Elektrotechnische Grundlagen im Auto - die Spannung

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Wenn es ein angehender Kfz-Mechatroniker das erste Mal mit der Elektrik zu tun bekommt, dann handelt es sich vermutlich zumeist um die Autobatterie. Und er weiß auch sicherlich sofort, dass diese 12 V Spannung hat. Doch wenn es nun darum geht die Spannung auch zu erklären, so wird er vermutlich ins Stocken kommen, liegt der Physikunterricht der 7. Klasse doch schon ein wenig zurück.

Die ersten Arbeiten an der Elektrik macht der Kfz-Mechatroniker Azubi meist an der Batterie. (Bild: kfztech.de)

Was es mit mit der physikalischen Größe Spannung auf sich hat, soll nun geklärt werden. Zunächst einmal eine Definition der elektrischen Spannung, wie sie in einem Lexikon wie Wikipedia zu finden ist:

„Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit oder Energie nötig ist, um ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung innerhalb eines elektrischen Feldes zu bewegen.“

Das ist nicht unbedingt gleich zu verstehen. Im ersten Artikel zu den „Elektrischen Grundlagen“ haben wir bereits folgendes festgestellt: Atome, die positiv oder negativ geladen sind, können sich gegenseitig anziehen oder abstoßen. Das bedeutet auch, sie können bewegt werden. Das liegt daran, dass ein positiv geladenes Atom negative Ladungen an zieht, und positive Ladungen ab stößt. Ein negativ geladenes Atom zieht dagegen positive Ladungen an, und stößt negative Ladungen ab. So besteht gewissermaßen immer ein Ausgleichsbestreben einen neutralen Ladungszustand herzustellen. Deshalb sollte man sich vielleicht den folgenden Satz für die elektrische Spannung merken:

Das Ausgleichsbestreben unterschiedlicher Ladungsmengen wird als Spannung bezeichnet.

Darüber hinaus können wir folgende Aussagen treffen:

Die elektrische Spannung ist der Druck (Energie) auf freie Elektronen und sie gibt den Unterschied der Ladungen zwischen zwei Polen an (Potenzialunterschied). Die elektrische Spannung ist ein Maß für die Energie, welche die Spannungsquelle bei Fließen der Ladung abgibt. Die elektrische Spannung entsteht folglich durch den Ladungsunterschied zweier Punkte oder Pole. Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlichen Ladungen. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Diesen Unterschied der Elektronenmenge nennt man elektrische Spannung. Die Höhe der Spannung ist von der Größe des Elektronenunterschieds abhängig. Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung, das heißt es fließen Elektronen vom Minuspol über den Verbraucher zum Pluspol, es wird elektrische Arbeit verrichtet. Spannung ist folglich die Ursache für das Fließen des elektrischen Stroms, wobei aber nicht elektrischer Strom fließen muss, damit Spannung entsteht.

Die elektrische Spannung entsteht folglich durch den Ladungsunterschied (Potenzialunterschied) zweier Punkte oder Pole (Grafik: kfztech.de)

Spannung als physikalische Größe

Die Spannung ist keine physikalische Basisgröße wie der elektrische Strom, denn sie ist eine aus den Größen Energie und Ladung abgeleitete Größe. Das Formelzeichen der Spannung ist das U – abgeleitet vom lat. urgere (drängen, treiben, drücken). Sie wird im internationalen Einheitensystem in der Einheit Volt (Einheitenzeichen: V) angegeben, benannt nach Alessandro Volta. Der Kfz-Mechatroniker arbeitet mit mV im Bereich der Lambdasondenspannung, kennt 12 V und 24 V Bordnetze und hat es bei Zündanlagen mit einigen kV zu tun. Die umgangssprachliche Bezeichnung „Stromspannung“ ist fachlich inkorrekt; es sollten nur die Begriffe „Spannung“, „elektrische Spannung“ oder auch „Netzspannung“ verwendet werden.

Im Sprachgebrauch hört man auch oft so einen Satz wie "das Gerät verbraucht viel Strom". Aber dies ist schlichtweg falsch, weil Strom nicht „verbraucht“ wird. Die Elektronen werden von der Spannungsquelle angetrieben und kehren alle wieder zu ihr zurück. Bekommen wir eine „Stromrechnung“, so bezahlen wir nicht für "verbrauchte Elektronen" sondern für die Energie, welche die Elektronen mit sich führten. Der Elektronenkreislauf bildet lediglich das Transportmittel für die elektrische Energie, die von der Spannungsquelle zum Spannungsverbraucher gelangt. Deshalb handelt es sich um Spannungsverbraucher und nicht um Stromverbraucher.

Formen der Spannung

Von Gleichspannung (DC V = Direct Current Volt) spricht man, wenn der Spannungswert im zeitlichen Verlauf gleich bleibt. Um die Starterbatterie zu laden und für elektronische Bauteile ist Gleichspannung zwingend erforderlich.

Bei der Gleichspannung ist die Spannung gleichbleibend (Grafik: Seat)

Neben der Gleichspannung gibt es auch noch die Wechselspannung (AC V = Alternating Current Volt). Von ihr spricht man, wenn sich die Spannungswerte im Verlauf der Zeit regelmäßig wiederholen. Wechselspannung ist also eine elektrische Spannung, die periodisch ihre Polarität (Richtung) und ihren Wert ändert (Bild 3b). Dasselbe gilt auch für den Wechselstrom. Wechselspannung entsteht im Kfz bei der Spannungserzeugung und muss für die Anforderungen im Automobil erst gleichgerichtet werden.

Bei Wechselspannung ändert sich periodisch die Polarität der Wert (Grafik: Seat)

Es gibt verschiedene Arten von Wechselspannungen: Rechteckspannung, Impuls, Sägezahnspannung, Dreieckspannung und die Sinusspannung (Welle) oder eine Mischung aus allen diesen Varianten. In der Elektrotechnik werden hauptsächlich Wechselspannungen mit sinusförmigem Verlauf verwendet. Beim sinusförmigen Kurvenverlauf treten die geringsten Verluste und Verzerrungen auf.

Spannungswellenformen: 1 Sinuswelle 2 Sägezahnwelle 3 Rechteckwelle 4 Impuls 5 Gedämpfte Sinuswelle 6 Dreieckswelle 7 Stufenwelle 8 Komplexe Wellenform (Grafik: Seat)

Durch den Generator im Kraftfahrzeug werden gleich drei Wechselspannungen erzeugt (Bild 5). Dabei dreht sich ein Roter im Generator um 360 Grad. Dadurch entstehen in drei miteinander verdrahteten Spulen drei um 120° versetzte Spannungen mit und sinusförmigen Verlauf. Diesen Stromerzeuger bezeichnet man auch als Drehstromgenerator.

Der Generator im Kfz erzeugt drei um 120° versetzte sinusförmiges Wechselspannungen (Grafik: Bosch)

Bei modernen Kfz findet der Kfz-Mechatroniker heute oftmals Impulse als Spannungswellenform, das sind getaktete Signale, die als sogenannte pulsweitenmodulierte Signale (PWM-Signale) bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um Spannungssignale mit konstanter Frequenz und gleicher Spannungshöhe, wobei die Einschaltdauer unterschiedlich lang ist. Mit ihr werden z.B. Magnetventile wie das AGR-Ventil angesteuert um diese stufenlos zu verstellen oder das Tagfahrlicht wird so realisiert. Die wichtigste Wechselspannung (außerhalb des Kfz) ist unser 230 Volt-Netz. Es hat eine Frequenz von 50 Hz. Das sind 50 Umdrehungen in der Sekunde eines Rotors im Generator.

Im Kfz findet der Kfz-Mechatroniker immer öfter pulsweitenmodulierte Signale, die z.B. das Abgasrückführventil ansteuern (Grafik: Seat)

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Quelle für Text und Bild: Wikipedia, Elektronik-Kompendium, Europa Fachkundebuch, Seat,  Horst Weinkauf Linktipp: www.horst-weinkauf.de  Fachtechnologie Elektrik / Elektronik Fahrzeugtechnik

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