Überblick

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

• Bei einer idealen Stromquelle ist diese gemäß der Definition eine waagerechte Gerade; sie ist im Kennliniendiagramm rechts als rote Linie dargestellt.
• Eine reale Stromquelle liefert eine fallende Kennlinie, bei welcher die Stromstärke mit steigender Spannung abnimmt.

• Eine lineare Stromquelle wird durch eine ideale Stromquelle mit dem Kurzschlussstrom ${\displaystyle I_{\mathrm {K} }}$ und einen Innenwiderstand ${\displaystyle R_{\mathrm {i} }}$ wie im nächsten Bild beschrieben. Die Ausgangsstromstärke ergibt sich zu

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

Demnach ist die Kennlinie eine fallende Gerade. Die Neigung wird umso geringer, je größer ${\displaystyle R_{\mathrm {i} }}$ wird; sie ist in der Farbe Türkis gezeichnet.

• Eine nichtlineare Stromquelle ist beispielsweise die Solarzelle mit ihrer stark gekrümmten Kennlinie; diese ist in der Farbe Grün gezeichnet. In ihrem flachen Bereich (bei geringer Klemmenspannung) verhält sich die Solarzelle eher wie eine Stromquelle; im steilen Bereich (bei geringer Stromabgabe) nimmt sie eher (aber nicht so ausgeprägt) das Verhalten einer Spannungsquelle an.

Neben der unabhängigen Stromquelle mit einem festen Kurzschlussstrom gibt es die gesteuerte Stromquelle, deren Kurzschlussstrom eine Funktion einer äußeren Größe ist. Zur Steuerung wird eine Spannung oder ein Strom an getrennten Eingabepunkten angeschlossenen.

Ideale Stromquelle

Die ideale Stromquelle ist der Grenzfall einer linearen Stromquelle mit einem Innenwiderstand ${\displaystyle R_{\mathrm {i} }\rightarrow \infty }$. Damit der Strom einer idealen Stromquelle fließen kann, baut sie je nach Widerstand ${\displaystyle R_{\mathrm {V} }}$ des Verbrauchers eine entsprechend hohe Spannung auf.

${\displaystyle U_{\mathrm {kl} }=I\cdot R_{\mathrm {V} }}$

Einen Leerlauf darf man bei einer idealen Stromquelle nicht entstehen lassen! Sie lässt ${\displaystyle U_{\mathrm {kl} }\rightarrow \infty }$ gehen; 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 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 sogenannte Kleinspannung ist.

Bei entsprechender Ausstattung besitzt ein Labornetzgerät 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 fallweise Ersatzschaltungen eingesetzt. Durch diese kann eine reale Stromquelle mittels idealer Stromquelle modelliert werden (wie beispielsweise als lineare Stromquelle).

Lineare Stromquelle

Im Grenzfall des Kurzschlusses mit ${\displaystyle U_{\mathrm {kl} }=0}$ 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 ${\displaystyle U_{0}}$ an, bei dem der gesamte Quellenstrom durch den Innenwiderstand fließt.

${\displaystyle U_{0}=I_{\mathrm {K} }\cdot R_{\mathrm {i} }}$

Je größer ${\displaystyle R_{\mathrm {i} }}$ wird, desto größer wird ${\displaystyle U_{0}}$. 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 mit in 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.

${\displaystyle U_{\mathrm {kl} }=U_{0}-I\cdot R_{\mathrm {i} }\quad \Leftrightarrow \quad I=I_{\mathrm {K} }-U_{\mathrm {kl} }\cdot {\frac {1}{R_{\mathrm {i} }}}}$

${\displaystyle U_{\mathrm {kl} }=U_{0}-I\;\,{\frac {U_{0}}{I_{\mathrm {K} }}}\quad \Leftrightarrow \quad I=I_{\mathrm {K} }-U_{\mathrm {kl} }\;\;{\frac {I_{\mathrm {K} }}{U_{0}}}}$

Aufgrund ihres Quellenwiderstands ist die übertragbare elektrische Leistung begrenzt auf einen Maximalwert. Dieses wird bei der linearen Spannungsquelle behandelt.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Stromquelle ${\displaystyle \eta _{I}}$ ergibt sich aus dem Verhältnis der dem Verbraucher ${\displaystyle R_{\text{V}}}$ zugeführten Leistung zur von der Stromquelle erzeugten Leistung. Bei der idealen Stromquelle ist die abgegebene Stromstärke ${\displaystyle I}$ gleich der erzeugten Stromstärke ${\displaystyle I_{\text{K}}}$, die Spannung ${\displaystyle U_{\text{kl}}}$ ist an Quelle und Verbraucher ohnehin gleich; damit ist der Wirkungsgrad in diesem Fall ${\displaystyle \eta _{I{\text{ ideal}}}=1}$.

Bei der linearen Stromquelle geht ein Teil der erzeugten Stromstärke an ${\displaystyle R_{\text{i}}}$ verloren und die abgegebene Leistung ist kleiner als die erzeugte. Für ${\displaystyle 0<R_{\text{V}}<\infty }$ und ${\displaystyle 0<R_{\text{i}}<\infty }$ ist

${\displaystyle \eta _{I}={\frac {\frac {U_{\text{kl}}^{2}}{R_{\text{V}}}}{{\frac {U_{\text{kl}}^{2}}{R_{\text{i}}}}+{\frac {U_{\text{kl}}^{2}}{R_{\text{V}}}}}}={\frac {\frac {1}{R_{\text{V}}}}{{\frac {1}{R_{\text{i}}}}+{\frac {1}{R_{\text{V}}}}}}={\frac {R_{\text{i}}}{R_{\text{V}}+R_{\text{i}}}}}$.

Eine andere Gleichung gilt für die belastete lineare Spannungsquelle anhand ihres Ersatzschaltbildes (siehe hier)

${\displaystyle \eta _{U}={\frac {I^{2}R_{\text{V}}}{I^{2}R_{\text{i}}+I^{2}R_{\text{V}}}}={\frac {R_{\text{V}}}{R_{\text{i}}+R_{\text{V}}}}}$.

Ein möglichst hoher Wirkungsgrad wird erzielt

• bei ${\displaystyle R_{V}<R_{i}}$ durch Betrieb mit einer Stromquelle und
• bei ${\displaystyle R_{i}<R_{V}}$ durch Betrieb mit einer Spannungsquelle.

Die beiden Wirkungsgrade ergänzen sich zu 100 % :${\displaystyle \quad \eta _{I}+\eta _{U}=1}$. Wird eine belastete lineare Spannungsquelle mit dem Wirkungsgrad ${\displaystyle \eta _{U}}$ als äquivalente Stromquelle aufgefasst (wie im vorhergehenden Kapitel), so verändert sich der Wirkungsgrad auf ${\displaystyle \eta _{I}=1-\eta _{U}}$.

Zählrichtung

Bei einem passiven Bauelement oder Verbraucher soll sich die Bezugsrichtung der Stromstärke auf die Polarität der Spannung beziehen. Durch dieses in der Elektrotechnik weitgehend übliche Verbraucherzählpfeilsystem wie im Bild oben wird erreicht, dass Spannung und Stromstärke dasselbe Vorzeichen haben. Eine positive Stromstärke ${\displaystyle I}$ von a nach b erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung ${\displaystyle U_{\mathrm {kl} }}$ 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 wird erreicht durch Zählpfeile am Erzeuger wie im Bild. Denn im Inneren des aktiven Bauteils bzw. der Quelle fließt der Strom der Spannung entgegen. Eine positive Stromstärke ${\displaystyle I}$ (im Bild in der Quelle von unten nach oben) erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung ${\displaystyle U_{\mathrm {kl} }}$ (von oben nach unten).

Parallel- und Reihenschaltung von Stromquellen

Soll dem Verbraucher mehr Strom zugeführt werden als die Quelle liefern kann, so dürfen Stromquellen mit gleicher Polarität oder Phasenlage parallelgeschaltet werden.

Beispiel: Mit parallelgeschalteten Stromquellen (nicht Spannungsquellen!) kann ein Akkumulator schneller geladen 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.

Elementare Schaltung

Eine recht einfache Stromquelle lässt sich herstellen aus der Reihenschaltung einer Spannungsquelle mit einem Widerstand ${\displaystyle R_{\mathrm {Q} }}$ als Quellenwiderstand (Vorwiderstand) und dem Verbraucher ${\displaystyle R_{\mathrm {V} }}$. 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 schlechten Wirkungsgrad, 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

${\displaystyle 0<R_{\mathrm {V} }<(1/100)R_{\mathrm {Q} }}$

sein. Abhilfe gegen den hohen Verlust bietet bei Wechselspannung die Verwendung eines induktiven oder kapazitiven Blindwiderstands als Vorwiderstand (Betrieb von Gasentladungslampen mit einem sogenannten konventionellen Vorschaltgerät (Vorschaltdrossel)).

Elektronische Stromquellen

Diese Stromquellen werden unter Konstantstromquelle 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

Stromwandler sind spezielle Transformatoren zur potentialfreien Messung großer Wechselströme. Sie erzeugen einen Sekundärstrom, der idealerweise proportional zum Primärstrom ist. Das ist nahezu gegeben bei Abschlusswiderständen (als Bürde bezeichnet) von null bis zu einem Maximalwert, der sogenannten Nennbürde.

Weitere Beispiele

Bauteile wie Solarzellen, Fotodioden oder Bipolartransistoren und IGBT verhalten sich in bestimmten Bereichen ihrer Kennlinien wie Stromquellen. So ist der Sperrstrom von Fotodioden über viele Größenordnungen proportional zum darauf fallenden Lichtstrom.

Messumformer liefern oft einen Strom als Ausgangssignal. 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.