GND / Masse – Elektrizität

Wenn Sie gerade erst mit der Schaltungsentwicklung beginnen, werden Sie wahrscheinlich häufig mit Begriffen konfrontiert, die sich auf die Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik beziehen. Sie können Ihnen oft verwirrend oder unklar erscheinen. In diesem Artikel stellen wir die wichtigsten Begriffe zur Beschreibung von Potenzialen oder Spannungen in elektrischen und elektronischen Systemen vor. Außerdem gehen wir auf den Schutz von Geräten vor elektrischem Schlag und die Problematik des Messens in elektronischen Systemen ein.

Erdung und Elektrizität

Wenn Sie Beschreibungen der Funktionsweise elektronischer Schaltkreise studieren, sind Sie wahrscheinlich mit den Begriffen vertraut: “Potenzialdifferenz” zwischen den Knotenpunkten eines Stromkreises oder zwischen Punkten in einem Stromkreis, “Spannung an einem bestimmten Bauteil“, “Spannung an einem bestimmten Punkt in einem Stromkreis” oder “Potenzial an einem bestimmten Punkt in einem Stromkreis“. Alle genannten Begriffe, auch wenn sie recht unterschiedlich erscheinen, laufen eigentlich auf dasselbe hinaus. Elektrische Spannung besteht immer zwischen zwei Punkten – physikalisch gesehen kann man nicht von einer Spannung an einem einzigen Punkt sprechen. Selbst wenn wir den Zustand eines Stromkreises oder Systems auf diese Weise beschreiben, verwenden wir immer eine gedankliche Abkürzung. Denn wenn wir von der Spannung an einem Punkt in einer Schaltung sprechen, meinen wir in Wirklichkeit die Spannung zwischen diesem Punkt und einem bestimmten festen Teil der elektronischen Schaltung, den wir als Bezugspunkt nehmen. Dieser Knotenpunkt, auf den wir uns beziehen werden, ist die so genannte Systemmasse.

Wir können natürlich auch die Spannung in einem Stromkreis zwischen bestimmten Punkten messen, von denen keiner geerdet ist. Dann sprechen wir zum Beispiel von der Spannung zwischen zwei Punkten im Stromkreis und geben genau an, auf welche Stellen im Stromkreis wir uns beziehen. Denken Sie daran, dass die Spannung zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis nichts anderes ist als die Potenzialdifferenz zwischen diesen Punkten.

Manchmal wird die Spannung auch als … Spannungsabfall bezeichnet. Am häufigsten wird dieser Begriff verwendet, wenn es um die Spannung geht, die an einem stromdurchflossenen Widerstand herrscht. Wie aus dem Ohm’schen Gesetz bekannt ist, ist die Spannung an einem Widerstand direkt proportional zu seinem Widerstand (d. h. dem elektrischen Widerstand) und dem durch ihn fließenden Strom. Wenn wir also über den Spannungsabfall an einem Widerstand sprechen, meinen wir die Spannung, die zwischen einem Ende des Elements und dem anderen gemessen wird. Wie Sie sehen, können wir dieselbe elektrische Größe bereits auf drei Arten definieren: Spannungsabfall, Potenzialdifferenz und einfach: Spannung. Diese Vielfalt kann verwirrend sein, daher lohnt es sich, sich gleich mit all diesen Begriffen vertraut zu machen.

Ein paar Worte zur Masse

Woher kommt der Name Masse? Die elektronischen (und früher auch die elektrischen) Schaltkreise der Vergangenheit wurden ohne gedruckte Leiterplatten zusammengebaut. Alle Komponenten wurden auf einem gemeinsamen Metallrahmen oder einer Platine montiert. Teilweise aufgrund dieser mittlerweile historischen Platine und ihrer recht großen Größe (oder, genauer gesagt, ihres beträchtlichen Gewichts) wird in der ausländischen, auch englischsprachigen Literatur der Begriff Chassis verwendet. In den Diagrammen wird auch die Abkürzung GND (engl. ground, also Erde) verwendet – aus diesem Grund wird der Begriff Masse oft mit dem Begriff Erdung verwechselt. Bei vielen elektronischen Geräten haben wir eine nicht direkte galvanische (elektrische) Masseverbindung zur “echten” Systemmasse festgestellt. In diesem Zusammenhang ist ein sehr wichtiger Punkt zu beachten: Bei der überwiegenden Mehrheit der heute anzutreffenden elektronischen Geräte ist Masse nicht mit der Erdung gleichzusetzen. Die Masse eines elektronischen Systems, z. B. der Minuspol eines Netzteils, einer Batterie oder eines Akkus, ist in den meisten Fällen gar nicht mit dem Gehäuse des Geräts verbunden. Wie unterscheidet man also zwischen den Begriffen Erdung und Masse, damit sie keine Verwirrung stiften?

Nun, bei den elektronischen Geräten, mit denen wir täglich zu tun haben, ist die Masse meist mit dem Minuspol eines Netzteils, einer Batterie oder eines Akkus verbunden. Wenn wir also das Potenzial an einem bestimmten Punkt eines Stromkreises betrachten, meinen wir in Wirklichkeit die Spannung, die zwischen diesem Punkt und dem Punkt der Erde, z. B. dem Minuspol eines Netzteils, gemessen wird. Das kann man sich leicht merken: Das rote Kabel des Multimeters (Voltmeter) an den Punkt anschließen, an dem man die Spannung messen will, und das schwarze Kabel (d.h. das Referenzkabel) an die Masse des Stromkreises anschließen. Heutzutage ist es wirklich schwierig, Schaltungen zu finden, bei denen die Erdung nicht direkt mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden ist. Wenn das Erdungspotenzial in der Zeichnung mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden ist, handelt es sich höchstwahrscheinlich um einen Schaltplan von vor einigen Jahrzehnten, denn damals wurde das Konzept der Erdung etwas anders behandelt als heute.

Es sollte betont werden, dass die Erstellung von Schaltkreisen komplizierter sein kann, als wir es im vorherigen Abschnitt dargestellt haben. Das liegt daran, dass wir es in einem Gerät nicht immer mit nur einer Versorgungsspannung zu tun haben. Abgesehen von Systemen, in denen es mehrere Spannungen gibt – z. B. 5 V und 3,3 V – gibt es in vielen Netzteilen (zu dieser Gruppe gehören auch ATX-Computernetzteile) zusätzlich negative Spannungen, die von der Masse abgeleitet sind. Was ist damit gemeint? Nun, man kann sich eine solche Lösung als eine Reihenschaltung zweier Spannungsquellen, z.B. Batterien, vorstellen, wobei der Massepunkt (Bezugspunkt) der Punkt ist, an dem die beiden Batterien miteinander verbunden sind. In einer solchen Konfiguration liefert der freie Pol der einen Batterie eine positive Versorgungsspannung, während der freie Pol der anderen Batterie eine negative Spannung liefert. Wenn beide Quellen den gleichen Spannungswert haben, spricht man von einer so genannten symmetrischen Versorgung. Dies ist vor allem bei analogen Schaltungen wie Verstärkern und einigen Messsystemen beliebt. Handelt es sich dagegen nur um eine positive Spannung gegenüber der Masse, spricht man von einer asymmetrischen Stromversorgung. Auf diese Weise wird die überwiegende Mehrheit der modernen batteriebetriebenen Geräte mit Strom versorgt, ebenso wie die große Mehrheit der gängigen Netzwerkgeräte.

Die Entscheidung, ob eine Schaltung aus einer symmetrischen oder asymmetrischen Spannungsquelle gespeist werden soll, beruht meist auf den spezifischen Merkmalen, die von dieser Schaltung und ihrer Konstruktion erwartet werden – zum Beispiel sind nicht alle ICs in der Lage, mit asymmetrischer Spannung zu arbeiten. Einige benötigen immer noch zwei Versorgungsspannungen mit entgegengesetzter Polarität, obwohl der Trend auf dem Markt seit vielen Jahren darauf hindeutet, dass Schaltungen, die eine symmetrische Versorgung benötigen, langsam der Vergangenheit angehören. Daraus folgt, dass der Entwurf elektronischer Schaltungen mit nur einer einzigen Versorgungsspannung viel einfacher ist, da nicht nur die Komplexität der Schaltung, sondern auch die Kosten und der Aufwand des Entwicklers reduziert werden. Eine solche Lösung ist natürlich mit einigen Nachteilen verbunden, auf die wir hier aber nicht näher eingehen wollen. Das Einzige, was Sie sich aus diesem Abschnitt merken sollten, ist, dass Stromkreise mit symmetrischer oder asymmetrischer Spannung versorgt werden können, und dass das Bezugspotenzial, auf das wir alle unsere Spannungsmessungen im Stromkreis beziehen, das Massepotenzial ist. Masse ist zwar ein herkömmlicher Begriff, wird aber meist mit dem Minuspol der Versorgungsspannung oder dem Teilungspunkt symmetrischer Spannungen gleichgesetzt.

Masse und Erdung

Sicherlich sind Sie auch schon oft mit dem Begriff der Erdung konfrontiert worden. Wie wir bereits erwähnt haben, wurde die Erdung des Stromkreises früher in Form eines Metallrahmens oder einer Metallplatte ausgeführt, die gleichzeitig das Strukturelement war, das das gesamte Gerät hielt und alle seine Komponenten trug. Heute hingegen ist ein etwas anderer Ansatz üblich: Der Minuspol der Stromversorgung, die Systemmasse, sollte ein völlig separater Knotenpunkt sein, der nicht mit dem Metallgehäuse des Geräts und/oder dem Erdungsstift verbunden ist. Der Stift, der in Steckdosen zu finden ist, dient dem Schutz vor Stromschlägen, wenn beispielsweise die Isolierung versagt. Der Benutzer des Geräts ist dann vor einem gesundheitsgefährdenden oder sogar lebensgefährlichen Stromschlag geschützt. Der Mechanismus dieses Schutzes ist trivial: Der Strom fließt durch den Schutz- oder Erdungsleiter direkt zur Erde – und nicht durch den Körper des Benutzers.

Sie finden diese Lösung zum Beispiel bei Labornetzgeräten, die – wie Sie feststellen werden – in ihrer einfachsten Ausführung, den Einkanal-Netzgeräten, drei Anschlüsse haben. Die rote Klemme ist natürlich der Pluspol des Netzteils (Leistungsausgang). Die schwarze Klemme ist der Minuspol, der in den meisten Fällen mit der Masse des an das Netzteil angeschlossenen Stromkreises identifiziert wird. Die dritte Klemme hingegen ist in der Regel grün gefärbt. Hierbei handelt es sich um den eigentlichen Erdungsanschluss, der elektrisch mit dem Gehäuse, dem Schutzleiter und dem entsprechenden Kontakt im Netzstecker verbunden ist. Diese Lösung wird nicht nur aus Sicherheitsgründen immer wichtiger, sondern beispielsweise auch wegen ihrer hervorragenden Entstörungseigenschaften, denn die Verbindung des Metallgehäuses des Geräts mit der Netzerdung ist eine hervorragende Möglichkeit, das Innere des Geräts gegen elektromagnetische Störungen abzuschirmen, die aus der Umgebung eindringen können.

Natürlich können die Masse- und Erdungsanschlüsse der Stromkreise auch anders gestaltet sein, wobei wir an dieser Stelle nicht auf alle möglichen Varianten eingehen wollen. Es gibt viele Möglichkeiten, und jede muss vom Konstrukteur gut durchdacht sein, um sowohl Konstruktionsfehler als auch Gefahren zu vermeiden, die bei unsachgemäßem Gebrauch oder bei einem Ausfall des Geräts zu einem Stromschlag für den Benutzer führen können. Daher sollten Anfänger in der Elektronik nicht selbst netzbetriebene Geräte bauen. Wenn Sie hingegen noch keine Erfahrung im Gerätebau haben, aber Ihr Gerät über ein Netzteil betreiben wollen (oder müssen), z. B. wegen eines hohen Stromverbrauchs, dann sollten Sie unbedingt über die Anschaffung eines robusten Netzteils nachdenken, das nicht nur die richtige Stromstärke und die richtige Spannung für Ihre Schaltung gewährleistet, sondern auch absolute Sicherheit bietet. Heutige Netzteile, wie Steckernetzteile oder Labornetzteile, sind so geschützt, dass das Netzteil selbst bei einem internen Fehler dem Benutzer einen ausreichenden Schutz bietet. Wenn Sie also vorhaben, ein netzbetriebenes Gerät zu bauen, sollten Sie unbedingt ein gutes Markennetzteil wählen, mit dem Sie unbesorgt arbeiten können, ohne sich um Ihre eigene Sicherheit oder die der anderen Benutzer des Geräts sorgen zu müssen. Es lohnt sich nicht, ein paar Euro zu sparen, indem man ein billiges Netzteil aus einer unbekannten Quelle kauft – schließlich steht die Sicherheit an erster Stelle und die Preise von Markennetzteilen sind auch für Elektronik-Neulinge kein Hindernis mehr.

An dieser Stelle muss auch erwähnt werden, dass die internationalen Normen vorschreiben, dass der Erdungsleiter in elektrischen und elektronischen Geräten eine gelb-grüne Isolierung haben muss. In dreiadrigen Netzkabeln finden Sie daher Drähte mit den “klassischen” Isolierfarben: braun (Phasenleiter), blau (Nullleiter) und gelb-grün (Erdung). Wir raten davon ab, Kabel in diesen Farben für andere Verbindungen (auch Niederspannungsverbindungen) in den von Ihnen gebauten Geräten zu verwenden – die genannten Farben sollten immer in einem klaren Zusammenhang mit dem eigentlichen Zweck der Kabel stehen.

Masse- und Erdungskennzeichnungen auf dem Diagramm

Wenn Sie die Schaltpläne elektrischer oder elektronischer Geräte konsultieren, werden Sie zweifellos auf verschiedene Varianten der Kennzeichnung von Stromleitungen gestoßen sein. Im Falle der Erdung ist die am häufigsten verwendete Markierung ein fetter, relativ kurzer Strich, der die Leitung abschließt. Diese Linie wird immer waagerecht gezeichnet, damit die Erdungsmarkierungen auffällig sind und man sofort sieht, welche Komponenten miteinander verbunden sind. Natürlich müssen wir nicht hinzufügen, dass alle Komponenten, die mit dem Erdungssymbol gekennzeichnet (verbunden) sind, auch tatsächlich physisch miteinander verbunden sind. Es ist sehr wichtig, die Masseverbindung von der Erdverbindung zu unterscheiden, die – wie wir bereits erwähnt haben – meist ein völlig separater Stromkreis ist. Wir bezeichnen die Erdung häufig als drei Striche von zunehmend geringerer Länge, wobei die elektrische Leitung mit dem längsten dieser Striche verbunden ist. In vielen Diagrammen finden Sie auch das zweite Symbol für die Erdung, nämlich einen einzelnen waagerechten Strich, an den drei kurze diagonale Striche angehängt sind. Natürlich werden Sie auf den Schaltplänen auch andere Bezeichnungen für Stromleitungen finden. Meistens handelt es sich dabei um kurze Pfeile, neben denen die Spannung steht, die in diesem Stromkreis vorhanden ist (z. B. +5V, -5V oder +3,3V, +12V usw.).

Praktische Hinweise zur Masse

Wenn Sie eine fertige Leiterplatte in die Hand nehmen, die z. B. aus einem Computer, einem Verstärker oder auch einem Mobiltelefon ausgebaut wurde, werden Sie feststellen, dass neben den Leiterbahnen, die die einzelnen Bauteile miteinander verbinden, in der Regel auch eine große Fläche aus Kupfer vorhanden ist. Natürlich ist dieser Bereich bei den allermeisten Industrieplatinen – wie der Rest der Platine – mit einem so genannten Lötstopplack, z.B. in grün oder blau, abgedeckt. Schaut man sich die Leiterplatte jedoch genauer an, stellt man fest, dass die Freiräume zwischen den Leiterbahnen und Bauteilen eine große, gemeinsame Verbindung bilden. Diese Verbindung ist in den allermeisten Fällen tatsächlich… die Schaltungsmasse! Natürlich gibt es auch hier Ausnahmen, z. B. in speziellen Schaltungen, wo es mehrere solcher Kupferfelder (Polygone) geben kann: eines davon kann mit Masse verbunden sein, das andere mit einer Versorgungsspannung, z. B. dem Ausgang eines Hochsetzstellers. Solche “Polygone” (Massefelder) sind wegen ihrer guten Entstörungseigenschaften besonders beliebt. Wenn die gesamte Leiterplatte, abgesehen von den Pfaden und Stellen, die für die Lötpads der Bauelemente vorgesehen sind, mit einem massiven Massefeld bedeckt ist, kann man sogar sicher sein, dass diese Masse eine sehr gute Abschirmung darstellt, die die Schaltung vor elektromagnetischen Störungen schützt (insbesondere vor Störungen, die durch das elektrische Feld verursacht werden). Wir betonen noch einmal, dass nicht jedes Kupferfeld mit der Masse verbunden ist! Vergewissern Sie sich daher bei Messungen oder Änderungen an fertigen Schaltungen immer, ob Sie es tatsächlich mit einem Massefeld oder einer anderen Verbindung zu tun haben, die auf einem ganz anderen Potenzial liegen kann.