Elektrotechnik Grundlagen

Reale Strom- und Spannungsquellen

Inhaltsübersicht

Du möchtest wissen, was reale Strom- und Spannungsquellen sind? Hier erklären wir dir genauer, was es mit diesen Begriffen auf sich hat an einfachen Beispielen und zeigen dir, wie Verluste von Strom- und Spannungsquellen wirken.

Verluste bei idealen Strom- und Spannungsquellen: 3 verschiedene Belastungsfälle

In elektrischen Energiequellen treten in der Realität immer Verluste auf. Das können zum Beispiel der ohmsche Widerstand einer Kupferwicklung 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. Schauen wir uns das zunächst bei einer Spannungsquelle an:

Reale Spannungsquelle
Reale 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.

Leerlauf

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.

Reale Spannungsquelle
Leerlauf

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.

Belastung

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

reale Spannungsquelle
Belastungsfall

Jetzt fließt Strom in der Schaltung. Die Spannung am Lastwiderstand ergibt sich aus der Quellenspannung minus 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.

Kurzschluss

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

reale Spannungsquelle
Kurzschluss

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

Reale Stromquelle: die drei Belastungsfälle 

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.

ideale Stromquelle
Leerlauf

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\ast I_q berechnen. In diesem Fall fließt der ganze Quellenstrom I_q durch den Innenwiderstand.

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.

ideale Stromquelle
Belastung

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.

Du hast nun verstanden wie reale Quellen aufgebaut sind und welche drei Belastungsfälle es gibt.

 


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