Verhalten von Spannungsquellen

Strom und Spannung kennst du sicherlich schon aus dem Alltag und kannst dir was darunter vorstellen. In deiner Ausbildung ist dir jetzt jedoch der Begriff Spannungsquellen begegnet. Doch was ist das überhaupt?

Was sind Spannungsquellen? Wie reagieren sie auf Belastung? Welche Anpassungen gibt es und wie können sie geschaltet werden?

simpleclub hilft dir, bei den Spannungsquellen den Durchblick zu behalten ohne selber unter Strom zu stehen!

Verhalten von Spannungsquellen einfach erklärt

Spannungsquellen haben zwei Anschlüsse: Einen Plus- und einen Minuspol.

Je nachdem wie stark die Spannungsquelle belastet wird, kann es zu einem Leerlauf oder Kurzschluss kommen. Es fließt entweder kein Strom oder der maximal mögliche Strom.
Unterteilt man Spannungsquellen weiter gibt es noch elektrochemische Spannungsquellen. Dazu gehört zum Beispiel eine Autobatterie.

Möchte man das Optimum erreichen, so kann man in die drei Arten Stromanpassung, Spannungsanpassung und Leistungsanpassung unterscheiden. Dabei wird das Verhältnis vom Lastwiderstand zum Innenwiderstand geändert.

Außerdem können Spannungsquellen in Reihe und Parallel geschaltet werden. Also entweder nebeneinander oder nacheinander, wodurch sich dann die Spannung oder die Stromstärke verändert.

Verhalten von Spannungsquellen Definition

Verhalten von Spannungsquellen Überblick

Belastungsfälle

Die \text{U} = \text{f(I)}$\text{U} = \text{f(I)}$-Kennlinie dient dazu, den Zusammenhang zwischen Klemmspannung \text{U}$\text{U}$ und Laststrom \text{I}$\text{I}$ darzustellen. Sie zeigt: Je mehr Strom ein Verbraucher benötigt (kleiner Widerstand), desto mehr fällt die Spannung an der Quelle ab.

Elektrochemische Spannungsquellen

Bei den elektrochemischen Spannungsquellen wird in Primär- und Sekundärelemente unterschieden.
Primärelemente geben direkt Strom ab, sobald der Kreislauf geschlossen ist und können nicht aufgeladen werden.
Sekundärelementen muss zusätzlich elektrische Energie z. B. durch Laden hinzugefügt werden.
Zusätzlich dazu unterscheidet man noch in die drei Kenngrößen Entladespannung, Kapazität und Energiedichte.

Anpassung von Spannungsquellen

Bei der Anpassung geht es darum, für den Lastwiderstand (auch: Verbraucher) die optimalen Bedingungen herauszuholen. Diese unterscheiden sich bei Strom, Spannung und Leistung.

Stromanpassung

Bei der Stromanpassung wird sich die Frage gestellt, wie der maximale Strom am Lastwiderstand hergestellt werden kann.
Je kleiner der Lastwiderstand ist, desto größer ist der Strom \text{I}$\text{I}$.

Bei der Stromanpassung muss der Lastwiderstand demnach kleiner sein, als der Innenwiderstand der Spannungsquellen. Es gilt: \text{R}_{\text{L}} << \text{R}_{\text{i}}$\text{R}_{\text{L}} << \text{R}_{\text{i}}$

Spannungsanpassung

Bei der Spannungsanpassung soll eine maximale Spannung \text{U}_\text{L}$\text{U}_\text{L}$ am Lastwiderstand hergestellt werden.

Daraus ergibt sich, dass der Lastwiderstand bei der Spannungsanpassung viel größer sein muss, als der Innenwiderstand um sein Maximum zu erreichen. Es gilt: \text{R}_{\text{L}} >> \text{R}_{\text{i}}$\text{R}_{\text{L}} >> \text{R}_{\text{i}}$

Leistungsanpassung

Die Leistungsanpassung hat das Ziel, die maximale Leistung am Lastwiderstand zu erreichen. Als Grundlage dient die Berechnung der Leistung durch die Formel \text{P} = \text{U} \cdot \text{I}$\text{P} = \text{U} \cdot \text{I}$.
Um die maximale Leistung zu erhalten, muss auch der Strom und die Spannung am Lastwiderstand beim Maximum liegen. Das Problem hierbei ist, dass der Strom bei steigendem Lastwiderstand kleiner und die Spannung größer wird.

Die Leistung ist also das Produkt der zwei Kennlinien von Strom und Spannung. Es gilt: \text{R}_{\text{L}} = \text{R}_{\text{i}}$\text{R}_{\text{L}} = \text{R}_{\text{i}}$

Schaltung von Spannungsquellen

Reihenschaltung

Zellen können wegen chemischer und physikalischer Prozesse nur eine begrenzte Spannung abgeben. Um größere Spannungen zu erreichen, können Spannungsquellen in Reihe geschaltet werden.
Kommt es zu einer Reihenschaltung so addieren sich die Innenwiderstände und Quellspannungen.

Bei der Reihenschaltung werden alle Spannungsquellen vom selben Strom durchflossen.

Parallelschaltung

Eine Methode, um die Stromstärke zu erhöhen, ist eine Parallelschaltung. Dadurch addieren sich die einzelnen Ströme.

Wichtig ist jedoch, dass die Leerlaufspannung und der Innenwiderstand der einzelnen Spannungsquellen immer gleich ist. Kommt es zu Unterschieden, so fließt ein Ausgleichsstrom zwischen den Spannungsquellen, der die Zellen entlädt.

Belastete Spannungsquellen Beispiel

Strom-, Spannungs- und Leistungsanpassung Beispiel

Die Strom-, Spannungs- und Leistungsanpassungen können auch berechnet werden:

• Stromanpassung:
  Der Innenwiderstand \text{R}_\text{i}$\text{R}_\text{i}$ beträgt in diesem Beispiel 1 \Omega$\Omega$. Wenn der Lastwiderstand \text{R}_\text{L}$\text{R}_\text{L}$ 1 \Omega$\Omega$ beträgt, ergibt sich dadurch ein Gesamtwiderstand von 2 \Omega$\Omega$ der durch die 10 Volt Quellspannung geteilt wird. Daraus ergibt sich ein Strom von 5 Ampere am Lastwiderstand. Angenommen der Lastwiderstand beträgt 0,1 \Omega$\Omega$ dann ergibt sich ein Strom am Lastwiderstand von 9,09 Ampere.
  Daher gilt bei der Stromanpassung: \text{R}_{\text{L}} << \text{R}_{\text{i}}$\text{R}_{\text{L}} << \text{R}_{\text{i}}$

• Spannungsanpassung:
  Hier beträgt der Innenwiderstand ebenfalls 1 \Omega$\Omega$ und die Quellspannung 10 Volt. Bei der Spannungsanpassung teilen sich die Spannung gleichmäßig entsprechend der Widerstände auf. Beträgt der Lastwiderstand \text{R}_\text{L}$\text{R}_\text{L}$ jetzt also 9 \Omega$\Omega$, so ist in diesem Beispiel auch die Spannung bei 9 Volt.
  Daher gilt bei Spannungsanpassung: \text{R}_{\text{L}} >> \text{R}_{\text{i}}$\text{R}_{\text{L}} >> \text{R}_{\text{i}}$

• Leistungsanpassung:
  Die Leistung berechnet sich aus \text{P} = \text{U} \cdot \text{I}$\text{P} = \text{U} \cdot \text{I}$. In diesem Beispiel ist es der Schnittpunkt der zwei Kennlinien Strom und Spannung. Das Maximum liegt also am Punkt, an dem der Lastwiderstand \text{R}_\text{L}$\text{R}_\text{L}$ 1 \Omega$\Omega$ beträgt.
  Daher gilt bei der Leistungsanpassung: \text{R}_{\text{L}} = \text{R}_{\text{i}}$\text{R}_{\text{L}} = \text{R}_{\text{i}}$

Belastung einer Autobatterie

Das Ganze kann man sich am Beispiel eines Autos vorstellen:

Um ein Auto zu starten, muss sich der Anlasser schnell drehen, da ein großer Stromfluss vorhanden sein muss. Dafür ist eine Batterie mit einer hohen Spannung notwendig. Normale Autobatterien haben circa 12 V.
Während des Startvorgangs sinkt die Spannung ein wenig ab und lädt sich während der Fahrt wieder auf.

Ist eine Batterie nun aber nicht komplett geladen, kaputt oder schon sehr alt kann es passieren, dass das Auto nicht mehr gestartet werden kann.

Belastete Spannungsquellen Zusammenfassung

Eine Spannungsquelle ist ein elektrisches Element, das zwei Anschlüsse besitzt.

Je nachdem ob es zu einer hohen Spannung oder hohen Stromstärke kommt, kann die Zelle belastet werden und es kommt zu einem Leerlauf oder Kurzschluss. Mithilfe der \text{U} = \text{f(I)}$\text{U} = \text{f(I)}$-Kennlinie kann der Zusammenhang von Stromstärke und Spannung und der daraus resultierenden Veränderung des Widerstands gezeigt werden. Allgemein gilt, je höher die Stromstärke, desto geringer ist die Spannung.

Bei den elektrochemischen Spannungsquellen kann man in die Kenngrößen Entladungsspannung, Kapazität und Energiedichte unterscheiden. Die Entladungsspannung gibt an, wie hoch die Klemmspannung bei einer Entladung der Zelle ist. Die Kapazität sagt aus, wie lange welche Stromstärke abgerufen werden kann und die Energiedichte gibt die Kapazität pro Volumen an.

Um das Optimum herauszuholen, gibt es die Stromanpassung, Spannungsanpassung und Leistungsanpassung. Die Leistungsanpassung ist vom Strom und der Spannung abhängig.

Außerdem können Spannungsquellen auch in Reihe und Parallel geschaltet werden. Bei der Reihenschaltung kommt es zu einer Addition der einzelnen Innenwiderstände sowie der Quellspannung. Bei der Parallelschaltung hingegen addieren sich schlussendlich die Stromstärken.