Spannungsquelle

Spannungserzeuger

Ein Spannungserzeuger besteht immer aus einer Spannungsquelle und einem in Reihe geschalteten Widerstand. Die Spannungsquelle wird als Quellenspannung bezeichnet. Der Widerstand wird als Innenwiderstand bezeichnet.
Die Schaltung aus Spannungsquelle und Innenwiderstand ist die Ersatzschaltung eines Spannungserzeugers.

Leerlaufspannung / Quellenspannung

Leerlaufspannung / Quellenspannung
Die Leerlaufspannung U₀ oder Quellenspannung U_q genannt ist die Ausgangsspannung einer Spannungsquelle im unbelasteten Zustand.
Die Messung der Leerlaufspannung U₀ kann nur durch ein extrem hochohmiges Spannungsmessgerät erfolgen, dessen Messstrom einen vernachlässigbaren Spannungsabfall am Innenwiderstand R_i erzeugt.

Wenn kein Strom zwischen den Klemmen fließt, dann ist die gemessene Klemmenspannung gleich U_q. Allerdings hat jede Spannungsquelle einen physikalischen oder chemischen Innenwiderstand R_i. Er beeinflusst den Spannungswert, welcher der Spannungsquelle wirklich entnehmbar ist. Bei Primärelementen wird er im wesentlichen aus dem Widerstand gebildet, der durch den Elektrolyten der Bewegung der positiven Ionen entgegensetzt. Damit ist der Innenwiderstand hauptsächlich vom Zustand des Elektrolyten abhängig. Nimmt die Konzentration im Laufe der Betriebsdauer ab (bei zunehmender Entladung), so wird der Innenwiderstand größer.

Berechnung des Innenwiderstands

Formel Quellenspannung U_q und Kurzschlussstrom I_K Formel Strom- und Spannungsdifferenz

Klemmenspannung

Klemmenspannung
Bei Belastung einer Spannungsquelle mit einem Verbraucher R_Kl, stellt sich eine kleinere Ausgangsspannung U_KL ein als die Leerlaufspannung U₀/Quellenspannung U_q.
Das liegt daran, dass der Verbraucher R_Kl mit dem Innenwiderstand R_i in Reihe geschaltet ist (siehe Schaltung). Der Strom I erzeugt am Innenwiderstand einen Spannungsabfall U_Ri.
Die Quellenspannung U_q reduziert sich durch die Belastung des Klemmenwiderstands/Lastwiderstands R_Kl auf die Klemmenspannung U_KL.

Die Leerlaufspannung teilt sich an den beiden Widerständen auf. Soll die Klemmenspannung der Leerlaufspannung entsprechen, so muss der Innenwiderstand der Spannungsquelle möglichst gering sein.
Formel
Der Strom, durch die Quellenspannung U_q verursacht, fließt durch den Innenwiderstand R_i und äußeren Widerstand R_Kl.

Warum zeigt der Spannungspfeil am Innenwiderstand in die andere Richtung, als der Pfeil an der Quellenspannung?
Sieht man sich die Schaltung genau an, dann ist der Innenwiderstand in dieser Schaltung nicht in Reihe mit der Quellenspannung, sondern in Reihe mit dem Klemmenwiderstand/Lastwiderstand. Die Quellenspannung teilt sich am Innenwiderstand und am Klemmenwiderstand auf. Deshalb zeigt der Spannungspfeil vom Pluspol zum Minuspol.

Kurzschlussstrom

Formel
Durch den, in der Regel, sehr kleinen Innenwiderstand einer Spannungsquelle entwickelt sich ein sehr großer Kurzschlussstrom I_K, der die Spannungsquelle zerstören kann.