Gleichstrom

Gleichstrom (DC) (rote Linie). Die vertikale Achse zeigt den Strom oder die Spannung an, die horizontale t-Achse misst die Zeit und zeigt den Nullwert an. ⓘ

Gleichstrom (DC) ist ein in eine Richtung gerichteter Fluss elektrischer Ladung. Eine elektrochemische Zelle ist ein Paradebeispiel für Gleichstrom. Gleichstrom kann durch einen Leiter, z. B. einen Draht, fließen, aber auch durch Halbleiter, Isolatoren oder sogar durch ein Vakuum wie bei Elektronen- oder Ionenstrahlen. Der elektrische Strom fließt in einer konstanten Richtung, was ihn vom Wechselstrom (AC) unterscheidet. Ein früherer Begriff für diese Art von Strom war galvanischer Strom. ⓘ

Die Abkürzungen AC und DC werden oft verwendet, um einfach Wechselstrom und Gleichstrom zu bezeichnen, wenn sie Strom oder Spannung verändern. ⓘ

Gleichstrom kann aus einer Wechselstromversorgung mit Hilfe eines Gleichrichters umgewandelt werden, der elektronische (in der Regel) oder elektromechanische (historisch) Elemente enthält, die den Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Gleichstrom kann mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt werden. ⓘ

Gleichstrom hat viele Verwendungszwecke, vom Laden von Batterien bis hin zu großen Stromversorgungen für elektronische Systeme, Motoren und mehr. Sehr große Mengen an elektrischer Energie, die durch Gleichstrom bereitgestellt werden, werden beim Schmelzen von Aluminium und anderen elektrochemischen Prozessen verwendet. Er wird auch für einige Eisenbahnen verwendet, insbesondere in städtischen Gebieten. Hochspannungs-Gleichstrom wird verwendet, um große Strommengen von entfernten Erzeugungsanlagen zu übertragen oder um Wechselstromnetze miteinander zu verbinden. ⓘ

Arten des Gleichstroms:
oben: gemäß Definition, mitunter als „reiner Gleichstrom“ verdeutlicht;
darunter: Mischstrom aus Gleichrichtung, auch als „pulsierender Gleichstrom“ bezeichnet ⓘ

Als Gleichstrom wird ein elektrischer Strom bezeichnet, dessen Augenblickswerte der Stromstärke sich zeitlich nicht ändern. Ihr Verlauf über der Zeit ergibt sich in einem Liniendiagramm als Gerade parallel zur Zeitachse – wie in nebenstehendem Bild im oberen Teil. In elektrotechnischen Anwendungen wird in erweiterter Bedeutung auch periodisch schwankender Mischstrom mit einer überlagerten Restwelligkeit als Gleichstrom bezeichnet, wenn sich zwar zeitlich die Stärke ändert, aber nicht ihr Vorzeichen und dabei die Schwankungen für die beabsichtigte Wirkung unwesentlich sind. In diesem Fall wird als Stärke des Gleichstroms der Gleichwert der Stromstärke angesehen. ⓘ

Der zeitliche Verlauf der Stromstärke ist das Charakteristikum einer ihn abgebenden elektrischen Energiequelle, meistens einer Spannungsquelle; dann entsteht Gleichstrom aus Gleichspannung. Der Zusammenhang zwischen Gleichstromstärke und Gleichspannung an einem ohmschen Widerstand wird über das ohmsche Gesetz beschrieben. Schwankungen der Stromstärke infolge von Belastungsschwankungen sind der Bezeichnung Gleichstrom nicht abträglich. ⓘ

Die englische Bezeichnung ist direct current mit dem Kürzel DC, welches synonym auch für Gleichspannung verwendet wird (genauso wie AC für alternating current Wechselstrom/Wechselspannung). ⓘ

Die geschichtliche Entstehung erster Stromnetze im nordamerikanischen Raum ist unter Stromkrieg dargestellt. ⓘ

Schaltzeichen Gleichstrom

Kennzeichen für Gleichstrom, international

Kennzeichen für Gleichstrom, angelsächsisch ⓘ

Als Kennzeichen für Gleichstrom dienen nachstehende Schaltzeichen. ⓘ

Geschichte

Zentrales Elektrizitätswerk der Brush Electric Company mit Dynamos, die Gleichstrom zum Betrieb von Bogenlampen für die öffentliche Beleuchtung in New York erzeugten. Es wurde im Dezember 1880 in der 133 West Twenty-Fifth Street in Betrieb genommen und konnte aufgrund der hohen Spannungen einen 3,2 km langen Stromkreis versorgen. ⓘ

Gleichstrom wurde im Jahr 1800 von der Batterie des italienischen Physikers Alessandro Volta, dem Voltaischen Pfahl, erzeugt. Die Art und Weise, wie der Strom fließt, war noch nicht bekannt. Der französische Physiker André-Marie Ampère vermutete, dass der Strom in einer Richtung von positiv nach negativ fließt. Als der französische Instrumentenbauer Hippolyte Pixii 1832 den ersten Dynamo-Elektrizitätsgenerator baute, stellte er fest, dass der Magnet, der die Drahtschleifen bei jeder halben Umdrehung passierte, den Stromfluss umkehrte und einen Wechselstrom erzeugte. Auf Anregung von Ampère fügte Pixii später einen Kommutator hinzu, eine Art "Schalter", bei dem Kontakte auf der Welle mit "Bürstenkontakten" zusammenwirken, um Gleichstrom zu erzeugen. ⓘ

In den späten 1870er und frühen 1880er Jahren begann man, Strom in Kraftwerken zu erzeugen. Diese wurden zunächst für den Betrieb von Lichtbögen (eine beliebte Art der Straßenbeleuchtung) eingerichtet, die mit sehr hoher Spannung (in der Regel über 3000 Volt) Gleich- oder Wechselstrom betrieben wurden. Nach der Markteinführung des Glühbirnenstroms durch den Erfinder Thomas Edison im Jahr 1882 wurde dann der Niederspannungs-Gleichstrom für die elektrische Innenbeleuchtung in Unternehmen und Privathaushalten weit verbreitet. Aufgrund der erheblichen Vorteile des Wechselstroms gegenüber dem Gleichstrom bei der Verwendung von Transformatoren zum Anheben und Absenken der Spannung, die wesentlich längere Übertragungsstrecken ermöglichen, wurde der Gleichstrom in den nächsten Jahrzehnten durch den Wechselstrom in der Stromversorgung ersetzt. Mitte der 1950er Jahre wurde die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung entwickelt, die heute anstelle von Hochspannungs-Wechselstromsystemen für große Entfernungen eingesetzt wird. Für Langstrecken-Seekabel (z. B. zwischen Ländern wie NorNed) ist diese Gleichstromoption die einzige technisch machbare Möglichkeit. Bei Anwendungen, die Gleichstrom erfordern, wie z. B. bei Stromversorgungssystemen für die dritte Schiene, wird der Wechselstrom an ein Umspannwerk weitergeleitet, das den Strom mit Hilfe eines Gleichrichters in Gleichstrom umwandelt. ⓘ

Verschiedene Definitionen

Arten von Gleichstrom

Der Begriff Gleichstrom wird für Stromversorgungssysteme verwendet, die nur eine Polarität von Spannung oder Strom verwenden, und bezieht sich auf den konstanten, frequenzlosen oder langsam schwankenden lokalen Mittelwert einer Spannung oder eines Stroms. So ist beispielsweise die Spannung an einer Gleichspannungsquelle konstant, ebenso wie der Strom durch eine Gleichstromquelle. Die Gleichstromlösung eines Stromkreises ist die Lösung, bei der alle Spannungen und Ströme konstant sind. Es lässt sich zeigen, dass jede stationäre Spannungs- oder Stromwellenform in eine Summe aus einer Gleichstromkomponente und einer zeitlich veränderlichen Komponente mit dem Mittelwert Null zerlegt werden kann; die Gleichstromkomponente ist definiert als der Erwartungswert oder der Durchschnittswert der Spannung oder des Stroms über die gesamte Zeit. ⓘ

Obwohl DC für "direct current" (Gleichstrom) steht, bezieht sich DC oft auf "konstante Polarität". Nach dieser Definition können Gleichspannungen zeitlich schwanken, wie man am Rohausgang eines Gleichrichters oder am schwankenden Sprachsignal einer Telefonleitung sieht. ⓘ

Einige Formen von Gleichstrom (z. B. der von einem Spannungsregler erzeugte) haben fast keine Spannungsschwankungen, können aber dennoch Schwankungen in der Ausgangsleistung und im Strom aufweisen. ⓘ

Stromkreise

Eine Gleichstromschaltung ist eine elektrische Schaltung, die aus einer beliebigen Kombination von Konstantspannungsquellen, Konstantstromquellen und Widerständen besteht. In diesem Fall sind die Spannungen und Ströme des Stromkreises unabhängig von der Zeit. Eine bestimmte Schaltspannung oder ein bestimmter Strom hängt nicht von einem früheren Wert einer Schaltspannung oder eines Stroms ab. Dies bedeutet, dass das Gleichungssystem, das einen Gleichstromkreis darstellt, keine Integrale oder Ableitungen in Bezug auf die Zeit enthält. ⓘ

Wenn einem Gleichstromkreis ein Kondensator oder eine Induktivität hinzugefügt wird, ist der resultierende Stromkreis streng genommen kein Gleichstromkreis. Die meisten dieser Schaltungen haben jedoch eine Gleichstromlösung. Diese Lösung gibt die Spannungen und Ströme des Stromkreises an, wenn sich der Stromkreis im stationären Gleichstromzustand befindet. Eine solche Schaltung wird durch ein System von Differentialgleichungen dargestellt. Die Lösung dieser Gleichungen enthält in der Regel einen zeitlich veränderlichen oder transienten Teil sowie einen konstanten oder stationären Teil. Dieser stationäre Teil ist die Gleichstromlösung. Es gibt einige Schaltungen, die keine Gleichstromlösung haben. Zwei einfache Beispiele sind eine Konstantstromquelle, die an einen Kondensator angeschlossen ist, und eine Konstantspannungsquelle, die an eine Spule angeschlossen ist. ⓘ

In der Elektronik ist es üblich, eine Schaltung, die von einer Gleichspannungsquelle wie einer Batterie oder dem Ausgang eines Gleichstromnetzteils gespeist wird, als Gleichstromschaltung zu bezeichnen, obwohl eigentlich gemeint ist, dass die Schaltung mit Gleichstrom gespeist wird. ⓘ

Anwendungen

Häusliche und gewerbliche Gebäude

Dieses Symbol, das mit dem Unicode-Zeichen U+2393 (⎓) dargestellt werden kann, ist auf vielen elektronischen Geräten zu finden, die entweder Gleichstrom benötigen oder erzeugen. ⓘ

Gleichstrom findet sich häufig in vielen Kleinspannungsanwendungen und einigen Niederspannungsanwendungen, insbesondere wenn diese von Batterien oder Solaranlagen gespeist werden (da beide nur Gleichstrom erzeugen können). ⓘ

Die meisten elektronischen Schaltungen benötigen eine Gleichstromversorgung. ⓘ

Für Gleichstrominstallationen in Privathaushalten werden in der Regel andere Arten von Steckdosen, Steckern, Schaltern und Armaturen verwendet als für Wechselstrom. Das liegt vor allem an den niedrigeren Spannungen, die höhere Ströme erfordern, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen. ⓘ

Bei einem Gleichstromgerät ist es in der Regel wichtig, die Polarität zu beachten, es sei denn, das Gerät verfügt über eine Diodenbrücke, um dies zu korrigieren. ⓘ

Die EMerge Alliance ist ein offener Industrieverband, der Normen für die Gleichstromverteilung in Hybridhäusern und Gewerbegebäuden entwickelt. ⓘ

Kraftfahrzeuge

Die meisten Kfz-Anwendungen arbeiten mit Gleichstrom. Eine Autobatterie liefert unter anderem Strom für den Motorstart, die Beleuchtung, das Zündsystem, die Klimasteuerung und das Infotainment-System. Die Lichtmaschine ist ein Wechselstromgerät, das mithilfe eines Gleichrichters Gleichstrom zum Laden der Batterie erzeugt. Die meisten Personenkraftwagen verwenden 12-V-Systeme. Viele schwere Lkw, landwirtschaftliche Geräte oder Erdbewegungsmaschinen mit Dieselmotoren verwenden 24-Volt-Systeme. In einigen älteren Fahrzeugen wurde ein 6-Volt-System verwendet, wie z. B. im klassischen Volkswagen Käfer. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wurde ein 42-Volt-Bordnetz für Automobile in Erwägung gezogen, das jedoch kaum Verwendung fand. Um Gewicht und Kabel zu sparen, wird oft der Metallrahmen des Fahrzeugs mit einem Pol der Batterie verbunden und als Rückleiter in einem Stromkreis verwendet. Oft ist der Minuspol der "Masse"-Anschluss des Fahrgestells, aber bei einigen Rad- oder Schiffsfahrzeugen kann auch positive Masse verwendet werden. In einem batteriebetriebenen Fahrzeug gibt es normalerweise zwei getrennte Gleichstromsysteme. Das Niederspannungs"-Gleichstromsystem arbeitet in der Regel mit 12 V und dient demselben Zweck wie in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Das "Hochspannungs"-System arbeitet mit 300-400 V (je nach Fahrzeug) und liefert den Strom für die Fahrmotoren. Durch die Erhöhung der Spannung für die Fahrmotoren wird der durch sie fließende Strom reduziert, was die Effizienz erhöht. ⓘ

Telekommunikation

Kommunikationsgeräte in Telefonzentralen verwenden eine Standard-Gleichstromversorgung von -48 V. Die negative Polarität wird durch Erdung des Pluspols des Stromversorgungssystems und der Batteriebank erreicht. Dies geschieht, um Elektrolyseablagerungen zu verhindern. Telefonanlagen verfügen über ein Batteriesystem, um die Stromversorgung der Teilnehmerleitungen bei Stromunterbrechungen aufrechtzuerhalten. ⓘ

Andere Geräte können über das Gleichstromsystem der Telekommunikationsanlage mit Hilfe eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers mit Strom versorgt werden, um eine geeignete Spannung bereitzustellen. ⓘ

Viele Telefone werden an ein verdrilltes Leitungspaar angeschlossen und verwenden ein Vorspannungs-T-Stück, um intern die Wechselstromkomponente der Spannung zwischen den beiden Leitungen (das Audiosignal) von der Gleichstromkomponente der Spannung zwischen den beiden Leitungen (für die Stromversorgung des Telefons) zu trennen. ⓘ

Hochspannungsstromübertragung

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ) verwenden Gleichstrom für die Übertragung von elektrischer Energie, im Gegensatz zu den häufigeren Wechselstromsystemen. Bei der Übertragung über große Entfernungen können HGÜ-Systeme kostengünstiger sein und geringere elektrische Verluste aufweisen. ⓘ

Andere

Anwendungen, die Brennstoffzellen verwenden (bei denen Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Katalysator gemischt werden, um Strom und Wasser als Nebenprodukt zu erzeugen), erzeugen ebenfalls nur Gleichstrom. ⓘ

Die elektrischen Systeme von Leichtflugzeugen sind in der Regel 12-V- oder 24-V-Gleichstromsysteme, ähnlich wie bei Kraftfahrzeugen. ⓘ