EineStromquelle stellt in derSchaltungstheorie undNetzwerkanalyse derElektrotechnik einen aktivenZweipol dar, der an seinen Anschlusspunkten einenelektrischen Strom liefert. Als wesentliche Eigenschaft hängt dieStromstärke nur gering oder (bei dem Modell alsideales elektrisches Bauelement im Rahmen derSchaltungsanalyse) gar nicht von derelektrischen Spannung an seinen Anschlusspunkten ab.[1][2] Die Stromstärke ist im Idealfall unabhängig vom jeweilig angeschlossenen Verbraucher. Stromquellen könnenWechselstrom oder zeitlich konstantenGleichstrom liefern; im technischen Gebrauch werden sie auch alsKonstantstromquellen bezeichnet.
Strom- undSpannungsquellen[3] haben zueinander entgegengesetzte Eigenschaften und sind alsideale Bauelemente voneinander unabhängige Modelle. Einereale Stromquelle wird dadurch beschrieben, dass das Quellenmodell zusammen mit mindestens einem passiven Bauelement betrieben wird. Bei einer realenlinearen Stromquelle ist dieses ein ohmscher Widerstandparallel zum Quellenmodell.
Die Spannungsquelle ist aus der Alltagserfahrung bekannt; sie kann anschaulich physikalisch erklärt werden. Die Stromquelle hingegen physikalisch zu erklären, dürfte nicht ohne weiteres möglich sein; sie ergibt sich aus einem mathematischen Modell.[4] Im Rahmen der elektrischen Netzwerkanalyse ist die Stromquelle das Gegenstück einer Spannungsquelle: Als Zweipol betrachtet liefert
Eine beliebige Anordnung von linearen Spannungs- und Stromquellen undWiderständen in Form einerelektrischen Schaltung lässt sich nach außen immer als Zweipol durch nur eine Stromquelle mit einemInnenwiderstand vollständig beschreiben. Dieser Zusammenhang wird auch als dasNorton-Theorem bezeichnet und spielt in der elektrischen Schaltungsanalyse eine Rolle, da sich damit komplizierte Schaltungen auf vereinfachteErsatzschaltungen reduzieren lassen, die dann der Analyse leichter zugänglich sind.
In den Ersatzschaltungen wird die Stromquelle immer als von der Spannung unabhängig angesehen. Dieses Verhalten ist in Realität nur näherungsweise zu erreichen; dann sind im Ersatzschaltbild zur besseren Beschreibung der Realität weitereBauelemente einzufügen. Im einfachsten Fall dient dazu ein zur Stromquelle parallel liegender ohmscher Innenwiderstand. Bei technisch genutzten Stromquellen wird im Regelfall versucht, den Innenwiderstand möglichst groß zu halten.
Als die Belastung einer Quelle wird ein an ihren Anschlusspunkten angeschlossenerelektrischer Verbraucher verstanden – im einfachsten Fall ein ohmscher Widerstand.[4][6] Der Verbraucher setzt die von der Quelle gelieferteelektrische Leistung in einenWärmestrom oder eine andere Leistung um. Eine unbelastete Quelle gibt keine elektrische Leistung an einen Verbraucher ab, wenn mindestens einer der beiden Faktoren in der Gleichung null ist:
Im Inneren eines Gerätes, das als Stromquelle bezeichnet werden kann, hängt die Verlustleistung wesentlich davon ab, wie die Quelle technisch realisiert ist; sie lässt auf das prinzipielle Verhalten der Stromquelle keine Rückschlüsse zu. Die hier verwendeten Begriffe „ideale Stromquelle“ und „reale Stromquelle“ werden in derselben Sinngebung verwendet, wie sie in der Fachliteratur üblich sind.[6][7][8][9][10][11]
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Die Ausgangsstromstärke einer Stromquelle als Funktion der an den Klemmen entstehenden Spannung wird grafisch alsKennlinie dargestellt.
Neben derunabhängigen Stromquelle mit einem festen Kurzschlussstrom gibt es diegesteuerte Stromquelle, deren Kurzschlussstrom eine Funktion einer äußeren Größe ist. Zur Steuerung wird eine Spannung oder ein Strom an getrennten Eingabepunkten angeschlossenen.
Die ideale Stromquelle ist der Grenzfall einer linearen Stromquelle mit einem Innenwiderstand. Damit der Strom einer idealen Stromquelle fließen kann, baut sie je nach Widerstand des Verbrauchers eine entsprechend hohe Spannung auf.
Bei einerelektronischen Stromquelle ist das meistens 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 sogenannteKleinspannung ist.
Bei entsprechender Ausstattung besitzt einLabornetzgerät 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.
Im Modell der idealen Stromquelle wird die zur Verfügung stehende elektrische Leistung als unendlich groß angenommen. Für ein technisches Gerät ist jedoch die Leistungs- oder Spannungsabgabe begrenzt; bei Überschreitung einer im Datenblatt anzugebenden Grenze kann der Strom einbrechen. Wo es auf die Unerfüllbarkeit der Modelleigenschaft ankommt, werden fallweiseErsatzschaltungen eingesetzt. Durch diese kann eine reale Stromquelle mittels idealer Stromquelle modelliert werden (wie beispielsweise als lineare Stromquelle).
Im Grenzfall des Kurzschlusses mit 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 an, bei dem der gesamte Quellenstrom durch den Innenwiderstand fließt.
Je größer wird, desto größer wird.Eventuell kann eine leerlaufende reale Stromquelle sich selbst zerstören. Manche Netzteile dürfen deshalb nur unter Last betrieben werden.
Lineare Stromquellen sind zu linearen Spannungsquellen (ideale Spannungsquelle mitin Reihe geschaltetem Innenwiderstand) äquivalent. Welcher Begriff verwendet wird, hängt davon ab, zu welcher Idealform das Verhalten der Quelle näher gesehen wird. Die nachfolgenden Gleichungen lassen sich ineinander umrechnen; die linken beschreiben die Spannungsquelle, die rechten die Stromquelle.
Aufgrund ihres Quellenwiderstands ist die übertragbare elektrische Leistung begrenzt auf einen Maximalwert. Dieses wird bei der linearenSpannungsquelle behandelt.
DerWirkungsgrad einer Stromquelle ergibt sich aus dem Verhältnis der dem Verbraucher zugeführten Leistung zur von der Stromquelle erzeugten Leistung. Bei der idealen Stromquelle ist die abgegebene Stromstärke gleich der erzeugten Stromstärke, die Spannung ist an Quelle und Verbraucher ohnehin gleich; damit ist der Wirkungsgrad in diesem Fall.
Bei der linearen Stromquelle geht ein Teil der erzeugten Stromstärke an verloren und die abgegebene Leistung ist kleiner als die erzeugte. Für und ist
Eine andere Gleichung[12] gilt für die belastete lineare Spannungsquelle anhand ihres Ersatzschaltbildes (siehehier)
Ein möglichst hoher Wirkungsgrad wird erzielt
Die beiden Wirkungsgrade ergänzen sich zu 100 %:. Wird eine belastete lineare Spannungsquelle mit dem Wirkungsgrad als äquivalente Stromquelle aufgefasst (wie im vorhergehenden Kapitel), so verändert sich der Wirkungsgrad auf.[12]
Bei einem passiven Bauelement oder Verbraucher soll sich die Bezugsrichtung der Stromstärke auf die Polarität der Spannung beziehen.[13] Durch dieses in der Elektrotechnik weitgehend üblicheVerbraucherzählpfeilsystem wie im Bild oben wird erreicht, dass Spannung und Stromstärke dasselbe Vorzeichen haben. Eine positive Stromstärke von a nach b erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung von a nach b.
Bei Umkehreines der beiden Pfeile müsste in das ohmsche Gesetz ein Minuszeichen eingefügt werden.
Die konsequente Verwendung der Vorzeichen in der gesamten Schaltung wird erreicht durch Zählpfeile am Erzeuger wie im Bild. Dennim Inneren des aktiven Bauteils bzw. der Quelle fließt der Strom der Spannung entgegen. Eine positive Stromstärke (im Bild in der Quelle von unten nach oben) erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung (von oben nach unten).
Soll dem Verbraucher mehr Strom zugeführt werden als die Quelle liefern kann, so dürfen Stromquellen mit gleicher Polarität oder Phasenlage parallelgeschaltet 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 werden in Reihe geschaltete Zellen oder Module ab einer bestimmten Anzahl mit jeweils antiparallel zu ihnen geschalteten Schutzdioden (Bypass-Diode) versehen.
Ein typisches Anwendungsbeispiel ist einstromkonstantesLadegerät mit einer definierten oder einstellbaren Ladeschlussspannung. Der Verbraucherwiderstand kann null sein, da Stromquellen prinzipiell kurzschlussfest ausgelegt sind. Weitere 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 konventionelleVorschaltgeräte und fürKaltkathodenröhren auch Resonanz- undStreufeldtransformatoren verwendet.
Eine recht einfache Stromquelle lässt sich herstellen aus der Reihenschaltung einer Spannungsquelle mit einem Widerstand als Quellenwiderstand (Vorwiderstand) und dem Verbraucher. Wenn die Speisespannung viel größer ist als die am Verbraucher auftretende Spannung, wird ein Quellenwiderstand gebraucht, 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 schlechtenWirkungsgrad, da fast die gesamte von der Spannungsquelle gelieferte Energie im Quellenwiderstand umgesetzt wird. Soll sich die Stromstärke beispielsweise um maximal 1 % infolge Laständerung verändern dürfen, so muss
sein. Abhilfe gegen den hohen Verlust bietet bei Wechselspannung die Verwendung eines induktiven oder kapazitivenBlindwiderstands als Vorwiderstand (Betrieb von Gasentladungslampen mit einem sogenannten konventionellen Vorschaltgerät (Vorschaltdrossel)).
Diese Stromquellen werden unterKonstantstromquelle 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 sind spezielleTransformatoren zurpotentialfreien Messung großer Wechselströme. Sie erzeugen einen Sekundärstrom, der idealerweise proportional zum Primärstrom ist. Das ist nahezu gegeben bei Abschlusswiderständen (alsBürde bezeichnet) von null bis zu einem Maximalwert, der sogenanntenNennbürde.
Bauteile wieSolarzellen,Fotodioden oderBipolartransistoren undIGBT verhalten sich in bestimmten Bereichen ihrer Kennlinien wie Stromquellen. So ist der Sperrstrom von Fotodioden über viele Größenordnungen proportional zum darauf fallendenLichtstrom.
Messumformer liefern oft einen Strom als Ausgangssignal.[14] Dabei kann es sich um Strommessungen, Temperaturmessungen oder andere Messgrößen handeln, aus denen ein proportionaler Strom erzeugt wird. Ströme wie das dafür bekannte und in Industrieanlagen angewendete 4…20-mA-Signal bieten bei der Übertragung gegenüber Spannungen Vorteile: der Spannungsabfall langer Leitungen und störbehaftete Potenzialbezüge am Einspeisepunkt bleiben ohne Einfluss auf das Signal. Beim 4…20-mA-Signal kann überdies eine Leitungsunterbrechung erkannt werden, wenn der Minimalwert 4 mA nicht erreicht wird.
Die bisher behandelten Stromquellen sind energieabgebend. Nun gibt es Fälle, in denen es sinnvoll ist, das Modell der idealen Stromquelle derart zu erweitern, dass sich ihre Kennlinie nicht auf einen Quadranten beschränkt, sondern imoben gezeigten Bild nach links in den Bereich negativer Spannung fortsetzt.[15] DasModell der idealen Quelle ist immer in der Lage, sowohl als Erzeuger als auch als Verbraucher zu wirken; bei realen Quellen ist das in der Regel nicht der Fall.[16]
Da das Modell der linearen Quelle auf dem Modell der idealen Quelle aufbaut, steigt bei der linearen Quelle die Kennlinie bei Leistungsaufnahme mit gleicher Steigung nach links weiter an auf Werte größer als der Kurzschlussstrom.
Ein Beispiel für die Anwendung des umfassenden, hier jedoch ausschließlich in Verbraucherrichtung betriebenen Modells der Stromquelle ist derBipolartransistor gemäß nebenstehendemErsatzschaltbild. In diesem fließt der Strom entgegen der üblichen Richtung bei gegebener Spannungsrichtung einer Stromquelle. Diese ist somit energieaufnehmend. Sie ist nur Bestandteil des Ersatzschaltbilds und nicht existent. Die aufgenommene Energie führt zur Erwärmung des Transistors. Damit sich und ausbilden können, ist der Transistor in einem geeignetenStromkreis zu betreiben, den eine tatsächlich existierende Energiequelle speist.
Ein weiteres Beispiel ist der Messumformer mitStromschnittstelle, der eineneingeprägten Strom als Maß für eine Messgröße (Temperatur, Druck usw.) passieren lässt und sich als Energiesenke verhält, die von einem Speisegerät versorgt werden muss.
