{"id":52796,"date":"2023-03-11T08:20:33","date_gmt":"2023-03-11T07:20:33","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/gnd-masa-elektrycznosc\/"},"modified":"2024-10-16T15:15:50","modified_gmt":"2024-10-16T13:15:50","slug":"gnd-masse-elektrizitaet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/gnd-masse-elektrizitaet\/","title":{"rendered":"GND \/ Masse – Elektrizit\u00e4t"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 9<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Wenn Sie gerade erst mit der Schaltungsentwicklung beginnen, werden Sie wahrscheinlich h\u00e4ufig mit Begriffen konfrontiert, die sich auf die Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik beziehen. Sie k\u00f6nnen 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. Au\u00dferdem gehen wir auf den Schutz von Ger\u00e4ten vor elektrischem Schlag und die Problematik des Messens in elektronischen Systemen ein. <\/p>\n

Erdung und Elektrizit\u00e4t<\/h2>\n

Wenn Sie Beschreibungen der Funktionsweise elektronischer Schaltkreise studieren, sind Sie wahrscheinlich mit den Begriffen vertraut: “Potenzialdifferenz<\/strong>” zwischen den Knotenpunkten eines Stromkreises oder zwischen Punkten in einem Stromkreis, “Spannung an einem bestimmten Bauteil<\/strong>“, “Spannung an einem bestimmten Punkt in einem Stromkreis<\/strong>” oder “Potenzial an einem bestimmten Punkt in einem Stromkreis<\/strong>“. 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 Abk\u00fcrzung. 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. <\/p>\n

Wir k\u00f6nnen nat\u00fcrlich 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. <\/p>\n

Manchmal wird die Spannung auch als … Spannungsabfall bezeichnet. Am h\u00e4ufigsten 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 flie\u00dfenden Strom. Wenn wir also \u00fcber den Spannungsabfall an einem Widerstand sprechen, meinen wir die Spannung, die zwischen einem Ende des Elements und dem anderen gemessen wird. Wie Sie sehen, k\u00f6nnen wir dieselbe elektrische Gr\u00f6\u00dfe 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. <\/p>\n

Ein paar Worte zur Masse<\/h3>\n

Woher kommt der Name Masse<\/strong>? Die elektronischen (und fr\u00fcher 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 gro\u00dfen Gr\u00f6\u00dfe (oder, genauer gesagt, ihres betr\u00e4chtlichen Gewichts) wird in der ausl\u00e4ndischen, auch englischsprachigen Literatur der Begriff Chassis<\/em><\/strong> verwendet. In den Diagrammen wird auch die Abk\u00fcrzung GND<\/strong> (engl. ground<\/em>, also Erde) verwendet – aus diesem Grund wird der Begriff Masse oft mit dem Begriff Erdung verwechselt. Bei vielen elektronischen Ger\u00e4ten haben wir eine nicht direkte galvanische (elektrische) Masseverbindung zur “echten” Systemmasse festgestellt. In diesem Zusammenhang ist ein sehr wichtiger Punkt zu beachten: Bei der \u00fcberwiegenden Mehrheit der heute anzutreffenden elektronischen Ger\u00e4te ist Masse nicht mit der Erdung gleichzusetzen.<\/u> Die Masse eines elektronischen Systems, z. B. der Minuspol eines Netzteils, einer Batterie oder eines Akkus, ist in den meisten F\u00e4llen gar nicht mit dem Geh\u00e4use des Ger\u00e4ts verbunden. Wie unterscheidet man also zwischen den Begriffen Erdung und Masse, damit sie keine Verwirrung stiften? <\/span><\/p>\n

Nun, bei den elektronischen Ger\u00e4ten, mit denen wir t\u00e4glich 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 anschlie\u00dfen, an dem man die Spannung messen will, und das schwarze Kabel (d.h. das Referenzkabel) an die Masse des Stromkreises anschlie\u00dfen. 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 h\u00f6chstwahrscheinlich um einen Schaltplan von vor einigen Jahrzehnten, denn damals wurde das Konzept der Erdung etwas anders behandelt als heute. <\/p>\n

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 Ger\u00e4t 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 geh\u00f6ren auch ATX-Computernetzteile) zus\u00e4tzlich negative Spannungen, die von der Masse abgeleitet sind. Was ist damit gemeint? Nun, man kann sich eine solche L\u00f6sung 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, w\u00e4hrend 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 Verst\u00e4rkern und einigen Messsystemen beliebt. Handelt es sich dagegen nur um eine positive Spannung gegen\u00fcber der Masse, spricht man von einer asymmetrischen Stromversorgung. Auf diese Weise wird die \u00fcberwiegende Mehrheit der modernen batteriebetriebenen Ger\u00e4te mit Strom versorgt, ebenso wie die gro\u00dfe Mehrheit der g\u00e4ngigen Netzwerkger\u00e4te. <\/p>\n

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 ben\u00f6tigen immer noch zwei Versorgungsspannungen mit entgegengesetzter Polarit\u00e4t, obwohl der Trend auf dem Markt seit vielen Jahren darauf hindeutet, dass Schaltungen, die eine symmetrische Versorgung ben\u00f6tigen, langsam der Vergangenheit angeh\u00f6ren. Daraus folgt, dass der Entwurf elektronischer Schaltungen mit nur einer einzigen Versorgungsspannung viel einfacher ist, da nicht nur die Komplexit\u00e4t der Schaltung, sondern auch die Kosten und der Aufwand des Entwicklers reduziert werden. Eine solche L\u00f6sung ist nat\u00fcrlich mit einigen Nachteilen verbunden, auf die wir hier aber nicht n\u00e4her eingehen wollen. Das Einzige, was Sie sich aus diesem Abschnitt merken sollten, ist, dass Stromkreise mit symmetrischer oder asymmetrischer Spannung versorgt werden k\u00f6nnen, und dass das Bezugspotenzial, auf das wir alle unsere Spannungsmessungen im Stromkreis beziehen, das Massepotenzial ist. Masse ist zwar ein herk\u00f6mmlicher Begriff, wird aber meist mit dem Minuspol der Versorgungsspannung oder dem Teilungspunkt symmetrischer Spannungen gleichgesetzt. <\/p>\n

Masse und Erdung<\/h3>\n

Sicherlich sind Sie auch schon oft mit dem Begriff der Erdung konfrontiert worden. Wie wir bereits erw\u00e4hnt haben, wurde die Erdung des Stromkreises fr\u00fcher in Form eines Metallrahmens oder einer Metallplatte ausgef\u00fchrt, die gleichzeitig das Strukturelement war, das das gesamte Ger\u00e4t hielt und alle seine Komponenten trug. Heute hingegen ist ein etwas anderer Ansatz \u00fcblich: Der Minuspol der Stromversorgung, die Systemmasse, sollte ein v\u00f6llig separater Knotenpunkt sein, der nicht mit dem Metallgeh\u00e4use des Ger\u00e4ts und\/oder dem Erdungsstift verbunden ist. Der Stift, der in Steckdosen zu finden ist, dient dem Schutz vor Stromschl\u00e4gen, wenn beispielsweise die Isolierung versagt. Der Benutzer des Ger\u00e4ts ist dann vor einem gesundheitsgef\u00e4hrdenden oder sogar lebensgef\u00e4hrlichen Stromschlag gesch\u00fctzt. Der Mechanismus dieses Schutzes ist trivial: Der Strom flie\u00dft durch den Schutz- oder Erdungsleiter direkt zur Erde – und nicht durch den K\u00f6rper des Benutzers. <\/p>\n

Sie finden diese L\u00f6sung zum Beispiel bei Labornetzger\u00e4ten, die – wie Sie feststellen werden – in ihrer einfachsten Ausf\u00fchrung, den Einkanal-Netzger\u00e4ten, drei Anschl\u00fcsse haben. Die rote Klemme ist nat\u00fcrlich der Pluspol des Netzteils (Leistungsausgang). Die schwarze Klemme ist der Minuspol, der in den meisten F\u00e4llen mit der Masse des an das Netzteil angeschlossenen Stromkreises identifiziert wird. Die dritte Klemme hingegen ist in der Regel gr\u00fcn gef\u00e4rbt. Hierbei handelt es sich um den eigentlichen Erdungsanschluss, der elektrisch mit dem Geh\u00e4use, dem Schutzleiter und dem entsprechenden Kontakt im Netzstecker verbunden ist. Diese L\u00f6sung wird nicht nur aus Sicherheitsgr\u00fcnden immer wichtiger, sondern beispielsweise auch wegen ihrer hervorragenden Entst\u00f6rungseigenschaften, denn die Verbindung des Metallgeh\u00e4uses des Ger\u00e4ts mit der Netzerdung ist eine hervorragende M\u00f6glichkeit, das Innere des Ger\u00e4ts gegen elektromagnetische St\u00f6rungen abzuschirmen, die aus der Umgebung eindringen k\u00f6nnen. <\/p>\n

Nat\u00fcrlich k\u00f6nnen die Masse- und Erdungsanschl\u00fcsse der Stromkreise auch anders gestaltet sein, wobei wir an dieser Stelle nicht auf alle m\u00f6glichen Varianten eingehen wollen. Es gibt viele M\u00f6glichkeiten, und jede muss vom Konstrukteur gut durchdacht sein, um sowohl Konstruktionsfehler als auch Gefahren zu vermeiden, die bei unsachgem\u00e4\u00dfem Gebrauch oder bei einem Ausfall des Ger\u00e4ts zu einem Stromschlag f\u00fcr den Benutzer f\u00fchren k\u00f6nnen. Daher sollten Anf\u00e4nger in der Elektronik nicht selbst netzbetriebene Ger\u00e4te bauen. Wenn Sie hingegen noch keine Erfahrung im Ger\u00e4tebau haben, aber Ihr Ger\u00e4t \u00fcber ein Netzteil betreiben wollen (oder m\u00fcssen), z. B. wegen eines hohen Stromverbrauchs, dann sollten Sie unbedingt \u00fcber die Anschaffung eines robusten Netzteils nachdenken, das nicht nur die richtige Stromst\u00e4rke und die richtige Spannung f\u00fcr Ihre Schaltung gew\u00e4hrleistet, sondern auch absolute Sicherheit bietet. Heutige Netzteile, wie Steckernetzteile oder Labornetzteile, sind so gesch\u00fctzt, dass das Netzteil selbst bei einem internen Fehler dem Benutzer einen ausreichenden Schutz bietet. Wenn Sie also vorhaben, ein netzbetriebenes Ger\u00e4t zu bauen, sollten Sie unbedingt ein gutes Markennetzteil w\u00e4hlen, mit dem Sie unbesorgt arbeiten k\u00f6nnen, ohne sich um Ihre eigene Sicherheit oder die der anderen Benutzer des Ger\u00e4ts sorgen zu m\u00fcssen. Es lohnt sich nicht, ein paar Euro zu sparen, indem man ein billiges Netzteil aus einer unbekannten Quelle kauft – schlie\u00dflich steht die Sicherheit an erster Stelle und die Preise von Markennetzteilen sind auch f\u00fcr Elektronik-Neulinge kein Hindernis mehr. <\/p>\n

An dieser Stelle muss auch erw\u00e4hnt werden, dass die internationalen Normen vorschreiben, dass der Erdungsleiter in elektrischen und elektronischen Ger\u00e4ten eine gelb-gr\u00fcne Isolierung haben muss. In dreiadrigen Netzkabeln finden Sie daher Dr\u00e4hte mit den “klassischen” Isolierfarben: braun (Phasenleiter), blau (Nullleiter) und gelb-gr\u00fcn (Erdung). Wir raten davon ab, Kabel in diesen Farben f\u00fcr andere Verbindungen (auch Niederspannungsverbindungen) in den von Ihnen gebauten Ger\u00e4ten zu verwenden – die genannten Farben sollten immer in einem klaren Zusammenhang mit dem eigentlichen Zweck der Kabel stehen. <\/p>\n

Masse- und Erdungskennzeichnungen auf dem Diagramm<\/h3>\n

Wenn Sie die Schaltpl\u00e4ne elektrischer oder elektronischer Ger\u00e4te konsultieren, werden Sie zweifellos auf verschiedene Varianten der Kennzeichnung von Stromleitungen gesto\u00dfen sein. Im Falle der Erdung ist die am h\u00e4ufigsten verwendete Markierung ein fetter, relativ kurzer Strich, der die Leitung abschlie\u00dft. Diese Linie wird immer waagerecht gezeichnet, damit die Erdungsmarkierungen auff\u00e4llig sind und man sofort sieht, welche Komponenten miteinander verbunden sind. Nat\u00fcrlich m\u00fcssen wir nicht hinzuf\u00fcgen, dass alle Komponenten, die mit dem Erdungssymbol gekennzeichnet (verbunden) sind, auch tats\u00e4chlich physisch miteinander verbunden sind. Es ist sehr wichtig, die Masseverbindung von der Erdverbindung zu unterscheiden, die – wie wir bereits erw\u00e4hnt haben – meist ein v\u00f6llig separater Stromkreis ist. Wir bezeichnen die Erdung h\u00e4ufig als drei Striche von zunehmend geringerer L\u00e4nge, wobei die elektrische Leitung mit dem l\u00e4ngsten dieser Striche verbunden ist. In vielen Diagrammen finden Sie auch das zweite Symbol f\u00fcr die Erdung, n\u00e4mlich einen einzelnen waagerechten Strich, an den drei kurze diagonale Striche angeh\u00e4ngt sind. Nat\u00fcrlich werden Sie auf den Schaltpl\u00e4nen auch andere Bezeichnungen f\u00fcr 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.). <\/p>\n

Praktische Hinweise zur Masse<\/h2>\n

Wenn Sie eine fertige Leiterplatte in die Hand nehmen, die z. B. aus einem Computer, einem Verst\u00e4rker oder auch einem Mobiltelefon ausgebaut wurde, werden Sie feststellen, dass neben den Leiterbahnen, die die einzelnen Bauteile miteinander verbinden, in der Regel auch eine gro\u00dfe Fl\u00e4che aus Kupfer vorhanden ist. Nat\u00fcrlich ist dieser Bereich bei den allermeisten Industrieplatinen – wie der Rest der Platine – mit einem so genannten L\u00f6tstopplack, z.B. in gr\u00fcn oder blau, abgedeckt. Schaut man sich die Leiterplatte jedoch genauer an, stellt man fest, dass die Freir\u00e4ume zwischen den Leiterbahnen und Bauteilen eine gro\u00dfe, gemeinsame Verbindung bilden. Diese Verbindung ist in den allermeisten F\u00e4llen tats\u00e4chlich… die Schaltungsmasse! Nat\u00fcrlich gibt es auch hier Ausnahmen, z. B. in speziellen Schaltungen, wo es mehrere solcher Kupferfelder (Polygone<\/em>) 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 Entst\u00f6rungseigenschaften besonders beliebt. Wenn die gesamte Leiterplatte, abgesehen von den Pfaden und Stellen, die f\u00fcr die L\u00f6tpads 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 St\u00f6rungen sch\u00fctzt (insbesondere vor St\u00f6rungen, 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 \u00c4nderungen an fertigen Schaltungen immer, ob Sie es tats\u00e4chlich mit einem Massefeld oder einer anderen Verbindung zu tun haben, die auf einem ganz anderen Potenzial liegen kann. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Zusammenfassung<\/h2>\n

In diesem Artikel haben wir die grundlegenden Konzepte und Unterschiede zwischen den – oft zweideutigen und verwirrenden – Bezeichnungen in der Elektrotechnik und Elektronik aufgezeigt. Wir haben die Unterschiede zwischen Erdung und Masse er\u00f6rtert. Nun liegt es an Ihnen, diese Informationen in die Praxis umzusetzen. Wenn Sie Schaltpl\u00e4ne lesen und sich mit der Dokumentation verschiedener Ger\u00e4te und Schaltkreise vertraut machen, werden Sie mit Sicherheit ein technisches Gesp\u00fcr entwickeln, das es Ihnen erm\u00f6glicht, bestimmte Strukturen in Schaltkreisen richtig zu erkennen, Messungen korrekt durchzuf\u00fchren und technische Zeichnungen zu lesen und dabei die Fehler zu vermeiden, die Anf\u00e4ngern in der Elektronik so h\u00e4ufig unterlaufen. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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GND\/Erdung – FAQ<\/h2>\n\n
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