Elektroingenieure nutzen Elektrizität, um nützliche Aufgaben zu erfüllen, indem sie Schaltkreise entwerfen, in denen Spannungen und Ströme durch eine Vielzahl verschiedener Komponenten gesteuert, verändert und genutzt werden. Diese Spannungen und Ströme stellen jedoch Energie dar: Ein Stromkreis ist ein energetisches System, in dem Spannung als potentielle Energie und Strom als kinetische Energie fungiert. Die Komponenten, die wir in elektrische Schaltkreise einbauen, können die elektrische Energie nicht steuern und nutzen, wenn nicht auch etwas elektrische Energie erzeugt, und deshalb haben Schaltkreise Spannungsquellen und Stromquellen. Wir nennen diese Elemente Quellen, weil sie einen Stromkreis mit der elektrischen Energie versorgen, die für eine ordnungsgemäße Funktion erforderlich ist.
Eigenschaften von Spannungsquellen
Eine Spannungsquelle erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen ihren beiden Anschlüssen. Wenn diese beiden Anschlüsse mit einem Netzwerk von miteinander verbundenen Komponenten verbunden sind, die einen kontinuierlichen leitenden Pfad bilden, fließt Strom.
Einfache elektrische Schaltungen bestehen oft aus einer Spannungsquelle, die mit wenigen Komponenten verbunden ist. In diesen Situationen wird der negative Anschluss der Quelle als Null-Volt-Bezugsknoten interpretiert, und folglich hat der mit dem positiven Anschluss der Quelle verbundene Knoten eine Spannung, die dem Wert der Quelle entspricht.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Spannungsquellen verschiedene Positionen innerhalb eines elektrischen Netzes einnehmen können und folglich der negative Anschluss nicht immer auf 0 V liegt. Zum Beispiel:
Der Wert der Quelle gibt also nicht immer die Spannung am Pluspol an, sondern der Wert der Quelle gibt die Spannungsdifferenz zwischen dem Minuspol der Quelle und dem Pluspol der Quelle an.
Einheiten
Der Wert einer Spannungsquelle ist die Potentialdifferenz, die zwischen den beiden Anschlüssen der Quelle erzeugt wird, und folglich wird der Wert in Volt angegeben. Ein Volt ist gleich einem Joule pro Coulomb. Die Spannung gibt also die Menge an potenzieller Energie pro Coulomb elektrischer Ladung an. Um es praktisch auszudrücken: Wenn eine 5-V-Quelle und eine 10-V-Quelle an zwei identische Stromkreise angeschlossen sind, treibt die 10-V-Quelle die elektrische Ladung mit doppelt so viel Energie an und erzeugt folglich doppelt so viel Strom.
Ideale Spannungsquellen
Wenn ein Spannungsquellensymbol in einem Schaltplan erscheint, stellt es eine ideale Spannungsquelle dar. Mit „ideal“ ist gemeint, dass die von der Quelle erzeugte Spannung niemals schwankt und nicht von der Stromstärke der Schaltung beeinflusst wird. In der Realität sind Spannungsquellen nie ideal.
Es ist oft der Fall, dass dieser Unterschied zwischen Theorie und Realität keinen signifikanten Einfluss auf den Betrieb der Schaltung hat und daher ignoriert werden kann. Manchmal müssen wir jedoch zusätzliche Schaltungselemente einführen, um die nicht idealen Eigenschaften von realen Spannungsquellen zu berücksichtigen.
Eigenschaften von Stromquellen
Eine Stromquelle erzeugt eine bestimmte Menge an elektrischem Strom in einem Teil eines Stromkreises. Der Wert der Stromquelle ist die Größe des Stromflusses, der durch die Quelle erzeugt wird, und das Symbol enthält einen Pfeil, um die Richtung des Stroms anzuzeigen.
Wenn Sie eine Stromquelle in einem Schaltplan sehen, wissen Sie, dass der leitende Pfad, der mit der Stromquelle verbunden ist, einen Stromfluss hat, der dem Wert der Quelle entspricht. Wenn sich dieser Pfad in mehrere Zweige aufteilt, wie im Diagramm unten gezeigt, müssen Sie eine Schaltungsanalyse durchführen, um den Anteil des Stroms der Quelle zu bestimmen, der an jeden Zweig geliefert wird.
Einheiten
Der Wert einer Stromquelle wird in Ampere angegeben. Diese Einheit gibt die Geschwindigkeit an, mit der elektrische Ladung durch einen bestimmten Punkt in einem Stromkreis fließt. Wenn wir einen Strom von einem Ampere messen, wissen wir, dass pro Sekunde ein Coulomb Ladung an einem beliebigen Punkt im gemessenen Zweig vorbeifließt.
Ideale Stromquellen
Eine ideale Stromquelle erzeugt immer genau ihren Nennstrom und wird nicht von den Eigenschaften des Stromkreises beeinflusst, an den sie angeschlossen ist. Reale Stromquellen sind, wie auch reale Spannungsquellen, nicht ideal und müssen durch eine ideale Quelle in Verbindung mit mindestens einem zusätzlichen Bauteil dargestellt werden.
Beispiele für Spannungs- und Stromquellen
Beim Analysieren und Entwerfen grundlegender Schaltungen sehen wir Spannungsquellen viel häufiger als Stromquellen, da elektronische Systeme in der Regel von Batterien oder geregelten Gleichstromversorgungen gespeist werden, die beide als Spannungsquellen fungieren.
Stromquellen sehen wir typischerweise nicht als primäre Lieferanten der elektrischen Energie einer Schaltung. Sie sind eher ein Mittel, um das Verhalten von Schaltungskomponenten wie lichtempfindlichen Dioden und Transistoren zu erfassen. Eine Ausnahme bildet die Photovoltaikzelle, die als Stromquelle (in Verbindung mit einigen anderen Komponenten) modelliert wird und als primäre Energiequelle für eine solarbetriebene Schaltung fungieren kann.
Abschluss
Diese kurze Diskussion über Spannungs- und Stromquellen hat Ihnen einige grundlegende Informationen über diese beiden grundlegenden Mittel zur Einspeisung elektrischer Energie in eine Schaltung gegeben. In zukünftigen Video-Tutorials werden wir uns mit dem Unterschied zwischen abhängigen und unabhängigen Quellen und dem Verhältnis zwischen Wechselstrom- (AC) und Gleichstrom-Spannungsquellen (DC) beschäftigen.