Unsere Welt ist aus Atomen aufgebaut. Diese bestehen aus Atomkernen und Elektronen. Elektronen haben eine negative Ladung, Atomkerne eine positive. Dies ist von Menschen vor langer Zeit einmal so definiert worden. Beide, Elektronen und Atomkerne, stehen in einem bestimmten Mengenverhältnis zueinander, und zwar so, daß sich ihre Ladungen genau ausgleichen.
Nun kommt es vor, daß sich an einem Ort zu viele Elektronen befinden, und an einem anderen Ort entsprechend zu wenige. Daher versuchen sie sich auszugleichen. Die Kraft, die hierbei (oder: hierzu) entsteht, nennt man elektrische Spannung.
Um diesen Zustand besser zu beschreiben, muß der schon so oft zitierte Vergleich mit Wasser herhalten:
Elektrische Spannung kann man am besten mit dem Wasserdruck in einer Wasserleitung vergleichen. In beiden Fällen ist damit die treibende Ursache gemeint, damit Wasser oder Strom fließen.
Spannung wird in Volt (V) gemessen.
Eine Batteriezelle hat z.B. 1,5 V, unsere Modelleisenbahn fährt mit etwa 12 bis 15 V. Die maximal erlaubte 'Kleinspannung' beträgt lt. Gesetz 42 V, Spannungen darüber sind lebensgefährlich. An den Steckdosen in unseren Haushalten sind 230 V gebräuchlich.
Spannungsquellen kann man hintereinander (= in Reihe) schalten. Dann addieren sich ihre Spannungen. Am einfachsten sieht man das bei einem Akku-Pack.
Was ist Gleichspannung?
Gleichspannung bedeutet, daß die Spannung über die Zeit (wir reden hier über Sekundenbruchteile) immer die gleiche Polarität hat, diese also nicht wechselt (also immer schön positiv bezw. negativ ist). Gleichspannungsquellen sind z.B. Batterien oder Akkus.
Gleichspannung wird benötigt in den meisten elektronischen Schaltungen, also auch in Radios oder Fernsehern, auch Computer benötigen sie.
Transformatoren vertragen keine Gleichspannung; sie können sie nicht übertragen und würden ohne weitere Vorkehrungen (z.B. Widerstände) von ihr zerstört.
Was ist Wechselspannung?
Wechselspannung ändert mehrmals pro Sekunde ihre Polarität; darum heißt sie auch so. Dies
kann man nicht mehr anschaulich mit einem Wasserschlauch vergleichen.Die Anzahl der Polaritätswechsel (= Perioden) pro Sekunde (also einmal hin und wieder zurück) wird mit Frequenz bezeichnet und in Hertz (Hz) angegeben. Der Wechselstrom in unserer Steckdose hat genau 50 Hz. Diese Frequenz ist so exakt, daß auch Uhren damit betrieben werden können. Diese zählen die Perioden der Spannung und schalten nach 50 Wiederholungen um 1 Sekunde weiter.
In der Zeichnung sind 2 Perioden angegeben. Bei 50 Hz ist also jede Periode 1/50 Sekunde (= 20 ms) lang.
Bei vielen Eisenbahngesellschaften sind für den Betrieb der elektrischen Lokomotiven 15000 V mit einer Frequenz von 16 2/3 Hz üblich; das ist genau 1/3 von 50 Hz.
Die Generatoren in den Kraftwerken sind am einfachsten für die Produktion von Wechselspannung zu konstruieren. Transformatoren benötigen unbedingt Wechselspannung, um ihre Aufgabe, eine Spannung von einer Höhe (z.B. 230 V) in eine andere (z.B. 24 V) umzuwandeln, erfüllen zu können.
Wechselspannungen sind für Elektroniken nur im Ausnahmefall zu gebrauchen. Auch eine einfache Leuchtdiode ist schon eine Elektronik.
Im Bild weiter oben haben wir eine sinusförmige Wechselspannung dargestellt, so wie sie aus unseren Steckdosen
kommt. Aber für die Bezeichnung 'Wechselspannung' ist auch jede andere Kurvenform erlaubt, z.B.
rechteckförmig oder dreieckig, s. nebenstehende Bilder. Wie Sie leicht erkennen können, haben wir sie
für 50 Hz bemaßt.
Effektivwert einer Wechselspannung
Der Effektivwert einer Wechselspannung ist der Wert, der bei einer Gleichspannung nötig wäre, um die
gleichen Effekte z.B. an einer Glühlampe (Helligkeit) zu erzeugen. Wie wir gesehen haben, schwankt der Wert
einer Wechselspannung zwischen einem Maximalwert (= Scheitelwert) und Null. Im Bereich um Null hat die
Wechselspannung natürlich keine Wirkung. Demnach muß der Scheitelwert (um diesen Nachteil auszugleichen)
größer sein als der Effektivwert. Bei sinusförmigem Verlauf ist der Scheitelwert 1,4-mal so hoch wie
der Effektivwert, genau: √2 - mal. (Nebenbei: bei einer Rechteckspannung, so wie oben gezeichnet, ist der
Effektivwert genau so hoch wie der Maximalwert.)Wichtig ist die Scheitelspannung bei Gleichrichterschaltungen, weil dort die maximal erreichbare Gleichspannung etwa gleich der Scheitelspannung ist. Wechselspannungen werden normalerweise mit Effektivwert angegeben. In der untersten Zeichnung ist der Effektivwert der Wechselspannung maßstäblich (gestrichelt) in Blau eingezeichnet. Diese Linie ist nur gedanklich zu verstehen; sie stellt eine theoretische Rechengröße dar.
Schauen wir uns das Ganze von der anderen Seite aus an mit einem Beispiel:
Nehmen wir an, ich habe einen Transformator, auf dem '12 V' steht. Der Scheitelwert der Spannung ist also √2 - mal so hoch, knapp 17 Volt. So hoch wäre also auch der Maximalwert der Gleichspannung, die ich mit ihm produzieren könnte. (An etwaige 'Nietenzähler': Wir befinden uns hier bei 'Grundlagen' und nicht bei einer 'Bauanleitung'!)
Auch das noch: es gibt verschiedene Arten von Gleichspannungen
So verrückt es zunächst klingt: es gibt sie tatsächlich!
Sie haben sich sicher gewundert, warum wir die Gleichspannung weiter oben so 'verschwurbelt' beschrieben haben.
Lt. Definition ist eine Gleichspannung eine solche, deren Wert immer das gleiche Vorzeichen (z.B. +) hat. Wie gleichmäßig der Wert dieser Spannung über die Zeit ist, wird dabei nicht definiert.
Einmal gibt es Gleichspannungen, die z.B. von einer Batterie (oder einem Akku, aber auch von einem geregelten Netzgerät) zur Verfügung gestellt werden. Sie sind stets gleich hoch und haben keine Einbrüche.
Zum anderen gibt es Spannungen, die z.B. aus einem Eisenbahntrafo (u.a. Fleischmann, Roco, Trix, aber nicht
Märklin: dieser produziert Wechselspannung) kommt, ist eine gleichgerichtete Wechselspannung, s. Bild rechts.
Sie hat die Eigenart, daß sie mit der doppelten Netzfrequenz pulsiert und deshalb niemals die gleiche Höhe
hat. Mit ihr lassen sich sehr gut Gleichspannungs-Motoren, wie sie in der Modellbahn eingebaut sind (auch Faulhaber
& Co.), betreiben; also alles, was wesentlich 'träger' als dieses Wechseln ist. Jedoch haben Elektroniken (die
in ihrer Arbeitsgeschwindigkeit sehr viel schneller sind als dieses Pulsieren) mit ihr arge Probleme: da die
Spannung immer wieder auf Null sinkt, erkennen sie dieses und können, gerade weil sie so schnell sind,
in dieser Zeit nicht richtig funktionieren. Das hat aber zur Folge, daß eine elektronische Schaltung, die an
einer 'gleichen' (lassen Sie mich das mal so flapsig sagen) Gleichspannung getestet wurde und richtig lief, bei einer
Speisung durch einen 'Gleichstrom-Trafo' nicht funktionieren wird! Der 'normale' Modelleisenbahner steht dann
fassungslos davor; Sie jetzt natürlich nicht mehr!
Zwischen diesen beiden Extremen gibt es natürlich noch jede Art 'Mischmasch', die aber alle, da sie nur auf einer Seite der Null-Linie liegen, mit Gleichspannung bezeichnet werden. Siehe dazu auch den Beitrag Kondensatoren.
Wie stellt man denn nun eine Gleichspannung her?
Wenn man keine Batterie nehmen will, braucht man dazu einen Transformator, einen Gleichrichter, bestehend aus Dioden und einen Kondensator.
In den hier angegebenen Artikeln sind natürlich wieder nur Grundlagen beschrieben!
Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner