(ET3-28) Elektrische Leistung im Strom-Spannungs-Diagramm

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In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Ingenieur und Techniker ganz einfach, wie die Strom-Spannungs-Kennlinie als Diagramm zu zeichnen ist. Außerdem erklären wir dir was hinter dem Thevenin-Theorem steckt. 

Für ein optimales Verständnis helfen dir drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET3-Netzwerkberechnung

 

Merk’s dir!

“Die Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung an zweipoligen elektrischen Bauelementen in Netzwerken.”

 

Eine lineare Kennlinie liegt uns im einfachsten Fall vor. Das ist zum Beispiel der Fall wenn der Innenwiderstand des Elements ein ohmscher Widerstand ist. So einen Fall hat man, wenn eine ideale Spannungsquelle mit einem Widerstand in Reihe geschaltet wird.

 

Zweipolige elektrische Bauelemente sind:

  • Ohm’sche Widerstände,

sowie

  • Solarzellen,

sowie

  • Dioden

sowie

  • Akkumulatoren.

 

Wir erklären dir zudem einfach und unkompliziert, dass die Werte aus diesem Diagramm abgelesen und diese anschließend für einzelne Bauteile von dir ausgewertet werden können.

Strom-Spannungs-Kennlinie - Umspannwerk
Strom-Spannungs-Kennlinie – Umspannwerk
Strom-Spannungs-Kennlinie

 

Strom-Spannungs-Kennlinie – Grundlagen

Merk’s dir!

Im Strom-Spannungs-Diagramm, kurz U-I-Diagramm, wird das Verhältnis zwischen den beiden elektrischen Größen elektrischer Strom und elektrische Spannung im Stromkreis als Kennlinie dargestellt.

 

Thevenin-Theorem – Grundlagen

Nach dem Thevenin-Theorem können wir jedes System, welches aus Spannungsquellen und Widerständen besteht, als zweipoliges elektrisches Bauelement zu modellieren. Aus diesem Grund können wir auch für komplexe Baugruppen eine Strom-Spannungs-Kennlinie aufzeichnen.

Ausführliche Erklärung

Das Thevenin-Theorem besagt, dass jedes lineare elektrische Netzwerk mit mehreren Quellen und Widerständen durch eine einzige Spannungsquelle und einen einzigen Widerstand ersetzt werden kann. Diese Ersatzspannungsquelle wird als Thevenin-Spannung bezeichnet, und der Ersatzwiderstand wird als Thevenin-Widerstand bezeichnet. Das vereinfachte Netzwerk behält seine Eigenschaften bei, wenn es an einen externen Lastwiderstand angeschlossen wird. Das Thevenin-Theorem ist besonders nützlich, um komplexe Schaltungen zu vereinfachen und deren Verhalten zu analysieren.

 

Bevor wir nun fortfahren, stoppen wir kurz. Weil wir ja keine Computer sind, die alles abspeichern, wiederholen wir schnell die Gleichung zur Berechnung der Leistung.

Die elektrische Leistung ergibt sich aus dem Produkt von elektrischem Strom und elektrischer Leistung.

Obwohl du diesen mathematischen Zusammenhang bereits in einem vorherigen Kurstext erlernt hast, haben wir dir dennoch die Gleichung nochmals für dich aufgeführt:

 

Formal gilt:

P = U \cdot I

Kennzahlen:

  • P = elektrische Leistung

sowie

  • U = elektrische Spannung

sowie

  • I = elektrische Stromstärke

 

Elektrische Bauteile mit Strom-Spannungs-Kennlinie

Das Verhältnis von Stromstärke und Spannung kannst du an vielen Bauteilen in einem Netzwerk bestimmen, aber wir beschränken uns auf die nächsten vier Bauteile:
Ohm’scher Widerstand

sowie

Batterie (Akkumulator)

sowie

Solarzelle

und

Dioden

 

Für jedes dieser Bauelemente ist die Strom-Spannungs-Kennlinie in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Dir ist beim genauen Hinsehen bestimmt aufgefallen, dass die Verläufe mitunter sehr unterschiedlich ausfallen.

Die Kennlinien durchlaufen zudem unterschiedliche Bereiche (Quadranten) des Koordinatensystems durchlaufen.

 

Merk’s dir!

Ob du diese in deiner Prüfung nachzeichnen musst, können wir nicht genau sagen.

Bevor du aber später nicht genau weißt, wie diese zumindest aussehen, schaue dir lieber die Abbildung genau an.

 

Strom-Spannungs-Kennlinie - Unterschiedliche Bauelemente
Strom-Spannungs-Kennlinie – Unterschiedliche Bauelemente
Strom-Spannungs-Kennlinie

 

Alternative Bezeichnung der Strom-Spannungs-Kennlinie

Obwohl wir in diesem Kurstext den Begriff Strom-Spannung-Kennlinie verwenden, kann es gut sein, dass du in deinen Lernbüchern verschiedene andere Bezeichnungen entdeckst. Unterscheiden können wir

– Strom-Spannungs-Kennlinie

sowie

– Strom-Spannungs-Kurve

und

– Strom-Spannungs-Charakteristik

 

Jeder dieser Begriffe beschreibt die gleiche Darstellungsform von elektrischer Stromstärke zu elektrischer Spannung.

 

Darstellung der elektrischen Leistung im Strom-Spannungs-Diagramm

In der nächsten Abbildung siehst du drei dieser Diagramme. Es handelt sich um eine Stromquelle, eines Spannungsquelle und einen Verbraucher.

Strom-Spannungs-Diagramm - Unterschiedliche Leistungen
Strom-Spannungs-Diagramm – Unterschiedliche Leistungen
Strom-Spannungs-Diagramm

 

Merk’s dir!

  • Die elektrische Stromstärke wird immer auf der negativen und positiven Y-Achse abgetragen.

sowie

  • Die elektrische Spannung wird immer auf der negativen und positiven X-Achse angetragen.

Die Kurven weisen in unserem Beispiel einen linearen Verlauf auf. Aber Vorsicht! Dieser Verlauf ist der einfachste Fall und lässt sich nicht auf alle anderen Fälle pauschal übertragen.

 

Du siehst im ersten und zweiten Teil der Abbildung das Strom-Spannungs-Verhältnis an einer Stromquelle und einer Spannungsquelle.

Im dritten Teilbild ist das Verhältnis an einem Verbraucher aufgeführt.

Spannt man nun eine Fläche mit der Spannung und Stromstärke auf, wie oben dargestellt, so erhält man die Angabe der elektrischen Leistung P_{el}.

 

Was kommt als Nächstes?

Nun hast du einen ausreichenden Überblick zum Strom-Spannungs-Verhältnisses erhalten. Die Formen der elektrischen Leistung stellen wir die als angehenden Techniker im nächsten Kurstext vor. Nachdem wir dann dieses Thema abgehakt haben, folgen die Leistungsaufnahme und die Leistungsabgabe als  abschließendes Thema.

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