Konstantstromquelle

Bei einer Spannungsquelle ist die Spannung fest, und die Last entscheidet, wie viel Strom fließt. Eine Konstantstromquelle dreht das um: Sie gibt den Strom vor, und die Spannung stellt sich so ein, wie die Last es verlangt. Das klingt zunächst exotisch, ist aber Alltag – jeder gute LED-Treiber, jedes Akku-Ladegerät in der ersten Ladephase und viele Messschaltungen arbeiten so.

Ideale und reale Stromquelle

Eine ideale Stromquelle liefert immer denselben Strom I₀, egal wie groß der Lastwiderstand ist. Bei offenen Klemmen müsste sie dafür eine unendlich hohe Spannung erzeugen – auch sie gibt es nur in der Theorie.

Eine reale Stromquelle beschreibst du als ideale Stromquelle mit einem Innenwiderstand R_i parallel dazu. Ein Teil des Stroms fließt durch diesen Innenwiderstand und erreicht die Last nicht. Für den Laststrom gilt nach der Stromteilerregel:

Je größer R_i gegenüber R_L ist, desto näher kommt I_L an I₀. Eine gute Stromquelle hat also einen sehr großen Innenwiderstand – genau umgekehrt wie eine gute Spannungsquelle.

Den Betriebsfall R_L ≪ R_i nennt man Stromanpassung. Dann ändert sich der Strom kaum, auch wenn die Last schwankt – genau das will man etwa beim Laden eines Akkus, dessen Spannung beim Laden steigt.

Spannungs- und Stromquelle sind austauschbar

Von außen kann man eine reale Spannungsquelle nicht von einer realen Stromquelle unterscheiden, wenn beide passend gewählt sind. Eine Spannungsquelle U₀ mit Reihenwiderstand R_i verhält sich an den Klemmen genauso wie eine Stromquelle

mit demselben R_i parallel. Die Leerlaufspannung ist in beiden Fällen U₀, der Kurzschlussstrom I₀. Diese Umwandlung (nach Thévenin und Norton) ist ein beliebtes Werkzeug, um gemischte Schaltungen schrittweise zu vereinfachen.

Ob du eine Quelle als Strom- oder Spannungsquelle betrachtest, ist also eine Frage der Zweckmäßigkeit: Ist R_L viel größer als R_i, verhält sich die Quelle wie eine Spannungsquelle; ist R_L viel kleiner, wie eine Stromquelle.

Der Arbeitsbereich

Eine reale Konstantstromquelle kann den Strom nur halten, solange sie genug Spannung zur Verfügung hat. Die höchste Spannung, die sie an der Last aufbauen kann, heißt Ausgangsspannungsbereich oder englisch compliance voltage. Wird der Lastwiderstand so groß, dass I₀ · R_L darüber liegt, bricht der Strom ein.

So entsteht ein konstanter Strom

Für kleine Ströme genügt manchmal ein großer Vorwiderstand an einer hohen Spannung: 24 V über 2,2 kΩ ergeben gut 10 mA, und ob die Last 0 V oder 2 V braucht, ändert den Strom nur um rund 8 %. Echt konstant ist das nicht – aber es zeigt das Prinzip. Und es zeigt den Nachteil der Stromanpassung: Der Wirkungsgrad ist miserabel, denn fast die ganze Leistung wird im Vorwiderstand verheizt. Im Beispiel kommen bei 2 V Lastspannung nur rund 8 % der Leistung in der Last an.

Richtige Stromquellen nutzen Regelung:

• Transistor-Stromquelle: Die Basis eines Transistors wird auf eine feste Spannung gelegt, im Emitter sitzt ein Widerstand. Weil die Emitterspannung der Basisspannung minus etwa 0,65 V folgt, liegt am Emitterwiderstand eine konstante Spannung – und damit fließt ein konstanter Strom.
• Spannungsregler als Stromquelle: Ein Regler wie der LM317 hält zwischen Ausgang und Einstellpin 1,25 V. Setzt du dort einen Widerstand ein und hängst die Last in Reihe dahinter, fließt I = 1,25 V / R.
• Stromspiegel: In integrierten Schaltungen kopieren zwei gleiche Transistoren einen Referenzstrom – Grundbaustein fast jedes Operationsverstärkers.
• Schaltregler mit Stromregelung: LED-Treiber und Ladegeräte messen den Strom an einem kleinen Shunt-Widerstand und regeln danach – mit hohem Wirkungsgrad.

Wofür man Stromquellen braucht

LEDs sind das wichtigste Beispiel: Ihre Kennlinie ist so steil, dass schon wenige Zehntel Volt mehr den Strom vervielfachen. Ein konstanter Strom hält Helligkeit und Erwärmung stabil. Weitere Anwendungen sind das Laden von Akkus (Konstantstrom, dann Konstantspannung), die 4–20-mA-Stromschleife in der Industrie, bei der lange Leitungen das Signal nicht verfälschen, und die Widerstandsmessung, bei der ein bekannter Strom durch den Prüfling geschickt wird.

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