Stromquelle
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Mit Stromquelle bezeichnet man umgangssprachlich ein Gerät, das elektrische Energie zur Verfügung stellt. Die Bezeichnungen elektrische Stromquelle und elektrische Spannungsquelle werden oft synonym als Bezeichnung für Lieferanten elektrischer Energie verwendet. Exakterweise ist eine Stromquelle jedoch ein Gerät oder Bauteil, das einen konstanten, vom jeweiligen Verbraucher unabhängigen Strom liefert. Es kann sich um eine Gleichstromquelle oder Wechselstromquelle handeln; bei letzterer wird der Effektivwert konstant gehalten.
Stromquellen bauen die zum Stromfluss erforderliche elektrische Spannung auf.
Ideale Spannungs- und Stromquellen haben zueinander entgegengesetzte Eigenschaften. Im nachfolgenden Artikel wird auf die Eigenschaften idealer und realer linearer Stromquellen eingegangen.
Normung des linken Schaltzeichens inzwischen international in IEC 617-2 (1996) und DIN EN 60617-2 (1997)
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] 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 erzeugt unbelastet keinen Strom.
- Eine Stromquelle erzeugt unbelastet keine Spannung.
Die Solarzelle weist infolge Halbleitereffekten ein stark nichtlineares Verhalten auf. Im flachen Bereich ihrer Kennlinie (siehe unten) verhält sie sich eher wie eine Stromquelle, im steilen Bereich eher wie eine Spannungsquelle.
[Bearbeiten] Verhalten
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Der Ausgangsstrom I einer Stromquelle als Funktion der an den Klemmen entstehenden Spannung Ukl wird grafisch als Kennlinie dargestellt.
- Bei einer idealen Stromquelle ist dieses eine waagerechte Gerade; man spricht von einer Konstantstromquelle.
- Bei einer realen linearen Quelle erhält man eine geneigte Gerade; die Quelle hat ein Verhalten, bei welcher der Strom linear mit steigender Spannung abnimmt.
Das Verhalten einer linearen Stromquelle beschreibt man durch ein Ersatzschaltbild, bestehend aus einer idealen Stromquelle IK und einem Innenwiderstand Ri in Parallelschaltung. Der zum Verbraucher fließende Strom ergibt sich zu
Die Neigung wird umso geringer, je größer Ri wird.
[Bearbeiten] Ideale Stromquelle
Die ideale Stromquelle besitzt einen Innenwiderstand Ri → ∞. Damit der Strom einer idealen Stromquelle fließen kann, baut sie je nach Widerstand RV des Verbrauchers eine entsprechend hohe Spannung auf.
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- Einen Leerlauf darf es bei einer idealen Stromquelle nicht geben, da sie Ukl → ∞ 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!
Bei einer elektronischen Stromquelle ist das anders: Hier kann die Klemmenspannung die interne Speisespannung nicht überschreiten, mit der die Quelle aus ihrem Netzgerät versorgt wird.
Ein komfortables Labornetzgerät besitzt eine Rechteckkennlinie mit einstellbarer Spannungsbegrenzung und einstellbarer Strombegrenzung; es verhält sich bei Erreichen der Strombegrenzung (im Kennlinienbild bei Belastung mit dem kleineren der beiden Widerstände) wie eine Konstantstromquelle, bei Erreichen der Spannungsbegrenzung (mit dem größeren Widerstand) wie eine Konstantspannungsquelle.
[Bearbeiten] Reale Stromquelle
Im Grenzfall des Kurzschlusses mit Ukl = 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 U0 an, bei dem der gesamte Quellenstrom durch den Innenwiderstand fließt.
Je größer Ri wird, desto größer wird U0 .
Reale Stromquellen sind zu realen Spannungsquellen 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.
[Bearbeiten] 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 Ukl 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 Ukl (von oben nach unten).
[Bearbeiten] 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 idealer Stromquellen. Da beide 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.
[Bearbeiten] Realisierungen
Eine recht einfache reale Stromquelle lässt sich herstellen aus der Reihenschaltung einer Spannungsquelle mit einem Widerstand RQ als Quellenwiderstand und dem Verbraucher RV . Wenn die Speisespannung viel größer ist als die am Verbraucher maximal erwünschte 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 um maximal 1 % infolge Laständerung verändern dürfen, so muss
0 < RV < (1 / 100)RQ sein.
Ideale Stromquellen werden unter Konstantstromquelle beschrieben.
