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elektrische_spannung

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elektrische_spannung [2006/11/25 16:48] (aktuell)
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 +^**Artikel aus der [[Kategorien|Kategorie]]:​ [[Elektrik]]**^
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 +====== Elektrische Spannung ======
 +**Artikel aus http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Elektrische_Spannung**
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 +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 E (Verwechslungsgefahr mit Feldstärke) oder V. Die Einheit ist das Volt, benannt nach Alessandro Volta.
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 +===== 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 φ = φ1 − φ2 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.
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 +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.
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 +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.
 +[Bearbeiten]
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 +===== Formeln =====
 +----
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 +    \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 arke} \qquad bzw. \qquad U = R \cdot I
 +
 +    \mathrm{Spannung} = \frac{\mathrm{Leistung}}{\mathrm{Stromst\ddot arke}} \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_0r}
 +
 +Siehe auch
 +
 +    * [[Ohmsches Gesetz]], Coulombsches Gesetz, [[Leistung]],​ [[Stromstärke]],​ [[Widerstand]],​ [[Ladung]], [[Arbeit]]
 +
 +===== Gefahrenhinweis =====
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 +
 +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 hoheren 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 Stromfusses verhindert.
 +
 +Zu Beachten ist auch das 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 Werts (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:
 +
 +    * Kleinspannung
 +    * Niederspannung
 +    * Hochspannung
 +
 +
 +== 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
 +[Bearbeiten]
 +
 +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 Schlatplänen 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 (zB.: 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.
 +
 +Achtung! Diese Liste ist weder vollständig noch verbindlich,​ und das aus folgendem Grund. 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/​zusätzliche Namen einführen, wenn die betreffende Versorgungsspannung tatsächlich physikalisch von anderen in der Schaltung befindlichen Spannungen entkoppelt ist (z.B. über eine Drosselspule),​ UND wenn sie an mehreren Bauteilepins verwendung findet!
  
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