Tabelle 1: Die vier unterschiedlichen Arten von Masse und Erde.

Tabelle 1: Die vier unterschiedlichen Arten von Masse und Erde. Intersil

Erde ist eine vertraute Sache: Wir stehen auf ihr, graben sie um oder bauen im Urlaub daraus Sandburgen. Wenn also eine elektrische Schaltung geerdet werden soll, gehen wir intuitiv davon aus, dass diese Verbindung genau so fest ist wie der Boden unter unseren Füßen. In vielen Fällen ist das eine vernünftige Annahme – aber nicht immer. Um die Hintergründe systematisch zu untersuchen, ist zunächst etwas Terminologie gefragt (Tabelle 1). Mit „Masse“ (Ground) werden verschiedene Schaltungsknoten bezeichnet:

  • Erdfreie Masse (Floating Ground) bezeichnet Referenzpunkte innerhalb eines galvanisch isolierten Systems. Sie dienen als bloße Referenz und liegen nur bedingt auf dem 0-V-Potenzial.
  • Virtuelle Masse (Virtual Ground) existiert mit negativer Rückkopplung am invertierenden Terminal eines Operationsverstärkers. Wird der nicht-invertierende Eingang auf Null-Potenzial gehalten, bedingt die Rückkopplung (in einer stabilen Schaltung) das gleiche Potenzial am invertierenden Anschluss. Dieser Wert wird nur per Rückkopplung aufrechterhalten und bietet keinen stabilen Rückweg für andere in der Schaltung fließende Ströme.
  • Betriebserde (AC Ground) ist ein Schaltungspunkt mit Gleichspannung niedriger Impedanz. Diese Gleichspannung ist stabil, mit geringen schaltungsbedingten Fluktuationen. Wegen seines Gleichspannungspotenzials eignet er sich nicht zur Erdung. Er bietet aber, wegen seiner Stabilität, eine gute Referenz. Denn für Wechselspannungen (oder kleine Nutzsignale) verhalten sich solche Punkte als unveränderlich – praktisch wie Erdpotenzial.
  • Erde (Earth Ground) oder Erdpotenzial ist exakt, was das Wort besagt: Jedes Haus hat einen Tiefenerder im Erdreich, der Fehlerströme ableitet. Ohne vergrabene Stromquellen, etwa Batterien, ist die obere Erdschicht recht homogen. Trotzdem kann am Nachbarhaus ein Potenzialunterschied von einigen Hundert Mikrovolt auftreten.

Was ist Masse?

Befragt man Ingenieure nach einer Definition von Masse oder Ground, dann lauten typische Antworten „Null Volt“ oder „Null-Referenz“. Eine weiter gehende Definition liefert die Wikipedia: „Ein großer leitender Körper (wie die Erde), der als gemeinsamer Rückleiter für einen elektrischen Strom und als arbiträres Nullpotenzial genutzt wird.“ Diese Definition ist ganz hilfreich: Sie verweist auf die Doppelrolle der Masseverbindung bezüglich Spannung und Strom.

Um diese Doppelrolle genauer zu untersuchen, eignet sich der extrem einfache schematische Schaltkreis in Bild 1a. Die Schaltung könnte eine Vielfalt verschiedener Systeme repräsentieren – eine Taschenlampe, eine Kaffeemaschine oder einen iPod. Auch Bild 1b repräsentiert diese Schaltungen. Natürlich denkt man nicht im Traum daran, ein Gerät beim Abschalten von der Erde zu trennen. Man trennt es auf der Stromversorgungsseite.

Bild 1: Einfaches Schaltungsbeispiel. Ein Schalter unterbricht den Stromfluss auf dem Hin- oder Rückweg der Versorgung.

Bild 1: Einfaches Schaltungsbeispiel. Ein Schalter unterbricht den Stromfluss auf dem Hin- oder Rückweg der Versorgung. Intersil

Dabei sind beide Wege gleich effektiv: Last und Schalter liegen in Serie, also ist die Reihenfolge irrelevant. Ein offener Schalter unterbricht den Stromfluss. Null Strom durch die Last heißt Null Leistung in der Last. Die Schaltung nach Bild 1a wird aber ungleich häufiger eingesetzt als die in Bild 1b, und zwar aus praktischen Gründen: Es ist wahrscheinlicher, dass ein System unvorhergesehenen Erdschluss bekommt (etwa über einen losen Draht am Chassis) und damit unerwünschte Leistung in der Last bewirkt, als umgekehrt durch eine zufällige Berührung mit der Stromversorgung. Das Prinzip ist aber ganz nützlich zum Verständnis.

Die Verbindungsleitungen zwischen Stromquelle und Last können recht unterschiedlich lang sein – Zentimeter in Haushaltgeräten oder viele Kilometer in Stromversorgungsnetzen. In kleinen Systemen ist die Annahme verlustloser Leitungen naheliegend und vernünftig. Bei wachsenden Systemdimensionen lassen sich die Verbindungen (Drähte, Metallisierungen, Schnittstellen) nicht mehr einfach als verlustlos ansehen. Ein Extrembeispiel sind die Netzleitungen vom Stromversorger zum Verbraucher. Vor den Umspannstationen wird die elektrische Leistung als Hochspannung mit einigen Hundert Kilovolt und minimalen Strömen transformiert, um die Verluste infolge des Serienwiderstandes zu begrenzen.

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