluralbildung: Spannung an den Collektoren, bei bipolaren ICs positive Versorgungsspannung
VCE    = Spannung zwischen Collektor und Emitter bei Bipolartransistoren
VCEsat = Spannung zwischen C und E im Sättigungszustand des Transistors
Vcore    = die Spannungsversorgung für die "wichtigen" Chips wie CPU oder GPU
VD = Spannung am Drain eines MOSFETs VDS = Spannung zwischen Drain und Source bei MOSFETs
VDD    = positive Versorgungsspannung von MOS Schaltkreisen (quasi die Stelle an der viele "Drains" der NMOSFETs hängen)
VDDQ    = Die Spannungsversorgung für Ausgangsbuffer eines Speicherchips
VE    = Spannung am Emitter
VEE    = Spannung an den Emittern, negative Versorgungsspannung z.B. bei ECL ICs
VG = Spannung am Gate
VGS = Spannung zwischen Gate und Source bei MOSFETs
VIN = Eingangsspannung
VMEM = Die Spannungsversorgung für einen "MEMory Chip"/Speicherbaustein, manchmal auch: VDDR, VDIMM oder ähnlich
VOUT = Ausgangsspannung
VS = Spannung am Source
VSS = negative Versorgungsspannung von MOS Schaltkreisen, oft identisch mit GND
VPP = Spannungsdifferenz zwischen positiver und negativer Spitzenspannung (Peak to Peak), aber auch Programmierspannung bei (E)EPROMs
VREF = Referenzspannung
VTT = Verbindung der Abschlusswiderstände (Terminatoren)

Darüberhinaus gibt es noch allgemeinere Bezeichnungen für positive und negative Versorgungsspannungen, wie z.B.:
V+ = positive Versorgungsspannung (sagt nichts über die Spannungshöhe aus!)
V++ = positive Versorgungsspannung (sagt nichts über die Spannungshöhe aus!)
V- = negative Versorgungsspannung
V-- = negative Versorgungsspannung
GND = negative Versorgungsspannung
CGND = negative Versorgungsspannung, meist im Sinn von "Chassis-Ground" - also normalerweise mit dem Gehäuse verbunden
SGND = negative Versorgungsspannung, meist im Sinn von "Signal-Ground" - oft für negative Spannungslevel in analogen
Schaltungsteilen verwendet (z.B. Audio)
usw.

Das große Problem bei dieser Namensvergabe ist: Es handelt sich hierbei lediglich immer nur um Namen, keinesfalls um verbindlichen Konventionen oder Normen. Bei der Vergabe solcher Namen im Schaltplandesign sollte man also stets große Sorgfalt walten lassen, und nur dann neue oder zusätzliche Namen einführen, wenn die betreffende Versorgungsspannung tatsächlich physikalisch von anderen in der Schaltung befindlichen Spannungen entkoppelt ist (beispielsweise über eine Drosselspule), und wenn sie an mehreren Bauteilepins Verwendung findet.

Weblinks