Eigenschaften, Anwendungen und Berechnungen von Gleichstrom – von Batterien bis zur Photovoltaik.
U = R × ISpannung = Widerstand × Strom
P = U × IElektrische Leistung bei Gleichstrom
Gleichstrom (DC, Direct Current) fließt immer in dieselbe Richtung und hat eine konstante Spannung. Er ist die Grundlage für Batterien, Elektronik und erneuerbare Energiesysteme.
Dieser Ratgeber erklärt die Eigenschaften von Gleichstrom, typische Anwendungen und wichtige Berechnungsgrundlagen.
| Eigenschaft | Gleichstrom (DC) | Wechselstrom (AC) |
|---|---|---|
| Richtung | Konstant | Wechselnd (50 Hz) |
| Spannung | Konstant | Sinusförmig |
| Symbol | = oder ⎓ | ~ |
| Transformation | Nur mit Wandler | Einfach mit Trafo |
| Übertragung | Kurze Strecken (oder HGÜ) | Weite Strecken |
| Speicherung | Batterien | Nicht direkt |
| Quelle | Spannung | Anwendung |
|---|---|---|
| Taschenlampenbatterie | 1,5 V | Kleinverbraucher |
| Autobatterie | 12 V | KFZ-Bordnetz |
| LKW-Batterie | 24 V | Nutzfahrzeuge |
| Haushalts-PV | 48 V (Speicher) | Solaranlagen |
| Industriesteuerung | 24 V DC | SPS, Sensoren |
| USB | 5 V | Elektronik |
| USB-C PD | 5-20 V | Schnellladung |
Bei Gleichstrom ist die Polarität (+ und −) entscheidend:
| Symbol | Bedeutung | Farbe |
|---|---|---|
| + | Pluspol, höheres Potential | Rot |
| − | Minuspol, niedrigeres Potential | Schwarz/Blau |
Wichtig: Verpolung kann Geräte zerstören!
U_ges = U₁ + U₂ + ... + U_n
Beispiel: 4× 1,5V Batterien in Reihe = 6 V
Kapazität addiert sich, Spannung bleibt gleich
Beispiel: 2× 12V/100Ah parallel = 12V/200Ah
| Bereich | Beispiele |
|---|---|
| Elektronik | Smartphone, Computer, SPS |
| Energiespeicher | Batterien, Akkus, Kondensatoren |
| Erneuerbare | Photovoltaik, Batteriespeicher |
| Fahrzeuge | E-Auto, E-Bike, Bahntechnik |
| Steuerung | 24V-Steuerkreise, Sensoren |
| Telekommunikation | Server, USV, PoE |
Umwandlung von AC zu DC:
| Schaltung | Glättung | Anwendung |
|---|---|---|
| Einweggleichrichter | Gering | Einfache Anwendungen |
| Brückengleichrichter | Besser | Standard-Netzteile |
| Mit Kondensator | Gut | Elektronik |
| Schaltnetzteil | Sehr gut | Moderne Geräte |
Aufgabe
Eine LED-Beleuchtung mit 12V/2A soll 8 Stunden mit einer Batterie betrieben werden.
Lösung
Eine 12V/20Ah Batterie ist für 8h Betrieb ausreichend.
DIN VDE 0100-712: Photovoltaik-Versorgungssysteme (DC-Seite)
DIN EN 50272: Sicherheitsanforderungen an Batterien
DIN VDE 0298-4: Strombelastbarkeit (gilt auch für DC)
Wichtige Festlegungen:
Gleichstrom (DC) – Zusammenfassung:
Eigenschaften:
Typische Spannungen:
| Anwendung | Spannung |
|---|---|
| USB | 5 V |
| Autobatterie | 12 V |
| SPS-Steuerung | 24 V |
| PV-Speicher | 48 V |
Berechnungen:
Gleichstrom hat keinen Nulldurchgang wie Wechselstrom. Daher erlischt ein Lichtbogen bei DC nicht von selbst. DC-Sicherungen und -Schalter müssen speziell für die Lichtbogenlöschung ausgelegt sein. Standard-AC-Sicherungen sind für DC-Anwendungen nicht geeignet!
Die Dimensionierung erfolgt nach DIN VDE 0298-4, genau wie bei AC. Wichtig: Bei niedrigen DC-Spannungen (12V, 24V) fließen hohe Ströme, daher oft dickere Querschnitte erforderlich. Beispiel: 1kW bei 12V = 83A, bei 230V nur 4,3A.
Bei DC ist die Leistung einfach P = U × I. Bei AC müssen Sie den Leistungsfaktor cos φ berücksichtigen: P = U × I × cos φ. Außerdem unterscheidet man bei AC zwischen Wirk-, Blind- und Scheinleistung.