Benutzer:Hutschi/Stromquelle

Als Stromquelle bezeichnet man in der Schaltungsanalyse im Unterschied zur Spannungsquelle einen aktiven Zweipol, der einen von der Spannung an seinen Anschlusspunkten unabhängigen Quellenstrom liefert. Dieser Strom ist somit auch unabhängig vom jeweilig angeschlossenen Verbraucher. Zur Verdeutlichung wird diese Stromquelle auch als ideale Stromquelle bezeichnet. Sie ist ein Modell für eine reale Konstantstromquelle innerhalb eines bestimmten Arbeitsbereiches..

Im Gegensatz zur idealen Spannungsquelle liefern ideale Stromquellen keine feste elektrischen Spannung, sondern die am Verbraucher anliegende Spannung ist entsprechend dem Ohmschen Gesetz vom Verbraucher abhängig.

Stromquellen können Gleichstrom oder Wechselstrom liefern; im letzteren Fall ist beispielsweise der Effektivwert des Stromes konstant.

Ideale Strom- und Spannungsquellen haben zueinander entgegengesetzte Eigenschaften.

Abgrenzung

In diesem Abschnitt wird auf die Eigenschaften idealer und realer linearer Stromquellen eingegangen.

Schaltzeichen einer elektrischen Stromquelle.
Normung des linken Schaltzeichens inzwischen international in IEC 617-2 (1996) und DIN EN 60617-2 (1997)

Reale Spannungsquellen sind als Akkumulatoren, Batterien, Generatoren und als davon gespeiste Steckdosen im Alltag bekannt. Diese werden oft sowohl als Spannungsquellen als auch als Stromquellen bezeichnet.

Reale Stromquellen, die konstanten Strom liefern, bezeichnet man oft als Konstantstromquellen, um die Begriffe besser abzugrenzen. Konstantstromquellen sind zum Beispiel geregelte Akku-Ladegeräte, die für eine bestimmte Zeit oder entsprechend des Ladezustandes einen konstanten Strom an den Akku abgeben.

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

Als Belastung einer Quelle wird nach gängiger Auffassung in der Fachliteratur, z. B. , ein an ihren Anschlusspunkten angeschlossener elektrischer Verbraucher verstanden.

Von den zwei Grenzfällen der Belastung – Leerlauf und Kurzschluss – ist bei der Spannungsquelle der Leerlauf als Grundzustand anzusehen und bei der Stromquelle der Kurzschluss. Beim jeweils anderen Grenzfall geht die Spannung bei der Stromquelle und der Strom bei der Spannungsquelle gegen Unendlich. Bei realen Quellen treten Begrenzungen ein. (Gefahr möglich zum Beispiel durch hohe Spannungen oder Zerstörung des Geräts!). Bei linearen Quellen wird die Spannung bei offener Stromquelle nur durch den Innenwiderstand bestimmt.

Eine unbelastete Quelle gibt keine elektrische Leistung P = U · I an einen Verbraucher ab.

• Bei einer Spannungsquelle, die ein U ≠ 0 liefert, erreicht man den unbelasteten Zustand durch I = 0 (Leerlauf).
• Bei einer Stromquelle, die ein I ≠ 0 liefert, erreicht man den unbelasteten Zustand durch U = 0 (Kurzschluss).

Der Fall des unbelasteten Zustands ist also derselbe, wie der zuvor als Grundzustand bezeichnete Fall.

Weil reale Strom- und Spannungsquellen einen endlichen Innenwiderstand haben, werden weder unendliche Ströme noch unendliche Spannungen erreicht.

Bei linearen Stromquellen erreicht die Spannung bei offenen Anschlüssen einen Grenzwert U = I · Ri. Bei geringer Belastung (Ri << Ra) verhält sie sich wie eine Spannungsquelle.

Die im Inneren einer linearen Stromquelle in Wärme umgesetzte Leistung hängt davon ab, wie die Quelle technisch realisiert ist, und hat mit ihrem prinzipiellen Verhalten nichts zu tun. Eine lineare Quelle kann man zur Vereinfachung durch ein Ersatzschaltbild mit je einer Quelle und dem Innenwiderstand darstellen und berechnen.

Nichtlineare Stromquellen können innerhalb eines bestimmten Bereiches durch eine lineare Stromquelle modelliert werden.

Verhalten

Kennlinien linearer Stromquellen und einer Solarzelle

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.

Überblick

Ersatzschaltbild einer linearen Stromquelle (mit Verbraucher)

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

• Bei einer idealen Stromquelle ist diese gemäß der Definition eine waagerechte Gerade.
• Eine nichtgeregelte reale Stromquelle liefert eine fallende Kennlinie, bei welcher der Strom mit steigender Spannung abnimmt. Bei einer geregelten Stromquelle hängt das Verhalten von der Art der Regelung ab.
  • 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 $I_{\mathrm {K} }$ und einem Innenwiderstand $R_{\mathrm {i} }$ in Parallelschaltung beschrieben werden. Die Kennlinie ist eine fallende Gerade. Der zum Verbraucher fließende Strom ergibt sich zu

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

Die Neigung wird umso geringer, je größer $R_{\mathrm {i} }$ wird.

Neben der unabhängigen Stromquelle mit einem festen Quellenstrom gibt es die gesteuerte Stromquelle, deren Quellenstrom eine Funktion einer äußeren Größe ist. Eine Spannung oder Stromstärke wird dazu an getrennten Anschlusspunkten angeschlossenen.

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Quellen

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