Spannungsarten und Stromarten

Eine Batterie liefert etwas anderes als die Steckdose, und hinter einem Gleichrichter liegt wieder etwas Drittes an. Ob eine Spannung gleich bleibt, ihre Richtung wechselt oder beides mischt, entscheidet darüber, welche Bauteile du brauchst, wie du misst und welche Formeln gelten. Deshalb unterscheidet man Spannungen und Ströme nach ihrem Zeitverlauf.

Zeitverlauf als Kennzeichen

Trägst du die Spannung über der Zeit auf, erkennst du die Art sofort. Momentanwerte – also der Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt – schreibt man mit kleinen Buchstaben: u(t), i(t). Großbuchstaben (U, I) stehen für Gleichgrößen oder für feste Kennwerte wie den Effektivwert.

Die Abkürzungen stammen aus dem Englischen: direct current und alternating current. Sie werden für Spannung und Strom gleichermaßen benutzt – „12 V DC“ ist also eine Gleichspannung. Ursache und Wirkung bleiben dabei klar verteilt: Eine Gleichspannung liegt an und treibt einen Gleichstrom, eine Wechselspannung treibt einen Wechselstrom. Ob man von Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle spricht, meint im Alltag meist dasselbe.

Gleichspannung und Gleichstrom

Bei einer Gleichspannung bleiben Richtung und Betrag konstant. Der Strom fließt immer in dieselbe Richtung, vom Plus- zum Minuspol außerhalb der Quelle (siehe Stromkreis). Fast alle elektronischen Schaltungen arbeiten intern mit Gleichspannung: Mikrocontroller mit 3,3 V oder 5 V, Operationsverstärker mit ±12 V.

In der Praxis ist eine „Gleichspannung“ selten völlig glatt. Netzteile haben eine kleine Restwelligkeit (Ripple), Batterien verlieren beim Entladen langsam an Spannung. Solange diese Änderungen klein gegenüber dem Mittelwert sind, behandelt man die Spannung trotzdem als Gleichspannung.

Wechselspannung und Wechselstrom

Eine Wechselspannung wechselt periodisch ihre Polarität; ihr zeitlicher Mittelwert ist null. Die wichtigste Form ist die Sinusspannung des Stromnetzes mit 50 Hz und einem Effektivwert von 230 V. Ihr Scheitelwert liegt bei

Eine Wechselspannung ändert also ständig Betrag und Richtung. Sie lässt sich mit Transformatoren einfach umspannen – der Hauptgrund, warum Energieversorgungsnetze damit arbeiten: Über weite Strecken überträgt man die Energie mit Hochspannung und entsprechend kleinem Strom, damit die Leitungsverluste gering bleiben. Auch Rechteck- und Dreiecksignale mit Mittelwert null sind Wechselspannungen. Kenngrößen wie Frequenz, Periode und Effektivwert behandelt das Kapitel Wechselstrom und Wechselspannung.

Mischspannung und pulsierende Gleichspannung

Eine Mischspannung setzt sich aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil zusammen. Typisch ist ein Audiosignal am Ausgang eines Transistorverstärkers, das um einen Arbeitspunkt von einigen Volt schwankt. Auch bei der Modulation von Funksignalen entstehen solche Mischgrößen. Ist der Gleichanteil größer als der Scheitelwert des Wechselanteils, bleibt die Spannung immer auf einer Seite der Nulllinie; ist der Wechselanteil größer, wechselt sie zeitweise sogar die Polarität – eine Mischspannung bleibt es trotzdem, weil ihr Mittelwert nicht null ist. Mit einem Kondensator in Reihe trennst du den Gleichanteil ab – warum das funktioniert, erklärt Kondensator im Gleichstromkreis.

Ein Sonderfall ist die pulsierende Gleichspannung: Sie ändert ihren Betrag, aber nie ihre Richtung. Sie entsteht zum Beispiel hinter einem Brückengleichrichter, der die negativen Halbwellen der Netzspannung „hochklappt“. Ein Glättungskondensator macht daraus eine fast glatte Gleichspannung mit kleiner Restwelligkeit. Auch ein PWM-Signal zwischen 0 V und 5 V ist eine pulsierende Gleichspannung.

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