Damit in einem Stromkreis ein elektrischer Strom fließen kann, muss eine elektrische Spannung anliegen. Umgangssprachlich wird diese von einer „Stromquelle“ bereitgestellt; in der Elektronik unterscheidet man hingegen zwischen „Spannungsquellen“ und „Stromquellen“: Show
Beide Typen sind idealisierte Modelle, die es in der Realität so nicht geben kann: Könnte beispielsweise bei einer idealen Spannungsquelle tatsächlich ein beliebig großer Strom entnommen werden, so würde auch die bereitgestellte Leistung gemäß der Formel  Schaltzeichen einer idealen Spannungs- beziehungsweise Stromquelle. Die idealen Modelle werden aufgrund ihrer Einfachheit dennoch verwendet, da sie oftmals die realen Vorgänge bereits gut genug beschreiben können; ergeben sich bei Verwendung dieser einfachen Modelle Widersprüche oder (bei Rechnungen) unrealistische Werte, so müssen diese – wie am am Ende dieses Kapitels näher beschrieben – nachgebessert werden. Spannungsquellen mit Gleichspannung¶Am Minuspol einer Spannungsquelle besteht ein Elektronenüberschuss, am Pluspol ein Elektronenmangel. Beide Zustände werden durch Vorgänge im Inneren der Spannungsquelle erzeugt beziehungsweise aufrecht erhalten. Batterien Batterien haben chemische Energie im Inneren gespeichert und sind in der Lage, diese in Form von elektrischer Energie freizusetzen. Entladene Batterien, deren gespeicherte Energiemenge verbraucht ist, müssen an einer Wertstoff-Sammelstelle abgegeben oder in speziell dafür aufgestellte Container geworfen werden.[1] Auf diese Weise können die Bestandteile der Batterie (weitgehend) wieder verwertet werden, und es gelangen zumindest weitaus weniger Giftstoffe in die Umwelt. Schaltzeichen einer Batterie beziehungsweise eines Akkumulators. Batterien können nicht wieder aufgeladen werden und weisen somit gegenüber Akkumulatoren sowohl aus wirtschaftlicher wie aus ökologischer Sicht erhebliche Nachteile auf. Sie werden normalerweise nur dann in mobilen Bereichen eingesetzt, wenn eine vergleichsweise höhere Speicherkapazität und/oder eine geringfügig höhere Leistungsabgabe zwingend erforderlich sind. Akkumulatoren Akkumulatoren (auch „Akkus genannt) sind „wiederaufladbare Batterien“. Beim Aufladen wird elektrische Energie in Form von chemischer Energie durch die Umwandlung von Stoffen im Inneren des Akkus gespeichert. Beim Entladen läuft der chemische Prozess in umgekehrter Richtung ab, und es wird elektrische Energie freigegeben. Beispiele:
Bei geringen Stromstärken können Batterien und Akkumulatoren in guter Näherung als ideale Spannungsquellen angesehen werden. Netzteile Für stationäre Anwendungen haben (kabelgebundene) Netzteile mehrere Vorteile gegenüber Batterien oder Akkumulatoren: Sie müssen nicht ausgetauscht werden, und liefern stets zuverlässig (ohne Entladungs-Erscheinungen) die gewünschte Spannung. Gleichspannungs-Netzteile („DC“ beziehungsweise „Direct Current“) bestehen normalerweise aus einem Transformator, einem (Brücken-)Gleichrichter, einem Spannungsregler und einigen Kondensatoren. Je nach Typ des eingebauten Spannungsreglers liefern Netzteile eine feste oder einstellbare Ausgangs-Spannung. Spannungsquellen mit Wechselspannung¶Haushalts-Steckdosen stellen eine Wechselspannung von Schaltzeichen eines Netzteils mit Wechselspannung. Während elektrische Experimente mit „Netzspannung“ aufgrund der hohen elektrischen Leistung lebensgefährlich (!!) sind, kann die Wechselspannung des Stromnetzes Auch für Elektronik-Versuche mit Wechselspannung sollte stets ein geeignetes Wechselspannungs-Netzteil („AC“ beziehungsweise „Alternating Current“) verwendet werden. Stromquellen¶So wie eine ideale Spannungsquelle stets die gleiche Nenn-Spannung liefert, liefert eine ideale Stromquelle stets einen gleichen Nenn-Strom; die dafür benötigte Spannung wird von der Stromquelle automatisch geregelt. Wie sich erahnen lässt, lassen sich in der Praxis reale Stromquellen nur schwerer verwirklichen als Spannungsquellen. Manche Labor-Netzteile können innerhalb bestimmter Grenzen wahlweise als Strom- oder Spannungsquelle genutzt werden; verwendet man den Stromquellen-Modus, so lässt sich zudem der gewünschte Nenn-Strom einstellen, beispielsweise Exkurs 1: Innenwiderstand realer Spannungsquellen¶Wird ein Stromkreis geschlossen, so muss der Strom – unabhängig von der Art der Spannungsquelle – stets auch durch diese selbst hindurch fließen. Reale Spannungsquellen haben hierbei einen eigenen elektrischen Widerstand, den man „Innenwiderstand“ Modell einer realen Spannungsquelle mit der Leerlaufspannung
Der Gesamtwiderstand Wie bei einer Reihenschaltung von Widerständen üblich, fällt ein Teil der Gesamtspannung am Innenwiderstand und der restliche Teil am Außenwiderstand ab. Welcher Anteil der Gesamtspannung am Außenwiderstand abfällt, hängt vom Anteil Klemmenspannung und Leerlaufspannung Als „Klemmenspannung“ Die Klemmenspannung nimmt ihren maximalen Wert an, wenn der Außenwiderstand unendlich groß ist: In diesem Fall fällt nahezu die gesamte Spannung am Außenwiderstand und fast keine Spannung am Innenwiderstand ab. Da bei einem unendlich großen Außenwiderstand allerdings auch kein Strom fließen kann, wird dieser maximale Spannungswert auch „Leerlaufspannung“ Die Leerlaufspannung entspricht also dem Spannungswert einer Spannungsquelle, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Näherungsweise kann dieser Wert mit einem Voltmeter gemessen werden, da dieses zwar keinen unendlichen, aber doch zu einen sehr großen Widerstandswert hat. Diagramm der Klemmenspannung einer Spannungsquelle in Abhängigkeit des Innenwiderstands Wird ein Verbraucher mit einem endlichen Widerstand an die Spannungsquelle angeschlossen, so stellt sich eine Stromstärke Je niedriger der Außenwiderstand eines Stromkreises ist, desto höher ist die Stromstärke Beispiel:
Bei einem Kurzschluss sinkt der Außenwiderstand auf nahezu Null ab; die Stromstärke Batterien und Akkumulatoren können bei einem Kurzschluss ihre gesamte gespeicherte chemische Energie innerhalb von wenigen Minuten abgeben. Die Brandgefahr bei Kurzschlüssen wird in praktischen Anwendungsfällen, beispielsweise in Autos, oftmals durch Feinsicherungen unterbunden: Die darin verbauten Drähte glühen bei zu hohen Stromstärken rasch durch und unterbrechen dadurch den Stromkreis. Bei Netzteilen muss vom Hersteller eine Belastungsgrenze angegeben werden, die besagt, welche Stromstärke ein Netzteil über längere Zeit liefern kann. Wird die Belastungsgrenze über einen längeren Zeitraum oder kurzzeitig und dafür sehr deutlich überschritten, so können durch Überhitzungen Kurzschlüsse im Netzteil auftreten, die eine Zerstörung des Netzteils sowie ein „Herausfliegen“ der Hauptsicherung im Verteilerkasten (FI-Schalter oder Schmelzsicherung) zur Folge haben kann. In konkreten Anwendungsfällen ist es also ratsam, lieber ein auch für etwas größere Ströme ausgelegtes Netzteil zu verwenden. Exkurs 2: Innenwiderstand realer Stromquellen¶Ein Näherungsmodell mit einer idealen Quelle und einem Innenwiderstand lässt sich auch für reale Stromquellen aufstellen. In diesem Fall sieht das Ersatzschaltbild folgendermaßen aus: Modell einer realen Stromquelle mit der Leerlaufspannung
In diesem Fall teilt sich die von der (idealen) Stromquelle ausgehende Stromstärke auf: Ein Teil fließt über den möglichst hohen Innenwiderstand Für die am Lastwiderstand anliegende Spannung Nimmt man wiederum die durch den Last-Widerstand fließende Stromstärke Der wesentliche Unterschied zwischen einer Spannungs- und Stromquelle liegt darin, auf wie große Außenwiderstände Der Vorteil der beiden obigen Modelle für Spannungs- und Stromquellen liegt darin, dass sich so dargestellte Quellen auch bei unterschiedlichen Werten parallel beziehungsweise in Reihe schalten lassen, ohne dass sich aus praktische Widersprüche ergeben; die Modelle stellen reale Spannungs- und Stromquellen somit ein gutes Stück realistischer dar. Anmerkungen:
Warum sollen nur gleiche Spannungsquellen parallel geschaltet werden?Die Leerlaufspannungen und die Innenwiderstände der einzelnen Spannungsquellen müssen aber gleich groß sein. Sind die Leerlaufspannungen und/oder Innenwiderstände parallel geschalteter Spannungsquellen unterschiedlich fließen zwischen ihnen Ausgleichsströme. Dies führt zu einer drastischen Reduzierung der Lebensdauer.
Was passiert wenn man Spannungsquellen Parallel schaltet?Eine Parallelschaltung von idealen Spannungsquellen führt zwischen den Quellen zu unbegrenzt hohen Strömen. Wird mehr Strom vom Verbraucher benötigt, als eine einzelne Quelle liefern kann, so dass eine Parallelschaltung von Spannungsquellen erforderlich wird, so ist dies nur bedingt mit realen Quellen möglich.
Was passiert wenn ich zwei Spannungsquellen in Serie schalte?Voltage Source in Series
Bei serienmäßig entgegengesetzten Spannungsquellen sind deren Polarität so geschaltet, dass der Pluspol oder die Minuspole wie im zweiten Stromkreis oben gezeigt miteinander verbunden sind.
Kann man in der Realität zwischen Spannungs und Stromquelle unterscheiden?Ideale und reale Spannungsquelle und Stromquelle:
Daher hat eine echte, eine reale Spannungsquelle immer einen Innenwiderstand größer als Null. Eine Stromquelle bezeichnet man als ideale Stromquelle, wenn deren Innenwiderstand unendlich groß ist. Auch die ist in der Realität nicht umzusetzen.
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2 unterschiede spannungsquellen gleichen strom abgeben
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