Stromquelle

Dieser Artikel behandelt die elektrische Stromquelle, für die Wasserquelle siehe Quelle (Gewässer).

Schaltsymbole einer elektrischen Stromquelle

Stromquellen sind Lieferanten elektrischen Stroms. Reale Stromquellen haben einen endlichen Innenwiderstand, der berücksichtigt werden muss. Eine Konstantstromquelle liefert einen zeitlich konstanten elektrischen Strom. Andere Stromquellen liefern einen von der Funktion abhängigen elektrischen Strom. Spannungsquellen dagegen liefern eine elektrische Spannung.

Umgangssprachlich werden die Bezeichnungen elektrische Stromquelle und elektrische Spannungsquelle (oft synonym) als Bezeichnung für Lieferanten elektrischer Energie verwendet. Der Begriff wird vor allem dann gebraucht, wenn die spezifische Art des Energielieferanten (etwa eine Batterie oder ein Generator) von nachrangiger Bedeutung ist.

Abseits der Umgangssprache jedoch haben Spannungs- und Stromquellen teilweise entgegengesetzte Eigenschaften, weswegen ggf. auf die Unterschiede zu achten ist. Das öffentliche elektrische Energieversorgungsnetz beispielsweise hat näherungsweise Eigenschaften einer Spannungsquelle.

Ideale Stromquelle

Der Ausgangsstrom einer idealen Stromquelle ist unabhängig von der Leistungsaufnahme des angeschlossenen Verbrauchers. In der Praxis erfüllt eine reale Stromquelle näherungsweise diese Bedingung, wenn der Widerstand des Verbrauchers klein gegen den Innenwiderstand der Stromquelle ist. Bei großem Anschlusswiderstand sinkt der Ausgangsstrom, da eine reale Stromquelle nur endlich hohe Spannungen bereitstellen kann. Die ideale Stromquelle hat im Ersatzschaltbild einen unendlich hohen Innenwiderstand.

Reale Stromquelle

Gleichstrom-Ersatzschaltbild einer realen Stromquelle unter Last

Das Schaltbild rechts zeigt das Ersatzschaltbild einer realen Stromquelle. Im Idealfall (ideale Stromquelle) entfällt der Innenwiderstand $R i$ . Bei maximal belastetem Ausgang (Kurzschluss) liegt keine Spannung am Ausgang $R L$ an, es fließt kein Strom durch den Innenwiderstand $R i$ , der Ausgangsstrom $I o u t$ entspricht dem Idealstrom $I 0$ (Kurzschlussstrom). Der Kurzschlussstrom einer Stromquelle hat seine Entsprechung in der Leerlaufspannung einer Spannungsquelle.

Äquivalente Spannungsquelle

Nicht ideale Stromquellen lassen sich in Spannungsquellen umrechnen deren Verhalten identisch ist. Hierzu berechnet man die Leerlaufspannung (U_LL) der Stromquelle, welche identisch mit U₀ der Spannungsquelle ist. Der Parallel zur Stromquelle liegende Innenwiderstand wird zum in Serie liegende Innenwiderstand der Spannungsquelle.

$U_{LL} = I_0 \cdot R_i$

Eine Unterscheidung ist trotz allem Sinnvoll, wie im Folgenden noch erklärt wird.

Stromquelle unter Last

Wird ein Verbraucher angeschlossen, fällt an ihm die elektrische Spannung $U o u t$ ab. Der Ausgangsstrom $I o u t$ vermindert sich um den Strom $\frac{U_{out}}{R_i}$ (siehe ohmsches Gesetz):

$I_{out}= I_0 - \frac{U_{out}}{R_i}$

Die Spannung, die die Quelle bereitstellen muss, beträgt:

$U_{out} = (I_0 - I_{out}) \cdot R_i$

Die Spannung ist um so höher, je größer der Innenwiderstand ist, d. h. je idealer die Stromquelle ist. Bei einer idealen Stromquelle entfällt der Innenwiderstand R_i. U_out ist maximal, wenn kein Strom mehr fließen kann, d. h. wenn kein Verbraucher angeschlossen ist ( $I o u t = 0$ ).

Der Übergang einer realen Stromquelle zu einer realen Spannungsquelle ist fließend. In ihren Idealeigenschaften sind sie zueinander diametral. Hier wird ein Innenwiderstand gefordert, der gegen unendlich geht, bei einer Spannungsquelle soll er null sein. Eine Spannungsquelle sollte nicht kurzgeschlossen werden, während eine Stromquelle immer mit einem niederohmigen Verbraucher belastet werden sollte.

Wie auch bei einer Spannungsquelle ist bei gegebenem Innenwiderstand der Quelle die im angeschlossenen Verbraucher umgesetzte Leistung dann maximal, wenn Innenwiderstand und Verbraucherwiderstand gleich groß sind.

Beispiel

Stromquellen werden elektronisch mit Verstärkerbausteinen realisiert. Eine einfache Schaltung aus passiven Bauteilen besteht aus einer Hochspannungsquelle $U$ und einem in Reihe geschalteten hochohmigen Widerstand $R$ . Kleine Widerstandsänderungen eines Verbrauchers bzw. einer Last haben nur kleine Stromänderungen zur Folge, wenn der Lastwiderstand $R L$ klein ist gegenüber dem Reihenwiderstand (Innenwiderstand) $R$ .

Einfache Stromquelle für 100 mA.

Wähle $U = 100V$ , $R = 1000Ω$ .

Die Stromänderungen bleiben unterhalb von 10%, wenn $R L$ nicht größer wird als $100Ω$ . Der Nachteil einer solchen Schaltung ist, dass der größte Teil der Leistung (mehr als 90%) nicht dem Verbraucher zugeführt wird, sondern im Widerstand R verloren geht.

Ist eine Genauigkeit von 1% gefordert, müssen $U$ und $R$ 10-fach so groß gewählt werden.