Schiene
Englisch: rail
Ein Leiter, der auf einem festen elektrischen Potential relativ zur Erde gehalten wird, an den andere Schaltungselemente angeschlossen sind.
Schiene: die Spannungshauptleitung in jedem Stromkreis
Eine Schiene ist ein Leiter, üblicherweise ein Sammelschienensystem oder eine PCB-Leiterbahn, der auf einem definierten Spannungspotenzial liegt und als gemeinsamer Anschluss für mehrere Schaltungselemente fungiert. In einem Netzteil kann es eine positive Schiene bei +12V geben, eine negative Schiene gegen Masse und in komplexeren Systemen Zwischenschienen bei +5V oder +3,3V. Jede Komponente, die diese Spannung benötigt, wird an die Schiene angeschlossen, statt einzelne Leitungen zurück zur Quelle zu führen.
Schienen sind in der Industrieelektronik überall anzutreffen, weil sie ein praktisches Problem lösen: die Spannungsverteilung mit minimalem Spannungsabfall und maximaler Zuverlässigkeit. Eine dicke Kupfersammelschiene kann deutlich mehr Strom führen als einzelne Drähte, und ein einzelner Anschlusspunkt lässt sich leichter filtern, überwachen und schützen als Dutzende verstreute Verbindungen. In einem Schaltschrank sieht man Aluminium- oder Kupferschienen, die auf der Rückwand befestigt sind; auf einer Leiterplatte sind es Polygone oder durchgehende Kupferflächen unter einer Beschriftung wie VCC oder GND.
Varianten und Konfigurationen
Einfache Systeme mit einer Schiene haben eine Stromschiene und eine Masseschiene. Mehrschienenausführungen in Servern, Prüfgeräten und Industriereglern können Schienen bei 48V, 24V, 12V, 5V und 3,3V aufweisen, jeweils für unterschiedliche Teilsysteme zuständig. Manche Systeme nutzen virtuelle Schienen, die von Spannungsreglern erzeugt werden; so kann eine lokale Schiene bei 1,8V lokal aus einer höheren Spannungsschiene erzeugt werden. Die physikalische Ausführung ist unterschiedlich: flexible Kupferstreifen bei hohen Stromstärken, starre Sammelschienen in Schaltschränken und Lagerstapel in mehrlagigen Leiterplatten.
Stromtragfähigkeit und Störfestigkeit sind die Hauptkonstruktionsaspekte. Ist eine Schiene zu dünn oder zu lang, führt ihr Widerstand zu Spannungsabfall unter Last und unterbricht die nachgelagerten Schaltungen. Die Induktivität im Schienenpfad erzeugt Spannungsspitzen, wenn Lasten ein- und ausgeschaltet werden; deshalb setzen Konstrukteure Keramikkondensatoren direkt an den Bauteilkontakten an, um Störungen lokal zu entkoppeln. Bei hochfrequenten digitalen Systemen ist der Rückpfad (Masseschiene) ebenso kritisch, da ein schlechter Rückpfad Übersprechen und elektromagnetische Störungen verursacht.
Der Begriff Schiene kommt von der Ähnlichkeit mit Eisenbahngleisen: parallele Leiter, die Verkehr (Strom) entlang einer definierten Strecke führen. Das Wort bleibt in mechanischen Systemen, Pneumatik und Hydraulik bestehen, wo immer eine gemeinsame Leitung oder ein Verteiler mehrere Abzweigleitungen versorgt. In der Elektrotechnik verdeutlicht die Bezeichnung Schiene, dass es sich nicht um eine einzelne Verbindung handelt, sondern um ein Netz von Pfaden mit niedriger Impedanz, die auf einem stabilen Potenzial gehalten werden.