Die elektrische Spannung im Kfz

Damit Strom fließt, braucht es einen „Antrieb“. Diesen Antrieb nennt man elektrische Spannung. Sie entsteht, wenn an zwei Punkten unterschiedlich viele Ladungen angehäuft sind: auf der einen Seite ein Elektronenüberschuss, auf der anderen ein Elektronenmangel. Die Ladungen wollen diesen Unterschied ausgleichen, und sobald ein leitender Weg vorhanden ist, fließt Strom.

Die Einheit der Spannung ist das Volt (V), benannt nach Alessandro Volta, der um 1800 die erste Batterie baute. Das Formelzeichen ist U.

Die Wasseranalogie

Das Bild oben hilft beim Verständnis: Wasser fließt vom oberen Behälter nach unten und treibt dabei eine Turbine an. Der Höhenunterschied entspricht der Spannung, die Wassermenge pro Sekunde dem Strom und die Turbine dem Verbraucher. Ohne Höhenunterschied fließt kein Wasser, auch wenn die Rohre voll sind.

Im Fahrzeug gibt es heute mehrere Spannungsebenen, von wenigen Volt für Sensoren bis zu mehreren hundert Volt im Elektroantrieb. Tippe auf eine Karte.

Die Werte sind Richtwerte für Blei-Säure-Batterien und gelten nur, wenn die Batterie einige Stunden weder geladen noch belastet wurde. AGM- und EFB-Batterien haben etwas andere Kennwerte. Genauer ist ein Batterietester.

Eine Spannung besteht immer zwischen zwei Punkten. Um trotzdem sagen zu können „an diesem Pin liegen 5 V“, braucht man einen gemeinsamen Bezugspunkt. Im Fahrzeug ist das die Masse, also Karosserie und Minuspol der Batterie. Ihr ordnet man das Potenzial 0 V zu.

Das Potenzial eines Punktes ist seine Spannung gegenüber Masse. Die Spannung zwischen zwei beliebigen Punkten ist die Differenz ihrer Potenziale:

Wenn im Schaltplan oder in einer Prüfanleitung „Spannung am Pin 3“ steht, ist fast immer die Spannung gegen Masse gemeint. Die schwarze Messleitung kommt dann an eine gute Masse, zum Beispiel den Minuspol der Batterie.

Liegen mehrere Widerstände hintereinander in einem Stromkreis, teilt sich die Spannung der Quelle auf sie auf. Die Teilspannungen zusammen ergeben immer die Gesamtspannung. Das ist die Maschenregel, das 2. Kirchhoffsche Gesetz:

Jeder Widerstand bekommt dabei einen Anteil, der seiner Größe entspricht: Der größere Widerstand bekommt die größere Spannung. Das gilt auch für ungewollte Widerstände. Ein korrodierter Stecker ist nichts anderes als ein zusätzlicher Widerstand in Reihe zum Verbraucher, und er „stiehlt“ dem Verbraucher Spannung. Genau das zeigt der Simulator im Kapitel 6.

Ein Voltmeter misst den Unterschied zwischen zwei Punkten. Es wird deshalb parallel angeschlossen, der Stromkreis bleibt geschlossen. Sein Innenwiderstand ist sehr hoch, typisch 10 MΩ, damit es selbst kaum Strom aufnimmt und die Schaltung nicht verfälscht.

1. Messart wählenGleichspannung (V mit geradem Strich) für das Bordnetz, Wechselspannung (V mit Wellenlinie) etwa für Welligkeit oder induktive Sensoren.
2. Messleitungen steckenSchwarz an COM, Rot an die V-Buchse. Nach einer Strommessung besonders darauf achten.
3. Bezugspunkt wählenFür „Spannung gegen Masse“ die schwarze Leitung an eine saubere Masse legen.
4. Unter Last messenEine Spannung ohne Last sagt wenig. Eine Leitung mit hohem Übergangswiderstand zeigt ohne Strom die volle Spannung, bricht aber ein, sobald der Verbraucher eingeschaltet ist.

Die Spannungsfallmessung ist eine der wertvollsten Methoden in der Kfz-Elektrik. Statt die Spannung gegen Masse zu messen, misst man direkt über einer Leitung, einem Schalter oder einem Kontakt, während Strom fließt. Eine intakte Verbindung hat fast keinen Widerstand, also fast keinen Spannungsfall. Zeigt das Messgerät einige Zehntel Volt oder mehr, sitzt genau dort ein Übergangswiderstand.

Als Faustregel gilt für einzelne Verbindungen im Laststromkreis: Deutlich unter 0,1 V ist gut, einige Zehntel Volt sind verdächtig. Bei Hochstromkreisen wie Anlasser und Generator vergleicht man mit den Herstellerwerten, denn dort sind wegen der hohen Ströme auch kleine Widerstände entscheidend.

5 Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Physikalisch ist die Spannung die Energie, die eine Ladung beim Durchlaufen zwischen zwei Punkten abgibt oder aufnimmt, bezogen auf die Ladung:

Daraus folgt direkt die elektrische Leistung: Fließt pro Sekunde die Ladung I, wird pro Sekunde die Energie U · I umgesetzt, also P = U · I.

Zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichem Potenzial besteht ein elektrisches Feld. In einem homogenen Feld, etwa zwischen zwei parallelen Platten im Abstand d, gilt E = U / d. Die Feldstärke ist der Grund, warum hohe Spannungen durch Luft springen können: Ab etwa 3 kV pro Millimeter wird trockene Luft bei Normaldruck leitend. Im Brennraum ist der Druck viel höher und die Durchschlagsspannung steigt entsprechend, deshalb braucht die Zündkerze Spannungen im Bereich von einigen zehntausend Volt.

Zwei Widerstände in Reihe bilden einen Spannungsteiler. Die Spannung am unteren Widerstand ergibt sich aus dem Verhältnis der Widerstände:

Der Spannungsteiler ist im Fahrzeug allgegenwärtig. Temperatursensoren mit NTC bilden mit einem Widerstand im Steuergerät einen Spannungsteiler an 5 V, Potentiometer in Pedalwertgebern sind verstellbare Spannungsteiler, und Schalterabfragen arbeiten mit Widerstandskodierungen, bei denen jede Schalterstellung eine andere Teilspannung ergibt.

Belasteter Spannungsteiler

Die Formel gilt nur, solange am Abgriff kein nennenswerter Strom entnommen wird. Hängt man einen Lastwiderstand R_L parallel zu R₂, wirkt nur noch die Parallelschaltung, und U₂ sinkt. Deshalb sind die Eingänge von Steuergeräten und Messgeräten sehr hochohmig.

Jede reale Spannungsquelle hat einen Innenwiderstand R_i. Bei einer Batterie entsteht er durch Elektrolyt, Platten, Verbinder und Pole. Fließt Strom, fällt ein Teil der Spannung schon in der Batterie ab, und an den Polen, den Klemmen, kommt weniger an:

Eine neue Starterbatterie hat einen Innenwiderstand von wenigen Milliohm. Durch Alterung, Sulfatierung und Kälte steigt er deutlich an. Die Leerlaufspannung verrät das nicht: Eine gealterte Batterie kann 12,7 V zeigen und trotzdem beim Starten zusammenbrechen. Moderne Batterietester messen deshalb den Innenwiderstand bzw. die Leitfähigkeit und berechnen daraus den Kaltstartstrom.

Warum nicht alles mit 12 V betreiben? Die Antwort steckt in der Leistungsformel. Für dieselbe Leistung braucht man bei höherer Spannung weniger Strom:

Die Spannungsebenen sind über DC/DC-Wandler miteinander verbunden. Beim Elektrofahrzeug versorgt der Wandler das 12-V-Bordnetz aus der Hochvoltbatterie und ersetzt damit den Generator. Die 12-V-Batterie bleibt trotzdem nötig, weil sie beim Einschalten die Steuergeräte und die Hochvolt-Schütze versorgt.

Die 48-V-Ebene wurde bewusst unter 60 V gewählt: Unterhalb dieser Grenze gilt ein System nicht als Hochvolt, die aufwendigen Berührschutzmaßnahmen entfallen.

Eine sinusförmige Wechselspannung wird durch Scheitelwert û, Effektivwert U_eff und Frequenz beschrieben. Wie beim Strom gilt für reine Sinusform:

Welligkeit des Generators

Der Generator liefert nach der Gleichrichtung keine völlig glatte Gleichspannung. Ihr ist eine kleine Wechselspannung überlagert, die Welligkeit. Mit dem Oszilloskop im AC-Modus oder mit dem Multimeter im Wechselspannungsbereich direkt an der Batterie gemessen, liegt sie bei einem intakten Generator im Bereich weniger hundert Millivolt. Ist eine Gleichrichterdiode defekt, wird sie deutlich größer, und das Oszilloskopbild zeigt ein charakteristisch unregelmäßiges Muster mit Lücken.

Mehr zur Gleichrichtung zeigt die Lernunterlage Dioden.

Das Bordnetz ist nicht so ruhig, wie die Nennspannung vermuten lässt. Steuergeräte müssen eine Reihe genormter Störungen aushalten:

Profitipps

• Bei Startproblemen die Spannung am Anlasser und an der Batterie gleichzeitig während des Startens aufzeichnen. Die Differenz zeigt den Spannungsfall in den Leitungen.
• Nie die Batterie bei laufendem Motor abklemmen, um den Generator zu „testen“. Das kann einen Load Dump auslösen und Elektronik zerstören.
• Beim Überbrücken und Laden auf die richtige Reihenfolge und auf Spannungsspitzen achten, besonders bei Start-Stopp-Fahrzeugen mit Batteriesensor. Den Minus-Anschluss nach Herstellervorgabe an den Massepunkt legen, nicht direkt an den Minuspol.
• Sporadische Fehler in vielen Steuergeräten gleichzeitig deuten oft auf Spannungseinbrüche oder Masseprobleme, nicht auf defekte Steuergeräte.

6 Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.