Stromquelle

Als Stromquelle bezeichnet man im Unterschied zur Spannungsquelle ein Gerät oder Bauteil, das zumindest im Idealfall einen konstanten, vom jeweilig angeschlossenen Verbraucher unabhängigen elektrischen Strom liefert.

Im Gegensatz zu den allgemein bekannten elektrischen Energiequellen (Netzsteckdosen, Batterien) arbeiten Stromquellen nicht mit einer festen elektrischen Spannung, sondern sie lassen fallweise so viel Spannung entstehen, wie zum Stromfluss durch den angeschlossenen Verbraucher erforderlich ist.

Stromquellen können Gleichstrom oder Wechselstrom liefern; im letzteren Fall wird beispielsweise der Effektivwert konstant gehalten.

Ideale Strom- und Spannungsquellen haben zueinander entgegengesetzte Eigenschaften. In diesem Artikel wird auf die Eigenschaften idealer und realer linearer Stromquellen eingegangen.

Abgrenzung

Spannungsquellen sind als Akkumulatoren, Batterien, Generatoren und als davon gespeiste Steckdosen im Alltag bekannt. Stromquellen sind dagegen wenig bekannt; gleichwohl gibt es solche Geräte.

Während Spannungsquellen eine konstante Spannung liefern, die aber bei einer realen Quelle unter Belastung absinken kann, liefern Stromquellen einen konstanten Strom, der bei einer realen Quelle aber unter Belastung absinken kann.

Von den zwei Grenzfällen der Belastung – Leerlauf und Kurzschluss – ist bei der Spannungsquelle der Leerlauf als Grundzustand anzusehen und bei der Stromquelle der Kurzschluss. Den jeweils anderen Grenzfall darf man nicht entstehen lassen, wenn das Verhalten der Quelle nicht ausreichend bekannt ist (Gefahr möglich!).

Eine Quelle wird auch als unbelastet bezeichnet, wenn der zuvor als Grundzustand bezeichnete Fall eintritt.

Eine Spannungsquelle liefert unbelastet keinen Strom.
An einer Stromquelle entsteht unbelastet keine Spannung.

Verhalten

Wie bei jedem technischen Gerät gelten die folgenden Aussagen nur in einem eingegrenzten Bereich, für den die jeweilige Gerätespezifikation gültig ist, und nicht bei Überlastung.

Kennlinien linearer Stromquellen und einer Solarzelle

Überblick

Ersatzschaltbild einer linearen Stromquelle (mit Verbraucher)

Der Ausgangsstrom I einer Stromquelle als Funktion der an den Klemmen entstehenden Spannung $U_{kl}$ wird grafisch als Kennlinie dargestellt.

Bei einer idealen Stromquelle ist dies eine waagerechte Gerade; siehe auch Konstantstromquelle.
Eine reale Stromquelle liefert eine fallende Kennlinie, bei welcher der Strom mit steigender Spannung abnimmt.
- Beispiel für eine nichtlineare Stromquelle ist die Solarzelle mit ihrer stark gekrümmten Kennlinie. In ihrem flachen Bereich (bei geringer Klemmenspannung) verhält sich die Solarzelle eher wie eine Stromquelle; im steilen Bereich (bei geringer Stromentnahme) nimmt sie eher (aber nicht so ausgeprägt) das Verhalten einer Spannungsquelle an.
- Eine lineare Stromquelle kann im Ersatzschaltbild aus einer idealen Stromquelle $I_{K}$ und einem Innenwiderstand $R_{i}$ in Parallelschaltung beschrieben werden. Die Kennlinie ist eine fallende Gerade. Der zum Verbraucher fließende Strom ergibt sich zu

I=I_{K}-U_{kl}/R_{i}\

Die Neigung wird umso geringer, je größer

R_{i}

wird.

Ideale Stromquelle

Die ideale Stromquelle ist der Grenzfall einer linearen Stromquelle mit einem Innenwiderstand $R_{i}$ → ∞. Damit der Strom einer idealen Stromquelle fließen kann, baut sie je nach Widerstand $R_{V}$ des Verbrauchers eine entsprechend hohe Spannung auf.

U_{kl}=I\cdot R_{V}

Einen Leerlauf darf es bei einer idealen Stromquelle nicht geben, da sie

U_{kl}

→ ∞ gehen lässt; es entstehen Überschläge. Z. B. bei Stromwandlern besteht, wenn man sekundär eine Steckverbindung öffnet oder anders eine Leitung unterbricht, aus diesem Grund tatsächlich Lebensgefahr!

Kennlinie eines Netzgerätes mit einstellbarer Spannungs- und Strombegrenzung sowie Kennlinien zweier ohmscher Verbraucher

Bei einer elektronischen Stromquelle ist das meist anders: Hier kann die Klemmenspannung die interne Speisespannung nicht überschreiten, mit der die Quelle aus ihrem Netzgerät versorgt wird. Es besteht keine Gefahr, wenn die interne Speisespannung eine sogenannte Kleinspannung ist.

Je nach Ausstattung besitzt ein Labornetzgerät eine Rechteckkennlinie mit einstellbarer Spannungsbegrenzung und einstellbarer Strombegrenzung. Es verhält sich ab Erreichen der Strombegrenzung (im Kennlinienbild bei Belastung mit dem kleineren der beiden Widerstände) wie eine Konstantstromquelle. Bei einem größeren Widerstand wird für denselben Strom mehr Spannung aufgebaut. Wird die Spannungsbegrenzung erreicht (im Bild mit der steileren Geraden), verhält sich das Gerät wie eine Konstantspannungsquelle.

Lineare Stromquelle

Im Grenzfall des Kurzschlusses mit $U_{kl}$ = 0 fließt der gesamte Strom der Quelle über die Ausgangsklemmen. Bei steigendem Lastwiderstand steigt die Klemmenspannung bis zum Grenzfall des Leerlaufes; dann nimmt die Klemmenspannung einen Wert $U_{0}$ an, bei dem der gesamte Quellenstrom durch den Innenwiderstand fließt.

U_{0}=I_{K}\cdot R_{i}

Je größer $R_{i}$ wird, desto größer wird $U_{0}$ .

Äquivalenz der linearen Spannungs- und Stromquelle

Lineare Stromquellen sind zu linearen Spannungsquellen (ideale Spannungsquelle mit in Reihe geschaltetem Innenwiderstand) äquivalent. Welchen Begriff man verwendet, hängt davon ab, zu welcher Idealform das Verhalten der Quelle näher gesehen wird. Die nachfolgenden Gleichungen lassen sich ineinander umrechnen; die linken beschreiben die Stromquelle, die rechten die Spannungsquelle.

I=I_{K}-U_{kl}\;{\frac {I_{K}}{U_{0}}}\quad \Leftrightarrow \quad U_{kl}=U_{0}-I\;{\frac {U_{0}}{I_{K}}}

I=I_{K}-U_{kl}\cdot {\frac {1}{R_{i}}}\quad \Leftrightarrow \quad U_{kl}=U_{0}-I\cdot R_{i}

Zählrichtung

Bei einem passiven Bauteil bzw. Verbraucher soll sich gemäß DIN EN 60375 die Bezugsrichtung des Stromes auf die Polarität der Spannung beziehen. Durch diese „Verbraucher-Bepfeilung“ wie im Bild oben erreicht man, dass Spannung und Strom dasselbe Vorzeichen haben. Ein positiver Strom I von a nach b erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung $U_{kl}$ von a nach b.
Bei Umkehr eines der beiden Pfeile müsste in das ohmsche Gesetz ein Minuszeichen eingefügt werden.

Die konsequente Verwendung der Vorzeichen in der gesamten Schaltung erreicht man gemäß DIN 40110-1 durch eine „Erzeuger-Bepfeilung“ wie im Bild. Denn im Inneren der Stromquelle fließt der Strom der Spannung entgegen. Ein positiver Strom I (im Bild in der Quelle von unten nach oben) erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung $U_{kl}$ (von oben nach unten).

Parallel- und Reihenschaltung von Stromquellen

Soll dem Verbraucher mehr Strom zugeführt werden als die Quelle liefern kann, so dürfen Stromquellen parallelgeschaltet werden.

Beispiel: Mit parallelgeschalteten Stromquellen (nicht Spannungsquellen!) kann ein Akkumulator schneller geladen werden.

Gefährlich ist die Reihenschaltung von Stromquellen. Da alle Quellen von exakt demselben Strom durchflossen werden, die Quellen aber nicht exakt gleich eingestellt sind, kann die eine Quelle eine unzulässig hohe oder inverse Spannung an der anderen Quelle aufbauen.
Ein typisches Beispiel ist die Reihenschaltung von vielen Solarzellen: Ist eine Zelle stärker beschattet, erhält sie bei Belastung eine hohe inverse Spannung und kann zerstört werden. Daher versieht man in Reihe geschaltete Zellen oder Module ab einer bestimmten Anzahl mit jeweils antiparallel zu ihnen geschalteten Schutzdioden.

Realisierungen

Verbraucher, die zum Betrieb eine Stromquelle benötigen, sind Leuchtdioden, Laserdioden und Gasentladungslampen. Je nach Leistung und Effizienz-Anforderungen werden hierfür Vorwiderstände, Schaltregler (Abwärtsregler), elektronische oder konventionelle Vorschaltgeräte und für Kaltkathodenröhren auch Resonanz- und Streufeldtransformatoren verwendet.

Elementare Schaltung

Eine recht einfache Stromquelle lässt sich herstellen aus der Reihenschaltung einer Spannungsquelle mit einem Widerstand $R_{Q}$ als Quellenwiderstand (Vorwiderstand) und dem Verbraucher $R_{V}$ . Wenn die Speisespannung viel größer ist als die am Verbraucher auftretende Spannung, braucht man einen Quellenwiderstand, der viel größer ist als der maximale Verbraucherwiderstand. Wenn sich die Belastung (der Verbraucherwiderstand) verändert, hat das nur geringfügigen Einfluss auf den Strom. Allerdings hat diese Quelle einen sehr schlechten Wirkungsgrad, da fast die gesamte von der Spannungsquelle gelieferte Energie im Quellenwiderstand verbraucht wird. Soll sich der Strom beispielsweise um maximal 1 % infolge Laständerung verändern dürfen, so muss

0<R_{V}<(1/100)R_{Q}

sein. Abhilfe gegen den hohen Verlust bietet bei Wechselspannung die Verwendung eines induktiven oder kapazitiven Blindwiderstands als Vorwiderstand (Betrieb von Gasentladungslampen mit einem sogenannten konventionellen Vorschaltgerät (Vorschaltdrossel)).

Elektronische Stromquellen

Diese Stromquellen werden unter Konstantstromquelle beschrieben. Sie können bis zu einer bestimmten Spannung jene nahezu waagerechte Strom-Spannungs-Kennlinie erzeugen. Sie werden für Mess- und Oszillatorschaltungen sowie für Zeitglieder verwendet.

Stromwandler

Diese sind spezielle Transformatoren zur potentialfreien Messung großer Wechselströme; sie werden unter ihrem eigenen Stichwort beschrieben. Sie erzeugen einen Sekundärstrom als Maß für den Primärstrom und zwar bis zu einem maximalen Abschlusswiderstand wie eine ideale Stromquelle unabhängig von diesem Widerstand.