Stromquelle
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
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. Technisch handelt es sich um eine Energiequelle, die elektrische Energie bei zeitlich konstantem Strom (Gleichstromquelle) bzw. zeitlich periodisch veränderlichen Strom (Wechselstromquelle) liefert und die dazu erforderliche elektrische Spannung aufbaut.
Abseits der Umgangssprache haben Spannungs- und Stromquellen, zumindest bei näherungsweise idealem Verhalten, entgegengesetzte Eigenschaften, weswegen auf die Unterschiede zu achten ist.
Normung des linken Schaltzeichens inzwischen international in IEC 617-2 (1996) und DIN EN 60617-2 (1997)
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Abgrenzung
Elektrotechnisch stehen Spannungs- und Stromquellen gleichberechtigt, aber andersartig nebeneinander. Während Spannungsquellen als elektrochemische Quellen (Akkumulator, Batterie) und elektromagnetische Quellen (Generator, die davon gespeiste Steckdose) in der allgemeinen Lebenserfahrung bekannt sind, gilt dieses für Stromquellen nicht. Gleichwohl gibt es solche Quellen.
Während Spannungsquellen eine konstante Spannung anbieten, die allerdings unter Belastung absinken kann, bieten Stromquellen einen konstanten Strom an, der allerdings 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.
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.
Dieser Unterscheidung entzieht sich die Silizium-Solarzelle, die infolge Halbleitereffekten ein stark nichtlineares Verhalten aufweist. Im flachen Bereich ihrer Kennlinie (siehe unten) verhält sie sich eher wie eine Stromquelle, im steilen Bereich eher wie eine Spannungsquelle, so dass für ihre Behandlung eine eigenständige Darstellung erforderlich ist. Nichtlineare Quellen bleiben deshalb nachfolgend unberücksichtigt.
[Bearbeiten] Verhalten
-Kennlinie.png/180px-Quelle_I(U)-Kennlinie.png)
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 enthält keinen Innenwiderstand in dem Sinne, dass sie keinen internen Stromverbrauch aufweist; Ri → ∞. Damit der Strom einer idealen Stromquelle fließen kann, baut sie je nach Widerstand RV des Verbrauchers eine entsprechend hohe Spannung auf.
-
- Achtung: 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, Lebensgefahr! Bei einer elektronischen Stromquelle ist das anders. Da sie intern aus einem Netzgerät mit konstanter Spannung gespeist wird, kann die Klemmenspannung die interne Speisespannung nicht überschreiten. Manche Geräte haben zusätzlich eine einstellbare Spannungsbegrenzung.
[Bearbeiten] Reale Stromquelle
Im Grenzfall des Kurzschlusses mit Ukl = 0 fließt der gesamte Strom der Quelle über die Ausgangsklemmen. Sonst baut sich Spannung auf 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 , desto größer U0 .
Die reale Stromquelle lässt sich genauso gut als reale Spannungsquelle ansehen. 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 beschreibt 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
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 Spannung an der anderen Quelle aufbauen.
[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.
