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elektrische_spannung [2006/11/25 16:48] (aktuell) |
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+ | ====== 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 ===== | ||
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+ | 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, | ||
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+ | 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. | ||
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+ | Auf " | ||
+ | [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} | ||
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+ | \mathrm{Spannung} = \mathrm{Widerstand} \cdot \mathrm{Stromst\ddot arke} \qquad bzw. \qquad U = R \cdot I | ||
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+ | \mathrm{Spannung} = \frac{\mathrm{Leistung}}{\mathrm{Stromst\ddot arke}} \qquad bzw. \qquad U = \frac{P}{I} | ||
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+ | In der Potentialschreibweise auch: | ||
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+ | U = \Delta \phi = \; \phi_2 - \phi_1 \qquad \qquad im radialen Feld einer Punktladung gilt:\qquad \phi = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_0r} | ||
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+ | Siehe auch | ||
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+ | * [[Ohmsches Gesetz]], Coulombsches Gesetz, [[Leistung]], | ||
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+ | ===== Gefahrenhinweis ===== | ||
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+ | Ab ca. 42 Volt ist Spannung für den Menschen gefährlich, | ||
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+ | Die Schädigung bei hoheren Strömen erfolgt durch Verbrennung des Gewebes. Die Gefährlichkeit kleiner Wechselströme rührt von der Gefahr des Herzkammerflimmerns: | ||
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+ | Zu Beachten ist auch das bei „ungefährlichen“ Spannungen schwere Unfälle durch Verbrennung erfolgen können, wenn metallischer Körperschmuck (Fingerring, | ||
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+ | === Begriffe der Wechselspannungstechnik === | ||
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+ | Effektivspannung | ||
+ | |||
+ | ist die Spannung, die in einem ohmschen [[Widerstand]] die gleiche Leistung hervorruft wie eine Gleichspannung desselben Werts (quadratischer Mittelwert). Dieses wird bei gleichgerichteten, | ||
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+ | \qquad U_{\rm eff} = \frac{\hat U}{\sqrt{2}} | ||
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+ | Bei Dreieckspannung: | ||
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+ | \qquad U_{\rm eff} = \frac{\hat U}{\sqrt{3}} | ||
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+ | Bei Rechteckspannung fällt die Wurzel ganz weg: | ||
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+ | \qquad U_{\rm eff} = {\hat U} | ||
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+ | Spitzenspannung | ||
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+ | ist der Scheitelwert der Spannungsamplitude. | ||
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+ | Bezeichnungen | ||
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+ | Europäische Normen unterscheiden nach der Spannungshöhe drei Bereiche: | ||
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+ | * Kleinspannung | ||
+ | * Niederspannung | ||
+ | * Hochspannung | ||
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+ | |||
+ | == Übliche Spannungen == | ||
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+ | Zahlreiche Spannungsgrößen sind weit verbreitet und genormt, dazu gehören: | ||
+ | 1,2 ... 2 V = | ||
+ | 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, | ||
+ | 60 V = analoge Telefonleitung | ||
+ | 90 V ISDN-Telefonleitung | ||
+ | |||
+ | 100 ...125 | ||
+ | 200 ...250 V | ||
+ | V 60 Hz, ( 400 Hz in Flugzeug-Bordnetzen ) | ||
+ | 50 Hz | ||
+ | 175 ...200 | ||
+ | 350 ...435 V | ||
+ | V 60 Hz Spannung zwischen zwei Phasenleitungen im Drehstrom- | ||
+ | 50 Hz Niederspannungsnetz (in Deutschland 400 V* 50Hz) | ||
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+ | 15 kV 16 2/3 Hz | ||
+ | 25 kV 50 Hz | ||
+ | 110, 220, 380 kV ∼ Hoch- und Höchstspannungsnetze*, | ||
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+ | 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%. | ||
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+ | 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, | ||
+ | 100 ... 1.000 kV = Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen | ||
+ | [Bearbeiten] | ||
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+ | Spannungsbezeichnungen | ||
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+ | 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 | ||
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+ | 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. | ||
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+ | 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, | ||
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+ | 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: | ||
+ | VCE = Spannung zwischen Collektor und Emitter bei Bipolartransistoren | ||
+ | VCEsat = Spannung zwischen C und E im Sättigungszustand des Transistors | ||
+ | Vcore = die Spannungsversorgung für die " | ||
+ | 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 " | ||
+ | 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 " | ||
+ | VOUT = Ausgangsspannung | ||
+ | VS = Spannung am Source | ||
+ | VSS = negative Versorgungsspannung von MOS Schaltkreisen, | ||
+ | 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, | ||
+ | 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, | ||
+ | SGND = negative Versorgungsspannung, | ||
+ | Schaltungsteilen verwendet (z.B. Audio) | ||
+ | usw. | ||
+ | |||
+ | Achtung! Diese Liste ist weder vollständig noch verbindlich, | ||
+ | Bei der Vergabe solcher Namen im Schaltplandesign sollte man also stets grosse Sorgfalt walten lassen, und nur dann neue/ | ||