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Elektrotechnik - Spannungsquellen

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Elektrotechnik

Spannungsquellen

In diesem Kurstext gehen wir auf die Eigenschaften von Spannungsquellen innerhalb eines Gleichstromkreises ein. Zuerst beschäftigen wir uns mit idealen Spannungsquellen und gehen dann im Anschluss auf reale Spannungsquellen ein. 

Ideale Spannungsquelle

Bei einer Spannungsquelle ist gemeint, dass sich an den Klemmen durch interne Prozesse eine Spannung bildet. Schließt man nun einen Verbraucher an die Klemmen, so erfolgt ein Stromfluss. Die Höhe diese Stromflusses hängt dann vom Widerstand des Verbrauchers ab.

Eine Spannungsquelle erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen ihren Klemmen, welche als Quellenspannung $ U_q $ bezeichnet wird. Sie ist nicht vom Strom abhängig, der die Quelle durchfließt und kann sowohl positiv, null oder negativ sein. 

Merke

Bei einer idealen Spannungsquelle darf die Verbindung der beiden Klemmen nicht mit einer widerstandslosen Verbindung betrieben werden, da es ansonsten zum Kurzschluss kommt. Denn wenn das gleiche Potential zwischen den Klemmen der Spannungsquelle vorherrscht, gilt $\ U_q \not= 0 $ nicht mehr. 

Wenn die Polarität einer Spannungsquelle bekannt ist, wählt man die Spannungszählpfeil-Richtung derart, dass die Quellenspannung einen positiven Zahlenwert erhält. 

Schaltzeichen

In der nachfolgenden Abbildung sehen Sie die Schaltzeichen für eine ideale Spannungsquelle und für eine Batterie bzw. einen Akkumulator. 

Schaltzeichen ideale Spannungsquelle, Batterie bzw. Akkumulatur
Schaltzeichen für ideale Spannungsquelle, Batterie bzw. Akkumulator

Merke

Sonderfall Batterie: Bei dieser Quelle ist im Schaltzeichen die Polarität festgelegt. Der lange Strich kennzeichnet den positiven Pol. Daher kann auf einen Zählerpfeil für die Quellenspannung verzichtet werden. Soll die Polarität geändert werden, ist für diese Schaltzeichen eine Änderung/Umzeichnung im Schaltplan zwingend notwendig.

Die bei einer idealen Spannungsquelle vorliegende Strom-Spannungs-Kennlinie $ U (I) $ wird in der nächsten Abbildung dargestellt.

Kennlinie einer idealen Spannungsquelle
Kennlinie einer idealen Spannungsquelle

Wichtig

Hier gilt zu beachten, dass die Kennlinie immer durch zwei Quadranten verläuft, da der durch eine äußere Beschaltung bestimmte Strom durch die Quelle positive und negative Werte annehmen kann. 

In einem Erzeuger-Zählpfeilsystem sieht die ideale Spannungsquelle inkl. Zählpfeilen folgendermaßen aus:

Ideale Spannungsquelle im EZS mit Zählpfeilen
Ideale Spannungsquelle im EZS mit Zählpfeilen

Reale Spannungsquellen

In der nachfolgenden Abbildung ist die Kennlinie einer realen Spannungsquelle dargestellt. Sie erzeugt eine annähernd konstante Spannung, die einen Strom zwischen Null und einem Maximalwert liefert. Sowohl die Spannung als auch der Strom lassen sich meistens einstellen. 

Kennlinie einer realen Spannungsquelle
Kennlinie einer realen Spannungsquelle

Wird beispielsweise ein bestimmter Maximalstrom überschritten, so erfolgt eine Senkung der Spannung an der Quelle. Somit wird dafür gesorgt, dass die Schaltungen, die von der Spannung versorgt werden vor Überlastung bewahrt werden. 

Merke

Eine reale Spannungsquelle kann keine negativen Ströme liefern. Kennlinie liegt in nur einem Quadranten.