(ET2-09) Ideale und reale Spannungsquellen [Erklärung, Formeln, Beispiele, Lernclips]

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Inhaltsverzeichnis:

In diesem Kurstext stellen wir dir die Formen von Spannungsquellen vor, die dir als Techniker begegnen können.

Für ein optimales Verständnis hilft dir insgesamt 2 Videoclips und 3 ausführliche Übungsbeispiele zu dem Thema. 

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET2-Gleichstromtechnik

 

Merk’s dir!

“Spannungsquellen haben zwei Ausprägungen, denn sie können real oder ideal sein.”

 

Ideale Spannungsquelle

Die idealen Quellen kennzeichnet, dass eine Spannung an den Klemmen gebildet wird. Schließt du nun eine Glühbirne (Verbraucher) an die Klemmen an, so fließt ein Strom.

 

Spannungsquellen - Wolframdraht einer Glühbirne
Quellen – Wolframdraht einer Glühbirne

 

Die Intensität dieses Stromflusses hängt direkt von der Höhe des Widerstandes der Glühbirne (bzw. des Glühdrahtes) ab.

 

Die an der Spannungsquelle erzeugte Potentialdifferenz zwischen den Klemmen, nennt der Techniker eine Quellenspannung Uq.

 

Sie ist unabhängig vom Strom und kann positiv, negativ sein oder den Wert null annehmen.

 

Gleich knallt’s…

Wird eine Verbindung zwischen den Klemmen hergestellt, ohne dass ein Verbraucher /Widerstand zwischen geschaltet ist, kommt es zum Kurzschluss, da ein gleiches Potential zwischen den Klemmen vorliegt.

 

  U_Q \not= 0          Quellenspannung (Vorgabe)

gilt dann nicht mehr.

 

Schaltzeichen für eine Spannungsquelle

In der nächsten Abbildung siehst du die Darstellung einer idealen Spannungsquelle, so wie du sie in Schaltplänen findest:

 

Ideale Spannungsquellen - Schaltzeichen
Ideale Spannungsquellen – Schaltzeichen
Ideale Spannungsquellen – Schaltzeichen

 

 

Schaltzeichen – Batterien

Batterien kommt eine besondere Stellung zu. Denn hier ist die Polarität innerhalb eines Schaltplanes festgelegt.

Soll die Polarität geändert werden, so muss auch das Schaltzeichen entsprechend geändert werden.

Spannungsquellen - Schaltzeichen - Batterie
Spannungsquellen – Schaltzeichen – Batterie
Spannungsquellen – Schaltzeichen – Batterie

 

Reale Spannungsquellen

Bei einer realen Spannungsquelle ist die Spannung weitestgehend konstant und der fließende Strom nimmt einen Wert zwischen null und i_{max} an.

 

Merk’s dir!

Tritt der Fall auf, dass der Maximalstrom i_{max} überschritten wird, so senkt sich die Spannung an der Quelle um die Schaltungen vor einer Überlastung zu schützen.

 

Darstellung der Spannungsquellen im Koordinatensystem

Sowohl die ideale als auch die reale Spannungsquelle können in einem Koordinatensystem dargestellt werden. Die U-I-Kennlinie (Spannung-Strom-Kennlinie) verläuft aber jeweils anders.

 

U-I-Kennlinie – Ideale Spannungsquellen

Bei einer idealen Spannungsquelle verläuft die grüne Linie (U_Q) durch zwei (Q1-Q2) der vier Quadranten (Q1-Q4). Der Strom kann sowohl positive als auch negative Werte annehmen.

 

U-I-Kennlinie - Ideale Spannungsquelle
U-I-Kennlinie – Ideale Spannungsquelle
U-I-Kennlinie – Ideale Spannungsquelle

 

U-I-Kennlinie – Reale Spannungsquellen

Bei einer realen Spannungsquelle hingegen verläuft die Linie lediglich innerhalb eines Quadranten (Q2). Da kann der Strom nur Werte zwischen null und dem Maximalwert annehmen, d.h. ausschließlich positive Werte.

U-I-Kennlinie - Reale Spannungsquelle
U-I-Kennlinie – Reale Spannungsquelle
U-I-Kennlinie – Reale Spannungsquelle

 

Auch der oben beschriebene Effekt der Notregulierung der Spannung ist in dieser Abbildung berücksichtigt.

 

Unterschiede Reale und ideale Spannungsquelle:

Ideale und reale Spannungsquellen - Vergleich
Ideale und reale Spannungsquellen – Vergleich
Ideale und reale Spannungsquellen – Vergleich

 

Wenn die ideale Spannungsquelle keinen Innenwiderstand aufweist, so ist die Spannung unabhängig vom angeschlossenen Widerstand an den Klemmen.

U_q = R_1 \cdot I

 

Wenn die reale Spannungsquelle einen Innenwiderstand R_I aufweist, so muss die Spannung am angeschlossenen Widerstand nicht der Quellenspannung entsprechen.

 

U_q = R_1 \cdot I + R_I \cdot I

 

Fazit:

Wenn du eine reale Spannungsquelle an eine ideale Spannungsquelle angleichen möchtest, so sollte der Innenwiderstand der Schaltung so gering wie möglich ausfallen.

 

Was kommt als Nächstes?

Im nächsten Kurstext stellen wir dir ausführlich die ideale und reale Stromquelle vor.

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