Spannungsquelle
Ein Spannungserzeuger besteht immer aus einer Spannungsquelle und einen in Reihe geschalteten Widerstand. Die Spannungsquelle wird als Quellenspannung Uq bezeichnet. Der Widerstand wird als Innenwiderstand Ri bezeichnet.
Die Schaltung aus Spannungsquelle und Innenwiderstand ist die Ersatzschaltung eines Spannungserzeugers.
Leerlaufspannung U0 / Quellenspannung Uq
Die Leerlaufspannung U0 oder Quellenspannung Uq 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 Ri erzeugt.
Wenn kein Strom zwischen den Klemmen fließt, dann ist die gemessene Klemmenspannung gleich Uq. Allerdings hat jede Spannungsquelle einen physikalischen oder chemischen Innenwiderstand Ri. 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
Der Innenwiderstand wird häufig auch als Ausgangswiderstand oder Quellwiderstand bezeichnet.
Quellenspannung Uq und Kurzschlussstrom IK
Strom- und Spannungsdifferenz
Klemmenspannung UKL
Bei Belastung einer Spannungsquelle mit einem Verbraucher RKl, stellt sich eine kleinere Ausgangsspannung UKL ein als die Leerlaufspannung U0 oder Quellenspannung Uq.
Der Grund ist, dass dem Verbraucher RKl der Innenwiderstand Ri aus Sicht des Stroms I in Reihe geschaltet ist. Der Strom I erzeugt am Innenwiderstand einen Spannungsabfall URi.
Die Quellenspannung Uq reduziert sich durch die Belastung des Klemmenwiderstands/Lastwiderstands RKl auf die Klemmenspannung UKL.
Die Quellenspannung teilt sich an den beiden Widerständen auf. Soll die Klemmenspannung möglichst der Quellenspannung entsprechen, so muss der Innenwiderstand der Spannungsquelle möglichst gering sein.
Der Strom, durch die Quellenspannung Uq verursacht, fließt durch den Innenwiderstand Ri und den äußeren Widerstand RKl.
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 IK
Durch den, in der Regel, sehr kleinen Innenwiderstand einer Spannungsquelle entwickelt sich ein sehr großer Kurzschlussstrom IK, der die Spannungsquelle zerstören kann.
Schaltzeichen für Spannungsquellen
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| Batterie | Fotoelement | DC-Generator | AC-Generator | AC/DC-Generator |
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