Gleichspannung versorgt die elektronischen Geräte, die wir täglich nutzen, mit Strom. Sie überträgt Strom konstant in eine Richtung. Das Unicode-Zeichen „⎓“ oder eine gerade Linie steht für Gleichspannung. Gleichspannung ist aufgrund ihres gleichmäßigen, einseitigen Flusses ein wesentlicher Bestandteil der Stromversorgung moderner Elektronik. Während die Wechselspannung regelmäßig schwankt, bleibt die Gleichspannung konstant. Auf Messgeräten ist Gleichspannung leicht an dem charakteristischen „V“-Symbol mit einer gestrichelten Linie darüber zu erkennen. Von Solarzellen über Batterien bis hin zu elektronischen Geräten ist diese zuverlässige Stromquelle für Stromversorgungssysteme aller Art unverzichtbar.
Wir betrachten die Symbole für Gleichspannung, ihre praktische Anwendung und die geeigneten Messmethoden mit verschiedenen Instrumenten. So können Sie besser verstehen, wie diese Symbole verwendet werden.
Was sind Gleichspannung und DC Power?
Gleichspannung erzeugt elektrische Kapazität mit konstanter Polarität, die elektrische Ladungen in eine Richtung fließen lässt. Dieser stabile Strom unterscheidet ihn von Wechselspannung, die regelmäßig Richtung und Polarität ändert.
Manchmal stellt sich die Frage: Was bedeutet DC in einem Text? Die Buchstaben „DC“ in der Spannungsangabe stehen für „DC“ oder „kontinuierliche Polarität“ und deuten darauf hin, dass die elektrische Ladung kontinuierlich in die gleiche Richtung vom Plus- zum Minuspol fließt. Die Gleichspannung behält ihre Polarität bei, wobei die Größe stabil bleiben (kontinuierliche Dick-Spannung) oder sich im Laufe der Zeit ändern kann (variable Dick-Spannung).
Zu den üblichen Gleichspannungsquellen gehören:
● Batterie und Zellen (chemische Energiegewinnung)
● Solarpanel (Photovoltaik-Umwandlung)
● Gleichstromgenerator
● Verbesserte Stromversorgung
Wir können die Gleichleistung nicht direkt messen, da in den Multimetersymbolen kein Leistungssymbol vorhanden ist. Um die Gleichleistung zu ermitteln, messen wir die Gleichspannung und den Gleichstrom und berechnen sie anschließend mit der Formel. Die Gleichleistung misst die in einem bestimmten Zeitraum geleistete elektrische Arbeit. Die Formel zur Berechnung lautet: in Watt (W)
Leistung (P) = Spannung (V) × Strom (I)
Diese Beziehung zeigt, dass weder Spannung noch Stromstärke allein die Leistung bestimmen – sie wirken zusammen. Ein Stromkreis mit hoher Spannung und niedriger Stromstärke kann die gleiche Leistung übertragen wie einer mit niedriger Spannung und hoher Stromstärke.
Gleichspannung und -strom bieten viele Vorteile. Gleichspannung kann in Batterien, Kondensatoren und anderen Geräten gespeichert werden. Die Gleichstromversorgung liefert eine stabile, geregelte Ausgangsspannung, die auch bei empfindlichen elektronischen Bauteilen gut funktioniert. Diese Eigenschaften machen Gleichspannung besonders wertvoll für tragbare elektronische Geräte wie Laptops und Mobiltelefone.
Während Wechselstrom in elektrischen Systemen im Haushalt nach wie vor Standard ist, verwenden die meisten elektronischen Geräte Gleichstrom. Dies erfordert die Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung über Gleichrichter und Filter, um eine geregelte Gleichspannung zu erzeugen. Computer und Fernseher benötigen daher Netzteile.
Ingenieure messen Gleichspannung. Diese Geräte liefern zwar genaue Messwerte, können aber die schnellen Spannungsschwankungen, sogenannte „Wellen“, übersehen, die durch den Austausch von Reglern zu Gleichspannung führen können. Ingenieure nutzen dieses Gesetz in der Praxis, um Strom-, Widerstands- und Spannungsverhältnisse im Stromkreis zu bestimmen.
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Anwendungen von DC-Spannung
Gleichspannung überträgt unsere Welt von kleinsten elektronischen Geräten bis hin zu industriellen Massensystemen. Der stabile Strom in Bezug auf Stabilität und Zuverlässigkeit macht ihn unwiderruflich. Moderne Gebäude benötigen Gleichstrom für den Betrieb von mehr als 70 % ihrer Geräte. Laptops, Smartphones, Taschenlampen und batteriebetriebene Geräte werden alle mit Gleichstrom betrieben. Sie können bis zu 20 % Energie sparen, indem Sie Gleichstrom für die Gleichstromumwandlung verwenden.
Gleichspannungssysteme bilden das Rückgrat der Automobilindustrie. Die meisten Autobahnen nutzen 12-V-Systeme, während dieselbetriebene Lkw und landwirtschaftliche Geräte mit 24-V-Systemen arbeiten. Elektrofahrzeuge (EV) nutzen zwei Gleichstromsysteme: ein 12-V-System für wichtige Aufgaben und ein Hochspannungssystem (300–400 V), das die Hauptmotoren mit Strom versorgt.
Die Telekommunikationswelt läuft mit Gleichstrom. Telefonzentralen verwenden üblicherweise eine 48-V-Gleichstromversorgung. Diese Konfiguration trägt zur Aufrechterhaltung von Telefonleitungen und Kommunikationsnetzen mit besseren Backup-Optionen bei. Rechenzentren sind zu den Hauptverbrauchern von Gleichstrom geworden. Die Umstellung von Wechselstrom auf Gleichstrom hilft den Betreibern, Kühlkosten zu senken und das Backup-System effizienter zu betreiben. Diese Verbesserung ist von Bedeutung, da Rechenzentren etwa 4 % des weltweiten Strombedarfs verbrauchen.
Gleichspannung macht die Produktion präziser und effizienter. Gleichstrommotoren bieten eine bessere Steuerung als ihre Wechselstrom-Kollegen. Mercedes-Benz sparte Energie, indem es seine Aluminium-Schweißroboter an das Gleichstromnetz anschloss. Erneuerbare Energien sind natürlich mit Spannung verbunden. Solarmodule erzeugen Gleichstrom direkt. Windkraftanlagen und andere grüne Energiequellen erzeugen ebenfalls Gleichstrom, der ohne direkte Umwandlung in die Batterie eingespeist wird. Gleichspannung ist daher der Schlüssel zur Entwicklung grüner Energien.
Krankenhäuser sind auf das Gleichstromnetz angewiesen, damit wichtige Geräte auch bei Stromausfällen betrieben werden können. Viele Gewerbegebäude nutzen mittlerweile Gleichstromverteilungssysteme zur Versorgung von LED-Beleuchtung, HLK-Anlagen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge.
Gleichspannungssymbol
Elektrische Symbole dienen als universelle Sprache zur Darstellung von Gleichspannung in Schaltkreisen und Diagrammen. Ingenieure und Techniker können mit diesen Symbolen trotz Sprachbarrieren kommunizieren. Das standardisierte Gleichspannungssymbol gibt es je nach Referenz in verschiedenen Formen.
Offizielles Unicode-Zeichen. Viele elektronische Geräte verwenden dieses Symbol zur Anzeige von Gleichstromein- oder -ausgang. Die Norm IEC 60417 der Internationalen Elektrischen Kommission (IEC) hat dieses Symbol offiziell anerkannt. Diese Bewertung ist auf den Schildern angegeben und identifiziert den entsprechenden Anschluss. U +2393 steht für „⎓“ (Gleichheit).
Schaltpläne zeigen Gleichspannungsquellen auf verschiedene Weise:
1. Batteriesymbol – Parallele Linien unterschiedlicher Länge bilden die gängigste Darstellung. Die längere Linie markiert den Pluspol, die kürzere den Minuspol. Reihenschaltungen von Zellen in der Batterie werden als mehrere Linienpaare dargestellt.
2. Symbol der Gleichstromquelle – Ein Kreis mit Plus- und Minuszeichen zeigt die Polaritätsrichtung an. In einigen Diagrammen wird stattdessen eine einfache gerade Linie verwendet.
Um die Gleichstromversorgung anzuzeigen, fügen die Ingenieure einen diagonalen Pfeil hinzu, der durch das Standardsymbol nach Nordosten zeigt.
Messgeräte und Multimeter zeigen Gleichspannung anhand bestimmter Methoden an. Eine gepunktete Linie mit einem durchgezogenen Strich über dem „V“ kennzeichnet die Gleichspannung. Manche Geräte zeigen nur „DC“ an oder verwenden eine horizontale Linie. Die Wechselspannung wird als „AC“ oder als Wellenlinie dargestellt.
Die Polarität des Gleichspannungssymbols spielt eine wichtige Rolle bei der Anzeige der Stromflussrichtung. Positive Teilspannung bedeutet, dass die Ladung von der Lade- zur Negativelektrode fließt. Negative Gleichspannung spiegelt den umgekehrten Weg wider.
Die Spannung (V) stellt in technischen Dokumenten die in Form von Ladung gespeicherte potentielle Energie der Stromversorgung dar. Die Spannung zwischen den beiden Schaltungspunkten bildet eine „Potenzialdifferenz“ oder einen „Spannungsabfall“.
Elektrische Mess- und Messeinheiten erfordern ein fundiertes Verständnis dieser Symbole. Standardisierte Gleichspannungssymbole helfen, Fehler bei der Schaltungskonstruktion zu vermeiden. Sie ermöglichen eine klare technische Kommunikation zwischen Elektroingenieuren weltweit.
Wie ist DC-Spannung Vertreten auf Multimeters?
Digitalmultimeter bieten die perfekte Möglichkeit, Gleichspannung präzise und sicher zu messen. Die Symbole für Gleichspannung unterscheiden sich von komplexen Schaltplänen. Diese Geräte verwenden spezifische Bezeichnungen, die Spannungseinstellungen und -werte angeben.
Bei den meisten Multimetern wird das Gleichspannungssymbol als V mit einem geraden Strich darüber oder als V⎓ über dem Ohm-Symbol angezeigt, das ebenfalls zu den Multimetersymbolen gehört. Einige Anzeigen zeigen direkt nach dem Ohm-Symbol ein V mit einem gepunkteten und einem durchgezogenen Strich darüber, um es von der Wellenlinie der Wechselspannung zu unterscheiden. DCV oder ähnliche Abkürzungen erscheinen häufig bei älteren Modellen.
Bei richtiger Einstellung liefert Ihr Multimeter genaue Gleichspannungswerte:
1. Drehen Sie den Wahlschalter auf die Position Gleichspannung
2. Wählen Sie die Gleichspannungsoption bei Multimetern mit automatischer Bereichswahl
3. Bei manuellen Modellen muss zuerst die höchste Spannungseinstellung vorgenommen und dann nach unten korrigiert werden
Genaue Messwerte hängen von den korrekten Sondenanschlüssen hinter den Multimetersymbolen ab. Die schwarze Sonde wird in den COM-Anschluss (Common) gesteckt, die rote Sonde in den Anschluss mit der Bezeichnung V, VΩmA oder dem Spannungssymbol. Viele Benutzer stecken Sonden fälschlicherweise in Stromanschlüsse statt in Spannungsanschlüsse.
Die Platzierung der Prüfspitze beeinflusst Ihre Messwerte erheblich. Gleichstrom fließt in eine Richtung, daher hat jedes Bauteil positive und negative Enden. Die rote Prüfspitze gehört an den Pluspol, die schwarze an den Minuspol. Ihre Messwerte zeigen eine negative Spannung an. Tauschen Sie einfach die Prüfspitzenpositionen.
Der richtige Spannungsbereich ist entscheidend für die Genauigkeit. Für eine 12-V-Batteriemessung ist die Einstellung 20 V erforderlich. Der 2-V-Bereich misst bis zu 2 Volt, während der 20-V-Bereich bis zu 20 Volt misst. Hohe Bereiche verringern die Genauigkeit, und niedrige Bereiche lösen eine „OL“-Anzeige (Over Limit) aus.
Auf dem Display Ihres Multimeters wird die Messung mit dem Symbol „DC V“ angezeigt, das für Gleichspannung steht. Digitale Multimeter zeigen exakte Zahlenwerte an, im Gegensatz zu analogen Messgeräten, bei denen Sie die Position der Nadel auf der Skala ablesen.
Gleichspannung vs. Wechselspannung
Die grundlegenden Unterschiede zwischen Gleich- und Wechselspannung erklären, warum für jede Art elektrischer Energie spezifische Symbole verwendet werden.
Der Hauptunterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom liegt in der Stromrichtung. Der Strom bei Gleichspannung fließt kontinuierlich in eine Richtung vom Pluspol zum Minuspol, ähnlich wie in einem Fluss. Wechselspannung hingegen wechselt von Zeit zu Zeit die Richtung und bildet eine sinusförmige Welle, die wahlweise zwischen Plus- und Minuspol wechselt.
Diese Muster werden in Diagrammen deutlich. Betrachtet man das Symbol für Gleich- und Wechselspannung, so wird Gleichspannung als gerade Linie dargestellt, während Wechselspannung ein wellenförmiges Muster bildet. Die Symbole spiegeln diese Eigenschaften wider: Gleichspannung wird durch eine gerade Linie (⎓) und Wechselspannung durch eine Wellenlinie (~) dargestellt.
Gleichspannung hat eine Frequenz von null, da ihre Richtung konstant bleibt. Wechselspannung arbeitet je nach regionalen Standards mit 50–60 Hz, was bedeutet, dass sie pro Sekunde 50–60 Mal die Richtung wechselt.
Jeder Spannungstyp dient basierend auf seinen Eigenschaften einzigartigen Zwecken:
Vorteile der Gleichspannung:
● Liefert die stabile Stromversorgung, die elektronische Geräte benötigen
● Speicherfähigkeit in Batterien und Kondensatoren
● Keine Blindleistungsverluste
● Besser geeignet für kleinere Unterhaltungselektronik
Vorteile der Wechselspannung:
● Einfache Spannungspegelumwandlung durch Transformatoren
● Höhere Effizienz bei der Fernübertragung
● Sichere Unterbrechung durch periodische Nullspannungspunkte
● Standardstromversorgungssysteme in Haushalten
Die meisten elektronischen Geräte wie Computer, Telefone und Fernseher benötigen trotz ihrer Wechselstromanschlüsse intern Gleichspannung. Netzteile an Gerätekabeln enthalten sperrige Blöcke, die Haushaltswechselstrom über Gleichrichter in Gleichstrom umwandeln.
Die Kenntnis dieser Unterschiede ist für jeden, der mit elektrischen Systemen arbeitet, von entscheidender Bedeutung, insbesondere beim Lesen von Schaltplänen, in denen die einzelnen Spannungsquellen durch spezifische Symbole dargestellt werden.
Wie man reduziert DC-Spannung
Bei der Reduzierung der Gleichspannung müssen Sie zwischen Effizienz und Einfachheit wählen. Je nach Bedarf und technischen Möglichkeiten stehen Ihnen verschiedene Methoden zur Verfügung.
Stromspannung Zirkel sind der schnellste Weg, Gleichspannung zu reduzieren. Zwei in Reihe geschaltete Widerstände ermöglichen die Spannungsabnahme an ihrem Verbindungspunkt. Mit Widerständen mit ähnlichem Wert halbiert sich die Eingangsspannung. Um ein Viertel der Spannung zu erreichen, muss der obere Widerstand dreimal so groß wie der untere sein. Trotzdem fließt der Strom durch die Widerstände direkt zur Erde und verschwendet Energie. Daher ist dies eine schlechte Wahl für batteriebetriebene Geräte.
Linear Spannung Regulatoren sind eine Methode, die Gleichspannung zu reduzieren und so eine stabilere Ausgangsspannung zu erreichen. Beliebte Optionen sind einstellbare Regler und Optionen mit fester Ausgangsleistung wie der 7805. Diese Bauteile gewährleisten eine konstante Ausgangsleistung unabhängig von der Laständerung. Sie wandeln überschüssige Spannung in Wärme um, was bei einer großen Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ungünstig ist.
Abwärtswandler (Abwärtswandler) sind die effizienteste Option. Diese Schaltregler nutzen Induktivitäten und Kondensatoren, um Hochspannung in Niederspannung umzuwandeln und dabei nur minimalen Energieverlust zu verursachen. Sie sind zwar zunächst schwieriger einzurichten, sparen aber letztendlich Batterielebensdauer und erzeugen weniger Wärme. Dies ermöglicht kleinere Gerätedesigns.
Dioden In Reihe geschaltete Dioden können in bestimmten Fällen bei geringen Spannungsabfällen funktionieren. Siliziumdioden senken die Spannung um etwa 0.7 V, Schottky-Dioden um etwa 0.3 V. Dieser einfache Ansatz eignet sich gut für Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch, ermöglicht aber keine präzise Regelung.
Folgendes sollten Sie bei der Auswahl einer Methode zur Spannungsreduzierung beachten:
● Strombedarf (Milliampere vs. Ampere)
● Wichtigkeit der Akkulaufzeit
● Wärmemanagementfähigkeit
● Wie präzise die Regulierung sein muss
● Platzbeschränkungen
Moderne elektronische Geräte verwenden meist Abwärtswandler, da diese besser funktionieren. Sie sind besonders nützlich, wenn Teile mit Strom versorgt werden, die viel Strom aus Batterien oder begrenzten Stromquellen beziehen.
Wie zum Step-up Gleichspannung?
Aufwärtswandler bieten eine leistungsstarke Lösung für elektronische Designs, die höhere Gleichspannungspegel benötigen. Diese speziellen DC/DC-Wandler erhöhen die Spannung und verringern gleichzeitig den Strom, wodurch die Gesamtenergieeinsparung erhalten bleibt.
Aufwärtswandler (auch Boost-Wandler genannt) arbeiten mit einem schnellen und effizienten Energieübertragungsprozess. Der Prozess beginnt mit der Speicherung von Energie in einer Induktivität beim Schließen des elektronischen Schalters. Die gespeicherte Energie gelangt nach dem Öffnen des Schalters über eine Diode zur Last. Dieser einfache zweistufige Betrieb ermöglicht eine Spannungserhöhung durch Änderung des Tastverhältnisses.
Die Eingangs- und Ausgangsspannung folgen dieser Formel:
Vout = Vin / (1-D)
D steht für den Tastgrad – die prozentuale Zeitspanne, in der der Schalter eingeschaltet bleibt. Die Ausgangsspannung steigt theoretisch stark an, wenn sich der Tastgrad 1 nähert. In realen Schaltungen mit Tastgraden über 90 % kann es jedoch aufgrund von Bauteilgrenzen zu einem Spannungsabfall kommen.
Aufwärtswandler glänzen durch ihre bemerkenswerte Effizienz. Einige Designs erreichen diese. Nahezu die gesamte Eingangsenergie wird mit minimalem Verlust in nutzbare Ausgangsenergie umgewandelt. Batteriebetriebene Geräte profitieren stark von dieser Effizienz, da sie jede Energiemenge mit einer Effizienz von bis zu 99 % speichern müssen.
Viele Anwendungen im Alltag werden durch Aufwärtswandler angetrieben. Der Toyota Prius nutzt Aufwärtswandler, um die Batteriespannung zu erhöhen. Das ist ein großer Vorteil, denn dadurch sinkt die Anzahl der benötigten Batteriezellen von 417 auf nur noch 168. Weiße LED-Lampen mit 1.5-V-Alkalibatterien benötigen ebenfalls Aufwärtswandler, um die für die Lichtemission benötigten 3.3 V zu erreichen.
Diese alternativen Aufwärtstechniken gehen über Standard-Aufwärtswandler hinaus:
● Geschaltete Kondensatoren (Ladungspumpen)
● Geschaltete Induktivität und Spannungsanhebung
● Magnetkupplung
● Spannungsvervielfacherzellen
Photovoltaikanlagen nutzen spezielle Spannungsanhebungs-Aufwärtswandler, um die Stromqualität und die Systemleistung zu verbessern. Diese Wandler erweitern das traditionelle Aufwärtswandler-Design um strategische passive Komponenten wie Dioden, Induktivitäten und Kondensatoren. Elektromagnetische Emissionen bleiben das größte Problem bei Aufwärtswandlern. Entwickler müssen daher geeignete Filterlösungen integrieren, um dieses Problem zu lösen.
