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Leistungsanpassung

Wann eine Quelle die meiste Leistung abgibt, warum der Wirkungsgrad dann nur 50 % ist – und wann Spannungs- oder Stromanpassung besser passt.

5 Min. LesezeitLeistungsanpassungSpannungsanpassungStromanpassungInnenwiderstand

Hängst du an eine Spannungsquelle einen sehr kleinen Lastwiderstand, fließt zwar viel Strom, aber an der Last liegt kaum Spannung. Ist der Lastwiderstand sehr groß, liegt fast die ganze Spannung an, aber es fließt kaum Strom. In beiden Fällen kommt wenig Leistung an. Irgendwo dazwischen gibt es ein Optimum – und das liegt genau dort, wo der Lastwiderstand so groß ist wie der Innenwiderstand der Quelle. Diesen Fall nennt man Leistungsanpassung.

Die Leistung an der Last

Eine reale Quelle mit Leerlaufspannung U0 und Innenwiderstand Ri treibt durch die Last RL den Strom I = U0 / (Ri + RL). Die Leistung an der Last ist PL = I2 · RL, also

PL = U02 · RL(Ri + RL)2

Diese Funktion ist bei RL = 0 null, steigt dann an und fällt für sehr große RL wieder gegen null. Ihr Maximum liegt bei

RL = Ri Pmax = U024 · Ri

Bei Anpassung liegt an der Last genau die halbe Leerlaufspannung, und es fließt der halbe Kurzschlussstrom.

Schaltung mit 12-V-Quelle, 4 Ω Innenwiderstand und 4 Ω Last
Bei Anpassung teilt sich die Leerlaufspannung je zur Hälfte auf: 9 W kommen an der Last an, 9 W werden in der Quelle zu Wärme.
Leistung und Wirkungsgrad abhängig vom Verhältnis Lastwiderstand zu Innenwiderstand
Die Leistung an der Last ist am größten, wenn Last- und Innenwiderstand gleich sind – der Wirkungsgrad steigt dagegen immer weiter an.

Der Haken: nur 50 % Wirkungsgrad

Bei Anpassung fließt derselbe Strom durch Innen- und Lastwiderstand, und beide sind gleich groß. Also wird in der Quelle genauso viel Leistung in Wärme umgesetzt wie in der Last ankommt. Der Wirkungsgrad ist

η = PLPges = RLRi + RL

Mit RL = Ri ergibt das genau 50 %.

Für die Energieversorgung wäre das absurd: Ein Kraftwerk, das die Hälfte seiner Leistung im eigenen Generator und den Leitungen verheizt, wäre unbezahlbar – und würde überhitzen.

Spannungs- und Stromanpassung

Je nach Ziel wählst du das Verhältnis von Last- zu Innenwiderstand ganz bewusst:

AnpassungBedingungZielBeispiele
SpannungsanpassungRL ≫ Rimöglichst volle Spannung an der LastStromnetz, Netzteile, Messgeräte, Audioverstärker → Lautsprecher
LeistungsanpassungRL = Rimaximale Leistung an der LastAntennen, HF-Leitungen, schwache Sensoren
StromanpassungRL ≪ Rimöglichst voller Strom in die LastStrommessung, Stromquellen
Achse mit dem Verhältnis Lastwiderstand zu Innenwiderstand und den Bereichen Strom-, Leistungs- und Spannungsanpassung
Das Verhältnis von Last- zu Innenwiderstand entscheidet: weit darunter Stromanpassung, genau bei 1 Leistungsanpassung, weit darüber Spannungsanpassung.

Bei der Spannungsanpassung ist der Wirkungsgrad hoch und die Klemmenspannung stabil. Fast die ganze Energietechnik und die meisten Elektronikschaltungen arbeiten so. Ein Audioverstärker hat zum Beispiel einen Ausgangswiderstand von wenigen Hundertstel Ohm, der Lautsprecher 4 oder 8 Ω. Das hat nichts mit „schlechter Anpassung“ zu tun – der kleine Innenwiderstand bremst die Membran sogar, sodass sie sauberer schwingt.

Anpassung in der Hochfrequenztechnik

Bei hohen Frequenzen und langen Leitungen hat Anpassung noch einen zweiten, oft wichtigeren Grund: Ist der Abschlusswiderstand gleich dem Wellenwiderstand der Leitung, wird keine Energie reflektiert. Sender, Koaxialkabel und Antenne sind deshalb alle auf denselben Wert ausgelegt – meist 50 Ω, beim Fernsehen 75 Ω. Historisch kommt die Anpassung aus der Telefontechnik, wo Leitungen und Geräte auf 600 Ω abgestimmt wurden.

Sender, Koaxialkabel und Antenne mit jeweils 50 Ω
In einer HF-Strecke haben Sender, Kabel und Antenne denselben Wellenwiderstand – so wird nichts reflektiert.

Stimmen Quelle, Leitung und Abschluss überein, nimmt der Abschlusswiderstand am Leitungsende die ankommende Welle vollständig auf, und auf der Leitung läuft nur das ursprüngliche Signal. Bei Fehlanpassung läuft ein Teil zurück, wird an einer ebenfalls fehlangepassten Quelle erneut reflektiert und pendelt hin und her, bis die Leitungsverluste ihn aufgezehrt haben. Zwei Grenzfälle zeigen das besonders deutlich: Am offenen Leitungsende kommt die Welle mit gleicher Polarität zurück, am kurzgeschlossenen Ende mit umgekehrter. In beiden Fällen kommt am Ende keine Leistung an.

Bei Wechselspannung können Innen- und Lastwiderstand eine Impedanz mit Blindanteil sein. Die größte Wirkleistung kommt dann an, wenn die Lastimpedanz die konjugiert komplexe Quellimpedanz ist: gleicher Wirkanteil, Blindanteil mit gleichem Betrag, aber umgekehrtem Vorzeichen. Eine induktive Quelle braucht also eine kapazitive Last, damit sich die Blindanteile aufheben.

Quelle mit Innenwiderstand und Induktivität, Last mit gleichem Widerstand und Kapazität
Konjugiert komplexe Anpassung: Der induktive Blindanteil der Quelle wird durch einen gleich großen kapazitiven Blindanteil der Last aufgehoben.

Selbsttest

Bei welchem Lastwiderstand gibt eine Quelle mit 6 Ω Innenwiderstand die größte Leistung ab?

Bei RL = 6 Ω.

Welche Leistung ist das, wenn die Leerlaufspannung 12 V beträgt?

Pmax = (12 V)2 / (4 · 6 Ω) = 6 W.

Warum betreibt man Netzteile nicht mit Leistungsanpassung?

Der Wirkungsgrad wäre nur 50 %; die Hälfte der Leistung würde im Netzteil selbst verheizt, und die Ausgangsspannung bräche auf die Hälfte ein.