Spannung messen: Leerlaufspannung und Klemmenspannung einer Spannungsquelle

Der geneigte Elektronik-Anfänger wird fast zwangsläufig mit den Begriffen Leerlaufspannung und Klemmenspannung konfrontiert. In der Regel, wenn es um Spannungsquellen geht.

• Vereinfacht gesagt, handelt es sich bei der Leerlaufspannung um die Spannung einer unbelasteten Spannungsquelle.
• Die Klemmenspannung ist die Spannung einer belasteten Spannungsquelle.

Typischerweise unterscheiden sich beide Werte voneinander. Bei einer Gleichspannungsquelle erwartet man typischerweise, dass sie ihre Spannung möglichst stabil halten kann. Also der Unterschied zwischen Leerlaufspannung und Klemmenspannung möglichst gering ist.

Je nach Art der Spannungsquelle und Belastung können beide Werte sehr unterschiedlich sein.
Warum ist das wichtig? Typischerweise werden Schaltungen unter Annahme einer bestimmten Leerlaufspannung einer Spannungsquelle dimensioniert. Wenn man dann die Schaltung an diese Spannungsquelle hängt, dann wird diese durch den Stromfluss belastet. Dieser Strom fließt nicht nur durch die Schaltung, sondern auch durch den Innenwiderstand der Spannungsquelle, die sich in Reihe zur Schaltung befindet. Das heißt, die eigentliche Leerlaufspannung teilt sich an Innenwiderstand und am Ersatzwiderstand der Schaltung auf.

In der folgenden Messung geht es darum, den Unterschied zwischen einer unbelasteten und belasteten Spannungsquelle herauszufinden.

• Spannungsquelle (Leerlaufspannung / Klemmenspannung)

Liste

• 1 x Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun)

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Widerstand
• Mini-Voltmeter
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Was messen wir? Wir messen die Spannung an einer Spannungsquelle. Einmal unbeschaltet bzw. unbelastet. Und ein zweites Mal parallel mit einem Widerstand, der vergleichsweise klein ist, also die Spannungsquelle signifikant belastet.

Welches Messergebnis erwarten wir? Grundsätzlich erwarten wir, dass die Leerlaufspannung (unbelastete Spannungsquelle) der festgelegten Spannung entspricht. Laut Definition müsste die Klemmenspannung etwas kleiner sein (belastete Spannungsquelle).

• Messung an: 9-Volt-Batterie
• Messung mit Mini-Voltmeter

Das Absinken der Leerlaufspannung (M1) auf die belastete Spannung (M2) scheint hier nicht sehr eindrucksvoll. Das liegt daran, dass der gewählte Widerstand vielleicht nicht klein genug ist, um die Spannungsquelle zu belasten. Aber, wir wollen nicht gleich am Anfang Bauteile zerstören und Finger verbrennen.
Allerdings kann ein Unterschied von nur wenigen Millivolt im Batteriebetrieb darüber entscheiden, ob ein Gerät noch läuft oder nicht. Batterien, die im unbelasteten Zustand gemessen werden, könnte man als funktionstüchtig ansehen. Sobald sie in einem Gerät benutzt werden, plötzlich nicht mehr. Es könnte sein, dass diese Batterien in anderen Geräten, die weniger belasten, wiederum noch einige Zeit funktionieren.

• Diese Messung wurde beispielhaft an einer 9-Volt-Batterie durchgeführt. Entsprechend hätten wir als Leerlaufspannung (M1) auch 9 Volt erwartet. Vielleicht sogar ein wenig darüber. Nun kann man diesen Wert mit 8,8 Volt als verfehlt ansehen. Die Frage ist jetzt, warum? Nun, vielleicht war diese Batterie nicht mehr ganz frisch. Nein, diese Batterie war noch relativ frisch. Es gibt einen anderen Grund.
• Wenn Du eine Leerlaufspannung misst, dann musst Du darauf achten, dass Dein Spannungsmessgerät einen möglichst hohen Innenwiderstand hat. Denn durch die Messung entsteht ein Spannungsteiler, also eine Reihenschaltung aus Innenwiderstand der Spannungsquelle und dem Innenwiderstand des Messgeräts. Das heißt, die eigentliche Leerlaufspannung teilt sich an den Widerständen in deren Verhältnis auf. In einer Reihenschaltung gilt die Regel, dass die größte Spannung am größten Widerstand abfällt. Der Nachteil einer Batterie ist, egal welche, dass sie einen hohen Innenwiderstand hat. Größer als bei einem Netzteil. Das heißt, Du wirst letztlich nie die tatsächliche Leerlaufspannung einer Batterie messen können.
• Wenn Du eine möglichst stabile Spannung an einer Spannungsquelle erwartest, dann musst Du ein Netzteil für die Stromversorgung verwenden. Wichtig, ein richtiges Netzteil. Kein Ladegerät, das als Netzteil bezeichnet wird.
• Eine ideale Spannungsquelle liefert immer eine konstante Spannung, auch bei unterschiedlicher Belastung. Bei stabilisierten Netzgeräten ist das nahezu immer der Fall.
• Bei typischen Stecker-Netzteilen ist es oft so, das im Leerlauf eine deutlich höhere Spannung anliegt. Erst bei Belastung regelt sich die Spannung auf die Nennspannung herunter und bleibt dann weitestgehend stabil.
• Bei Belastung sinkt die Spannung von Batterien teilweise stark ab. Im laufenden Betrieb sinkt dann die Spannung noch weiter. Das ist dem chemischen Umwandlungsprozess geschuldet, der wie ein hoher Innenwiderstand wirkt.

Wir waren mit einem Widerstand von 1 kOhm vergleichsweise konservativ. Wir wollen nicht gleich am Anfang kaputte Bauteile und verbrannte Finger produzieren. Aber, wenn jemand Lust darauf hat, kann er das gerne mal ausprobieren. Keine Sorge, da Du vorgewarnt bist, sollten Deine Sinne geschärft sein.

Ersetze den Widerstand von 1 kOhm in der Schaltung durch 220 Ohm. Warte ein wenig ab und befühle mit einem Finger den Widerstand. Aber bitte nicht die ganze Zeit den Finger draufhalten.

Sofern die Batterie (mit 9 Volt) noch genug geladen ist, wird der Widerstand nach kurzer Zeit warm werden. Das liegt daran, weil das Verhältnis von Spannung und Strom für den Widerstand zu groß ist. Der wird warm bis heiß und wird irgendwann verbrennen. Er wird dabei seine Farbe verändern. Das muss aber nicht sein. Trenne die Stromversorgungsleitungen auf, wenn der Widerstand heiß wird.

Wir haben hier die Spannung an einer unbelasteten und belasteten Spannungsquelle gemessen. Doch wie genau wirken sich unterschiedliche Belastungen auf eine Spannungsquelle aus? Lass es uns herausfinden.

• Belastete Spannungsquelle