Gleichspannung
Damit Strom fließen kann, wird eine elektrische Spannung benötigt, die durch Ladungstrennung erzeugt wird. Auf der einen Seite entsteht ein Pluspol und auf der anderen Seite ein Minuspol. Verbindet man die beiden Pole über einen elektrischen Leiter mit einem elektrischen Gerät, fließen die Elektronen (physikalisch) über das Gerät vom Minuspol zum Pluspol und treiben dadurch das Gerät an. In der Elektrotechnik wird der Stromfluss zwischen Gleichstrom und Wechselstrom unterschieden. Beim Gleichstrom fließen die Elektronen immer in die gleiche Richtung. Daher bleiben Plus- und Minuspol einer Spannungsquelle immer gleich und die Spannungsart wird Gleichspannung genannt.
Die elektrische Spannung muss dabei nicht konstant sein, sondern kann auch pulsieren, weshalb hierfür der Begriff pulsierende Gleichspannung verwendet wird. Es darf jedoch die Polarität nicht ändern, dass z.B. der Minuspol zwischenzeitlich zum Pluspol wird und umgekehrt. Nachfolgend sind die Spannungsverläufe vom "klassischen" und pulsierenden Gleichstrom abgebildet.
Gleichstrom lässt sich mit Batterien, Solarmodulen, Brennstoffzellen oder Gleichstromgeneratoren erzeugen. Eine pulsierende Gleichspannung kann erzeugt werden, wenn man Wechselstrom mit Gleichrichtern in Gleichspannung umwandelt. Diese Methode wird häufig angewendet, wenn ein Gerät oder ein Bauteil Gleichstrom benötigt, als Spannungsquelle jedoch Wechselspannung zur Verfügung steht. Umgekehrt kann Gleichstrom mit Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt werden.
Gleichstrom im Vergleich zu Wechselstrom
In den Anfangsjahren der Elektrotechnik stand die Menschheit vor der grundsätzlichen Frage, ob sie Stromnetze aus Gleichstrom oder Wechselstrom aufbauen wollen. Auch wenn viele Geräte Gleichstrom benötigen und bei diesen Geräten der Wechselstrom mit Gleichrichtern aufwendig umgewandelt werden muss, hat sich die Wechselstromtechnik durchgesetzt. Ein Hauptgrund hierfür ist, dass die elektrische Spannung beim Wechselstrom nahezu verlustfrei mit Transformatoren hoch- und runtertransformieren lässt. So kann man z.B. für große Strecken die elektrische Spannung hochtransformieren, den elektrischen Strom transportieren, am Zielort wieder auf die gewünschte Spannung runtertransformieren und verteilen, z.B. an die Haushalte.
Das Transformieren von Strom geht in den Haushalten weiter. Viele Geräte benötigen eine niedrigere Spannung als die, die in den Steckdosen bereitgestellt wird. Daher sind die Netzteile der Geräte häufig mit einem kleinen Transformator (kurz Trafo) ausgestattet, wodurch die elektrische Spannung auf das gewünschte Niveau reduziert wird. Mit einem Transformator wird Wechselspannung auf einfache Art und Weise hoch- oder runtertransformiert. Transformatoren können jedoch nicht mit Gleichstrom betrieben werden und das ist einer der Hauptgründe, weshalb Wechselstrom sich gegenüber Gleichstrom durchgesetzt hat.
Denn, stromdurchflossene Leiter bauen ein Magnetfeld auf. Umgekehrt kann man während einer Magnetfeldänderung wieder elektrische Spannung erzeugen. Beim Gleichstrom gibt es diese Wechselwirkung nicht. Ist ein Magnetfeld einmal aufgebaut, bleibt das Magnetfeld wie es ist und ändert sich nicht. Da Transformatoren jedoch ein sich ständig änderndes Magnetfeld benötigen, können sie mit Gleichstrom nicht betrieben werden. Beim Wechselstrom ist dagegen diese Anforderung gegeben.
Da immer mehr Wert auf Energieeffizienz gelegt wird, bekommt Gleichstrom zunehmend eine verstärkte Beachtung. Insbesondere bei der Übertragung über sehr große Distanzen bietet Gleichstrom Vorteile gegenüber Wechselstrom bzw. Drehstrom, weil die Verluste hierbei geringer sind. Daher wird bei Punkt-zu-Punkt Verbindungen vermehrt auf sogenannte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) gesetzt. Dabei wird Drehstrom in Konverterstationen in Gleichstrom umgewandelt, übertragen und am Zielort wieder in Drehstrom umgewandelt. Eine verlustarme Konvertierung ermöglichen halbleitergestützte Umrichter.
In Gebäuden, in denen sehr viele Geräte betrieben werden, die Gleichstrom benötigen, kann sich die direkte Stromversorgung mit Gleichstrom ebenfalls lohnen. In Rechenzentren werden beispielsweise viele Server betrieben, die mit Gleichstrom arbeiten. In der Vergangenheit wurde der Strom bei allen Geräten mit Gleichrichtern auf Gleichstrom umgestellt. Bei einer direkten Versorgung mit Gleichstrom können viele Komponenten entfallen, da eine Umwandlung nicht mehr notwendig ist. Somit entfallen auch Energieverluste, die bei jeder Umwandlung auftreten und es muss weniger gekühlt werden.