Spannungsquelle
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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).
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[Bearbeiten] Technische Spannungsquelle
Die Ausgangsspannung einer idealen Spannungsquelle ist unabhängig vom Stromfluss Iout zum angeschlossenen Verbraucher RL. 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 Ri.
Bei unbelastetem Ausgang, das heißt unendlich großen Ausgangswiderstand, fließt kein Strom, es fällt keine Spannung am Innenwiderstand ab, die Ausgangsspannung Uout (Klemmenspannung) entspricht der Idealspannung U0 (Leerlaufspannung).
Wird ein Verbraucher angeschlossen, fließt ein Strom Iout. Die Ausgangsspannung vermindert sich um den Spannungsabfall Iout · Ri:
Die Ausgangsspannung einer realen Spannungsquelle ist also umso weniger vom fließenden Strom abhängig, je geringer ihr Innenwiderstand ist.
Im Fall eines Kurzschlusses wird Uout = 0 und der Kurzschlussstrom beträgt:
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 Ri 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 RL ist maximal, wenn der Widerstand des Verbrauchers genauso groß ist wie der Innenwiderstand der Spannungsquelle: RL = Ri ("Anpassung"). Die maximale Leistung berechnet sich dann zu 
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 Spannungsquelle hält die Ausgangsspannung unabhängig vom Strom konstant, während eine Stromquelle den Ausgangsstrom unabhängig von der Spannung konstant hält.
[Bearbeiten] Asymmetrische Spannungsversorgung
Eine asymmetrische Spannungsversorgung ist die meist verbreitetste. Sie hat zwei Anschlüsse: + (Plus / Phase) und - (Minus / Masse). Wobei dies 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.
[Bearbeiten] 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 und -10V, bereitgestellt.
Sind die positive und negative Spannung gleich groß, so handelt es sich um eine symmetrischen Spannungsversorgung.
Aus einer Potentialdifferenz von +20V zu 0V wird somit +10V zu -10V, die sich auf die gleiche Masse von 0V beziehen.
Ein einfaches Beispiel für eine symmetrische Spannungsquelle ist ein Transformator mit Mittenanzapfung.
[Bearbeiten] 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 +1V, so wirkt sich diese auf alle Leitungen aus, so dass die Potentialdifferenz gleich bleibt.
Beispiel: Spannungspegel von 20V:
Asymmetrisch: +20V -> 0V Symmetrisch: +10V -> 0V -> -10V -mit Störung- Asymmetrisch: 20V + 1V = +21V (gesamt)
Symmetrisch: +10V + 1V = +11V
-10V + 1V = -9V
=> +20V (gesamt)
[Bearbeiten] 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 
zu 
, also auf ein viertel der symmetrisch verfügbaren Leistung.
Dies entspricht einem Verlust von 
(siehe Bel (Einheit)).
[Bearbeiten] 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 min. 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.
