Spannungsquelle

Eine Spannungsquelle meint umgangssprachlich ein Gerät, das elektrische Energie zur Verfügung stellt (Spannungsversorgung).

Beispiele sind Batterien, Akkumulatoren, Generatoren oder Netzteile.

Technisch handelt es sich um eine Energiequelle, die elektrische Energie bei konstanter (Konstantspannungsquelle, Gleichspannungsquelle) bzw. zeitlich definierter veränderlicher Spannung liefert; siehe Spannungsform, Wechselspannung.

Technische Spannungsquelle

Die Ausgangsspannung einer idealen Spannungsquelle ist unabhängig vom Stromfluss I_out zum angeschlossenen Verbraucher R_L. Eine ideale Spannungsquelle hat einen Innenwiderstand von Null Ohm.

Das Schaltbild rechts zeigt das Ersatzschaltbild einer realen Spannungsquelle, bestehend aus einer idealen Spannungsquelle U₀ und einem Innenwiderstand R_i.

Bei unbelastetem Ausgang, das heißt unendlich großen Ausgangswiderstand, fließt kein Strom, es fällt keine Spannung am Innenwiderstand ab, die Ausgangsspannung U_out (Klemmenspannung) entspricht der Idealspannung U₀ (Leerlaufspannung).

Wird ein Verbraucher angeschlossen, fließt ein Strom I_out. Die Ausgangsspannung vermindert sich um den Spannungsabfall I_out · R_i:

U_{out}=U_{0}-I_{out}\cdot R_{i}\,

Die Ausgangsspannung einer realen Spannungsquelle ist also umso weniger vom fließenden Strom abhängig, je geringer ihr Innenwiderstand ist.

Im Fall eines Kurzschlusses wird U_out = 0 und der Kurzschlussstrom beträgt:

I_{out}={\frac {U_{0}}{R_{i}}}\,

Der maximale elektrische Strom, den eine reale Spannungsquelle abgeben kann, ist um so höher, je kleiner ihr Innenwiderstand ist.

Ein möglichst geringer Innenwiderstand für technische Spannungsquellen ist damit aus drei Gründen vorteilhaft:

geringe Änderung der Klemmenspannung bei wechselndem Laststrom
hoher maximal lieferbarer Strom
hoher Wirkungsgrad (geringe Verlustleistung)

Beispiel: Während die Leerlaufspannung vieler Batterien weitgehend unabhängig vom Ladezustand ist, steigt der Innenwiderstand bei abnehmendem Ladezustand stark an.

Schließt man einen Verbraucher an eine fast leere Batterie, sinkt die Klemmenspannung stark ab. Entsprechend dem Ersatzmodell einer Spannungsquelle fällt die Spannung U₀ am im Verhältnis zu R _L größeren Innenwiderstand R_i ab. Daher liegt nur eine geringe Spannung am Lastwiderstand an. Durch den größeren Gesamtwiderstand der Schaltung (R _i + R _L) fließt nur ein kleiner Strom.
Eine volle Batterie ist durch einen kleinen Innenwiderstand charakterisiert. Die Klemmenspannung fällt bei Anschluss eines Verbrauchers nur wenig ab.

Die abgegebene elektrische Leistung am Verbraucher R_L ist maximal, wenn der Widerstand des Verbrauchers genauso groß ist wie der Innenwiderstand der Spannungsquelle: R_L = R_i ("Anpassung"). Die maximale Leistung berechnet sich dann zu

P_{V}={\frac {{U_{0}}^{2}}{4\cdot R_{i}}}\,

Reale Spannungsquellen sind zugleich reale Stromquellen. In ihren Idealformen sind die Eigenschaften zueinander diametral. Für die Spannungsquelle wird ein Innenwiderstand gefordert, der gegen 0 geht, bei einer Stromquelle soll er unendlich sein. Eine ideale Spannungsquelle hält die Ausgangsspannung unabhängig vom Strom konstant, während eine ideale Stromquelle den Ausgangsstrom unabhängig von der Spannung konstant hält.

Asymmetrische Spannungsversorgung

Eine asymmetrische Spannungsversorgung ist die am meisten verbreitetste. Sie hat zwei Anschlüsse: + (Plus / Phase) und - (Minus / Masse).
Wobei dieses Defintionssache ist. Ist das Massepotential galvanisch von der Erde (Erdpotential) getrennt, kann aus einem einfachen umdrehen der Anschlüsse eine Spannungsquelle mit negativer Ausgangspannung gemacht werden, indem der Pluspol als Masse und der Minuspol als Phase definiert wird.

Die Spannung ist gleich der Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Anschlüssen.

Bipolare und symmetrische Spannungsversorgung

Die symmetrischen Spannungsversorgung ist ein Sonderfall der bipolaren Spannungsversorgung.
Bei einer bipolaren Spannungsversorgung werden gleichzeitig eine positive und negative Spannung, bezogen auf ein gemeinsames Massepotential, z.B. +15 V und -10 V, bereitgestellt.

Sind die positive und negative Spannung gleich groß, so handelt es sich um eine symmetrischen Spannungsversorgung.
Aus einer Potentialdifferenz von +20 V zu 0 V wird somit +10 V zu -10 V, die sich auf die gleiche Masse von 0 V beziehen.

Ein einfaches Beispiel für eine symmetrische Spannungsquelle ist ein Transformator mit Mittenanzapfung.

Anwendung

Die symmetrische Spannungsversorgung insbesondere bei der Signal- und Audioübertragung genutzt, da diese störunempfindlicher als die asymmetrische Spannungs- bzw. Signalübertragung ist.

Da die (Signal-)Leitungen nahe aneinander liegen, wirken auf diese die identischen Störsignale. Bewirkt eine elektromagnetische Störung einen Potentialanstieg um +1 V, so wirkt sich diese auf alle Leitungen aus, so dass die Potentialdifferenz gleich bleibt.

Beispiel: Spannungspegel von 20 V:

Asymmetrisch: +20 V -> 0 V
Symmetrisch:  +10 V -> 0 V -> -10 V

-mit Störung-
Asymmetrisch:  20 V + 1 V = +21 V (gesamt)

Symmetrisch:  +10 V + 1 V = +11 V

              -10 V + 1 V = -9 V

              => +20 V (gesamt)

Audiotechnik

In der Audiotechnik wird unter anderem die symmetrische Signalübertragung verwendet. Wird ein symmetrische Signalübertragung ohne Umsetzer als asymmetrische weiterverwendet (eine Potentialleitung wird nicht mehr weitergeführt), so liegt am Lautsprecher nur die halbe Spannung, also die halbe Signalamplitude, an.

Dadurch reduziert sich die maximal verfügbare Leistung von

P_{max}={\frac {{U_{0}}^{2}}{4\cdot R_{i}}}\,

zu

P_{0}={\frac {\left({\frac {U_{0}}{2}}\right)^{2}}{4\cdot R_{i}}}={\frac {{U_{0}}^{2}}{8\cdot R_{i}}}={\frac {P_{max}}{4}}

,

also auf ein viertel der symmetrisch verfügbaren Leistung.
Dieses entspricht einem Verlust von

P_{Verlust}=10\cdot \log \left({\frac {1}{4}}\right)=-6dB\,

(siehe Bel (Einheit)).

Elektrotechnik

In der Elektrotechnik wird die symmetrische Spannungsversorgung am meisten bei Verstärkern eingesetzt, um sowohl positive, als auch negative Signalhübe verstärken zu können. Somit hat jeder Operationsverstärker mindestens 5 Pins: Eingang, Ausgang, Masse, sowie positive und negative Spannungsversorgung. Die Spannungsversorgung von Verstärkern kann aber, je nach Anwendung, auch bipolar, oder asymmetrisch erfolgen.

Auch in der Nachrichtentechnik findet die symmetrische Signalübertragung, bei Digital-Analog-Wandler (DAC), Analog-Digital-Wandler (ADC), Mischern, ..., Anwendung.

siehe auch