Elektrotechnik Grundlagen

Reale Strom- und Spannungsquellen

Hier erklären wir dir genauer, was es mit den Begriffen reale Strom und Spannungsquelle auf sich hat. Für einen anderen Einblick in das Thema kannst du auch einfach unser Video anschauen.

Inhaltsübersicht

Reale Strom und Spannungsquelle einfach erklärt

In elektrischen Energiequellen treten in der Realität immer Verluste auf. Das können zum Beispiel der ohmsche Widerstand einer Kupferleitung oder auftretende elektrische bzw. magnetische Felder sein. Diese werden in einem sogenannten Innenwiderstand  zusammengefasst, indem du dir alle auftretenden Verluste gebündelt vorstellen kannst. Die restlichen Bauteile, also Leitungen, Klemmen und die Quelle selber, werden dann als ideal angenommen.

Im Gegensatz dazu gibt es noch die ideale Strom- und Spannungsquelle, zu welchen wir dir hier einen extra Beitrag verlinkt haben.

Reale Spannungsquelle

Im Folgenden ist das Ersatzschaltbild einer realen Spannungsquelle dargestellt:

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Ersatzschaltbild einer realen Spannungsquelle

Das Ersatzschaltbild einer realen Spannungsquelle besteht aus einer idealen Spannungsquelle mit der Quellenspannung U_0 und einem dazu in Reihe geschalteten Innenwiderstand R_i, an dem die Spannung U_i abfällt. Der gestrichelte Kasten stellt nun die reale Spannungsquelle als ein einziges Bauteil dar. Im Folgenden zeigen wir dir das Verhalten dieser Quelle an den eingezeichneten Klemmen. An diesen liegt die Klemmenspannung U an.

Leerlaufspannung einer realen Spannungsquelle

Wir müssen drei unterschiedliche Belastungsfälle der Quelle unterscheiden. Im Leerlauf ist die Quelle unbelastet, d.h. es ist kein Lastwiderstand R_L angeschlossen bzw. ist dieser unendlich groß.

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Leerlaufspannung einer realen Spannungsquelle

Somit kann in der Schaltung auch kein Strom fließen und an den beiden Klemmen messen wir die Quellenspannung  U_0. Sie wird in diesem besonderen Fall auch Leerlaufspannung U_L genannt. Da kein Strom fließt, fällt auch keine Spannung am Innenwiderstand ab.

Belastete reale Spannungsquelle

Im Belastungsfall ist an der Quelle ein Widerstand angeschlossen, der größer als 0 \Omega und nicht unendlich groß ist.

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Belastungsfall einer realen Spannungsquelle

Jetzt fließt Strom in der Schaltung. Die Spannung am Lastwiderstand ergibt sich aus der Quellenspannung abzüglich der Spannung am Innenwiderstand, die wiederum von dessen Größe und dem Strom, der fließt, abhängt. Es entsteht ein linearer Zusammenhang, den wir dir später noch genauer erläutern.

Kurzschlussstrom einer realen Spannungsquelle

Im dritten Fall ist die Spannungsquelle kurzgeschlossen, d.h. es ist ein Widerstand von 0 /Omega angeschlossen. Die Spannung an den Klemmen ist 0 Volt und es fließt der maximale Strom aus der Spannungsquelle – der sogenannte Kurzschlussstrom I_K.

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Kurzschlussstrom einer realen Spannungsquelle

Die großen entstehenden Ströme, können die Spannungsquelle zerstören. In der Praxis ist also Vorsicht geboten.

Reale Stromquelle

Nun zeigen wir dir, wie das ganze bei einer Stromquelle aussieht. Auch hier wollen wir uns gemeinsam die drei Belastungsarten Leerlauf, Belastung und Kurzschluss anschauen. Der Unterschied zur Spannungsquelle ist, dass der Innenwiderstand nun parallel zur idealen Stromquelle ist.

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Leerlaufspannung einer realen Stromquelle

Leerlaufspannung der realen Stromquelle

Im Leerlauf liegt an den Klemmen die gleiche Spannung wie am Innenwiderstand R_i an, da dieser parallel zur Stromquelle geschaltet ist. Du kannst die Leerlaufspannung U_L dann aus dem Produkt U=R_i\cdot I_q berechnen. In diesem Fall fließt der ganze Quellenstrom I_q durch den Innenwiderstand.

Belastete reale Stromquelle

Schließt du nun einen Lastwiderstand R_L an deine reale Stromquelle, teilt sich der Quellenstrom I_q auf und zwar in den I_i durch den Innenwiderstand und I durch die Last R_L. Auch hier stellt sich wieder eine lineare Abhängigkeit von Strom und Spannung an der Last ein. Ebenso stellt sich ein Arbeitspunkt ein.

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Belastung einer realen Stromquelle

Kurzschlusstrom der realen Stromquelle

Schließt man nun die Stromquelle kurz, fließt der komplette Quellenstrom über den kurzgeschlossenen Zweig, das heißt das I_q=I_K ist. Die Klemmenspannung sinkt auf 0 Volt.


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