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Stromquelle

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Stromquelle
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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Stromquelle (Begriffsklärung) aufgeführt.

Eine Stromquelle stellt in der Schaltungstheorie und Netzwerkanalyse der Elektrotechnik einen aktiven Zweipol dar, der an seinen Anschlusspunkten einen elektrischen Strom liefert. Als wesentliche Eigenschaft hängt die Stromstärke nur gering oder (bei dem Modell als ideales elektrisches Bauelement im Rahmen der Schaltungsanalyse) gar nicht von der elektrischen Spannung an seinen Anschlusspunkten ab. Die Stromstärke ist im Idealfall unabhängig vom jeweilig angeschlossenen Verbraucher. Stromquellen können Wechselstrom oder zeitlich konstanten Gleichstrom liefern; im technischen Gebrauch werden sie auch als Konstantstromquellen bezeichnet.

Strom- und Spannungsquellen haben zueinander entgegengesetzte Eigenschaften und sind als ideale Bauelemente voneinander unabhängige Modelle. Eine reale Stromquelle wird dadurch beschrieben, dass das Quellenmodell zusammen mit mindestens einem passiven Bauelement betrieben wird. Bei einer realen linearen Stromquelle ist dieses ein ohmscher Widerstand parallel zum Quellenmodell.

image
Schaltzeichen einer elektrischen Stromquelle.
Normung des linken Schaltzeichens inzwischen international in IEC 60617-2:1996 und DIN EN 60617-2:1997
Dieses Schaltzeichen steht immer für das Modell der idealen, belastungsunabhängigen Stromquelle.

Allgemeines

Die Spannungsquelle ist aus der Alltagserfahrung bekannt; sie kann anschaulich physikalisch erklärt werden. Die Stromquelle hingegen physikalisch zu erklären, dürfte nicht ohne weiteres möglich sein; sie ergibt sich aus einem mathematischen Modell. Im Rahmen der elektrischen Netzwerkanalyse ist die Stromquelle das Gegenstück einer Spannungsquelle: Als Zweipol betrachtet liefert

  • die Spannungsquelle eine bestimmte elektrische Spannung unabhängig von der aufgebrachten Stromstärke,
  • die Stromquelle eine bestimmte Stromstärke unabhängig von der aufgebauten elektrischen Spannung.

Eine beliebige Anordnung von linearen Spannungs- und Stromquellen und Widerständen in Form einer elektrischen Schaltung lässt sich nach außen immer als Zweipol durch nur eine Stromquelle mit einem Innenwiderstand vollständig beschreiben. Dieser Zusammenhang wird auch als das Norton-Theorem bezeichnet und spielt in der elektrischen Schaltungsanalyse eine Rolle, da sich damit komplizierte Schaltungen auf vereinfachte Ersatzschaltungen reduzieren lassen, die dann der Analyse leichter zugänglich sind.

In den Ersatzschaltungen wird die Stromquelle immer als von der Spannung unabhängig angesehen. Dieses Verhalten ist in Realität nur näherungsweise zu erreichen; dann sind im Ersatzschaltbild zur besseren Beschreibung der Realität weitere Bauelemente einzufügen. Im einfachsten Fall dient dazu ein zur Stromquelle parallel liegender ohmscher Innenwiderstand. Bei technisch genutzten Stromquellen wird im Regelfall versucht, den Innenwiderstand möglichst groß zu halten.

Als die Belastung einer Quelle wird ein an ihren Anschlusspunkten angeschlossener elektrischer Verbraucher verstanden – im einfachsten Fall ein ohmscher Widerstand. Der Verbraucher setzt die von der Quelle gelieferte elektrische Leistung in einen Wärmestrom oder eine andere Leistung um. Eine unbelastete Quelle gibt keine elektrische Leistung P=U⋅I{\displaystyle P=U\cdot I}image an einen Verbraucher ab, wenn mindestens einer der beiden Faktoren in der Gleichung null ist:

  • Bei einer Spannungsquelle, die per Definition immer ein U≠0{\displaystyle U\neq 0}image liefert, wird der unbelastete Zustand durch I=0{\displaystyle I=0}image erreicht. Dieser Fall wird als Leerlauf bezeichnet.
  • Bei einer Stromquelle, die per Definition immer ein I≠0{\displaystyle I\neq 0}image liefert, wird der unbelastete Zustand durch U=0{\displaystyle U=0}image erreicht. Dieser Fall wird als Kurzschluss bezeichnet.

Im Inneren eines Gerätes, das als Stromquelle bezeichnet werden kann, hängt die Verlustleistung wesentlich davon ab, wie die Quelle technisch realisiert ist; sie lässt auf das prinzipielle Verhalten der Stromquelle keine Rückschlüsse zu. Die hier verwendeten Begriffe „ideale Stromquelle“ und „reale Stromquelle“ werden in derselben Sinngebung verwendet, wie sie in der Fachliteratur üblich sind.

Verhalten

image
Kennlinie einer idealen (in Rot) und zweier linearer (in Türkis) Stromquellen und zum Vergleich einer realen Solarzelle (in Grün)

Überblick

image
Ersatzschaltbild einer linearen Stromquelle (mit Verbraucher)

Die Ausgangsstromstärke I{\displaystyle I}image einer Stromquelle als Funktion der an den Klemmen entstehenden Spannung Ukl{\displaystyle U_{\mathrm {kl} }}image 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 IK{\displaystyle I_{\mathrm {K} }}image und einen Innenwiderstand Ri{\displaystyle R_{\mathrm {i} }}image wie im nächsten Bild beschrieben. Die Ausgangsstromstärke ergibt sich zu
I=IK−Ukl/Ri {\displaystyle I=I_{\mathrm {K} }-U_{\mathrm {kl} }/R_{\mathrm {i} }\ }image
Demnach ist die Kennlinie eine fallende Gerade. Die Neigung wird umso geringer, je größer Ri{\displaystyle R_{\mathrm {i} }}image 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

image
Kennlinie eines Netzgerätes mit einstellbarer Spannungs- und Strombegrenzung sowie Kennlinien zweier ohmscher Verbraucher

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

Ukl=I⋅RV{\displaystyle U_{\mathrm {kl} }=I\cdot R_{\mathrm {V} }}image
Einen Leerlauf darf man bei einer idealen Stromquelle nicht entstehen lassen! Sie lässt Ukl→∞{\displaystyle U_{\mathrm {kl} }\rightarrow \infty }image 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 Ukl=0{\displaystyle U_{\mathrm {kl} }=0}image 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 U0{\displaystyle U_{0}}image an, bei dem der gesamte Quellenstrom durch den Innenwiderstand fließt.

U0=IK⋅Ri{\displaystyle U_{0}=I_{\mathrm {K} }\cdot R_{\mathrm {i} }}image

Je größer Ri{\displaystyle R_{\mathrm {i} }}image wird, desto größer wird U0{\displaystyle U_{0}}image. Eventuell kann eine leerlaufende reale Stromquelle sich selbst zerstören. Manche Netzteile dürfen deshalb nur unter Last betrieben werden.

image
Äquivalenz der linearen Spannungs- und Stromquelle

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.

Ukl=U0−I⋅Ri⇔I=IK−Ukl⋅1Ri{\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} }}}}image
Ukl=U0−IU0IK⇔I=IK−UklIKU0{\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}}}}image

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

Wirkungsgrad

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

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

ηI=Ukl2RVUkl2Ri+Ukl2RV=1RV1Ri+1RV=RiRV+Ri{\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}}}}}image.

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

ηU=I2RVI2Ri+I2RV=RVRi+RV{\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}}}}}image.

Ein möglichst hoher Wirkungsgrad wird erzielt

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

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

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 I{\displaystyle I}image von a nach b erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung Ukl{\displaystyle U_{\mathrm {kl} }}image 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 I{\displaystyle I}image (im Bild in der Quelle von unten nach oben) erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung Ukl{\displaystyle U_{\mathrm {kl} }}image (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.

Anwendungen

Ein typisches Anwendungsbeispiel ist ein stromkonstantes Ladegerät mit einer definierten oder einstellbaren Ladeschlussspannung. Der Verbraucherwiderstand kann null sein, da Stromquellen prinzipiell kurzschlussfest ausgelegt sind. Weitere Verbraucher, die zum Betrieb eine Stromquelle benötigen, sind Leuchtdioden, Laserdioden und Gasentladungslampen. Je nach Leistung und Effizienz-Anforderungen werden hierfür Vorwiderstände, Schaltregler (Abwärtsregler), elektronische oder konventionelle Vorschaltgeräte und für Kaltkathodenröhren auch Resonanz- und Streufeldtransformatoren verwendet.

Elementare Schaltung

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

0<RV<(1/100)RQ{\displaystyle 0<R_{\mathrm {V} }<(1/100)R_{\mathrm {Q} }}image

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.

Energiequelle / Energiesenke

Die bisher behandelten Stromquellen sind energieabgebend. Nun gibt es Fälle, in denen es sinnvoll ist, das Modell der idealen Stromquelle derart zu erweitern, dass sich ihre Kennlinie nicht auf einen Quadranten beschränkt, sondern im oben gezeigten Bild nach links in den Bereich negativer Spannung fortsetzt. Das Modell der idealen Quelle ist immer in der Lage, sowohl als Erzeuger als auch als Verbraucher zu wirken; bei realen Quellen ist das in der Regel nicht der Fall.

Da das Modell der linearen Quelle auf dem Modell der idealen Quelle aufbaut, steigt bei der linearen Quelle die Kennlinie bei Leistungsaufnahme mit gleicher Steigung nach links weiter an auf Werte größer als der Kurzschlussstrom.

image
Ersatzschaltbild eines Bipolar­tran­sistors mit einer linearen Stromquelle im Weg vom Kollektor C zum Emitter E

Ein Beispiel für die Anwendung des umfassenden, hier jedoch ausschließlich in Verbraucherrichtung betriebenen Modells der Stromquelle ist der Bipolartransistor gemäß nebenstehendem Ersatzschaltbild. In diesem fließt der Strom entgegen der üblichen Richtung bei gegebener Spannungsrichtung einer Stromquelle. Diese ist somit energieaufnehmend. Sie ist nur Bestandteil des Ersatzschaltbilds und nicht existent. Die aufgenommene Energie führt zur Erwärmung des Transistors. Damit sich IC{\displaystyle I_{\mathrm {C} }}image und UCE{\displaystyle U_{\mathrm {CE} }}image ausbilden können, ist der Transistor in einem geeigneten Stromkreis zu betreiben, den eine tatsächlich existierende Energiequelle speist.

Ein weiteres Beispiel ist der Messumformer mit Stromschnittstelle, der einen eingeprägten Strom als Maß für eine Messgröße (Temperatur, Druck usw.) passieren lässt und sich als Energiesenke verhält, die von einem Speisegerät versorgt werden muss.

Literatur

  • Wolfgang Mathis, Albrecht Reibiger: Küpfmüller, Theoretische Elektrotechnik. 20. Auflage. Springer Vieweg, 2017, ISBN 978-3-662-54836-3.  (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)

Einzelnachweise

  1. DIN EN IEC 60375: Vereinbarungen über elektrische Stromkreise, 2022, Eintrag 9.2.1
  2. IEC 60050, deutschsprachige Ausgabe bei DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE: Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch, IEV-Nummer 131-12-23.
  3. IEC 60050, deutschsprachige Ausgabe bei DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE: Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch, IEV-Nummer 131-12-21
  4. Wilfried Weißgerber: Elektrotechnik für Ingenieure 1: Gleichstromtechnik und Elektromagnetisches Feld. Springer Vieweg, 11. Aufl., 2018, S. 44
  5. Heinrich Frohne, Karl-Heinz Löcherer, Hans Müller: Moeller Grundlagen der Elektrotechnik. Teubner, 20. Aufl., 2005, S. 34
  6. Reinhard Scholz: Grundlagen der Elektrotechnik: Eine Einführung in die Gleich- und Wechselstromtechnik. Hanser, 2018, S. 115
  7. Karl Küpfmüller, Wolfgang Mathis, Albrecht Reibiger: Theoretische Elektrotechnik: Eine Einführung. Springer, 16. Aufl., 2005, S. 27
  8. Rainer Ose: Elektrotechnik für Ingenieure: Grundlagen. Hanser, 5. Aufl., 2014, S. 38
  9. Steffen Paul, Reinhold Paul: Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 1: Gleichstromnetzwerke und ihre Anwendungen. Springer Vieweg, 5. Aufl., 2014, S. 62
  10. Ulrich Tietze und Christoph Schenk: Halbleiterschaltungstechnik
  11. Ralf Kories und Heinz Schmidt-Walter: Taschenbuch der Elektrotechnik
  12. Rainer Ose: Elektrotechnik für Ingenieure: Grundlagen. Hanser, 5. Aufl., 2014, S. 41
  13. DIN EN 60375, Nr. 6.1
  14. MAX9934 - High-Precision, Low-Voltage, Current-Sense Amplifier with Current Output and Chip Select for Multiplexing. Maxim Integrated, abgerufen am 10. September 2018 (englisch, Datenblatt). 
  15. Heinrich Frohne, Karl-Heinz Löcherer, Hans Müller, Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau: Moeller Grundlagen der Elektrotechnik. Vieweg+Teubner, 21. Aufl., 2008, S. 41
  16. Heinrich Frohne, Karl-Heinz Löcherer, Hans Müller, Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau: Moeller Grundlagen der Elektrotechnik. Vieweg+Teubner, 21. Aufl., 2008, S. 41

Autor: www.NiNa.Az

Veröffentlichungsdatum: 25 May 2025 / 08:46

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig Weitere Bedeutungen sind unter Stromquelle Begriffsklarung aufgefuhrt Eine Stromquelle stellt in der Schaltungstheorie und Netzwerkanalyse der Elektrotechnik einen aktiven Zweipol dar der an seinen Anschlusspunkten einen elektrischen Strom liefert Als wesentliche Eigenschaft hangt die Stromstarke nur gering oder bei dem Modell als ideales elektrisches Bauelement im Rahmen der Schaltungsanalyse gar nicht von der elektrischen Spannung an seinen Anschlusspunkten ab Die Stromstarke ist im Idealfall unabhangig vom jeweilig angeschlossenen Verbraucher Stromquellen konnen Wechselstrom oder zeitlich konstanten Gleichstrom liefern im technischen Gebrauch werden sie auch als Konstantstromquellen bezeichnet Strom und Spannungsquellen haben zueinander entgegengesetzte Eigenschaften und sind als ideale Bauelemente voneinander unabhangige Modelle Eine reale Stromquelle wird dadurch beschrieben dass das Quellenmodell zusammen mit mindestens einem passiven Bauelement betrieben wird Bei einer realen linearen Stromquelle ist dieses ein ohmscher Widerstand parallel zum Quellenmodell Schaltzeichen einer elektrischen Stromquelle Normung des linken Schaltzeichens inzwischen international in IEC 60617 2 1996 und DIN EN 60617 2 1997 Dieses Schaltzeichen steht immer fur das Modell der idealen belastungsunabhangigen Stromquelle AllgemeinesDie Spannungsquelle ist aus der Alltagserfahrung bekannt sie kann anschaulich physikalisch erklart werden Die Stromquelle hingegen physikalisch zu erklaren durfte nicht ohne weiteres moglich sein sie ergibt sich aus einem mathematischen Modell Im Rahmen der elektrischen Netzwerkanalyse ist die Stromquelle das Gegenstuck einer Spannungsquelle Als Zweipol betrachtet liefert die Spannungsquelle eine bestimmte elektrische Spannung unabhangig von der aufgebrachten Stromstarke die Stromquelle eine bestimmte Stromstarke unabhangig von der aufgebauten elektrischen Spannung Eine beliebige Anordnung von linearen Spannungs und Stromquellen und Widerstanden in Form einer elektrischen Schaltung lasst sich nach aussen immer als Zweipol durch nur eine Stromquelle mit einem Innenwiderstand vollstandig beschreiben Dieser Zusammenhang wird auch als das Norton Theorem bezeichnet und spielt in der elektrischen Schaltungsanalyse eine Rolle da sich damit komplizierte Schaltungen auf vereinfachte Ersatzschaltungen reduzieren lassen die dann der Analyse leichter zuganglich sind In den Ersatzschaltungen wird die Stromquelle immer als von der Spannung unabhangig angesehen Dieses Verhalten ist in Realitat nur naherungsweise zu erreichen dann sind im Ersatzschaltbild zur besseren Beschreibung der Realitat weitere Bauelemente einzufugen Im einfachsten Fall dient dazu ein zur Stromquelle parallel liegender ohmscher Innenwiderstand Bei technisch genutzten Stromquellen wird im Regelfall versucht den Innenwiderstand moglichst gross zu halten Als die Belastung einer Quelle wird ein an ihren Anschlusspunkten angeschlossener elektrischer Verbraucher verstanden im einfachsten Fall ein ohmscher Widerstand Der Verbraucher setzt die von der Quelle gelieferte elektrische Leistung in einen Warmestrom oder eine andere Leistung um Eine unbelastete Quelle gibt keine elektrische Leistung P U I displaystyle P U cdot I an einen Verbraucher ab wenn mindestens einer der beiden Faktoren in der Gleichung null ist Bei einer Spannungsquelle die per Definition immer ein U 0 displaystyle U neq 0 liefert wird der unbelastete Zustand durch I 0 displaystyle I 0 erreicht Dieser Fall wird als Leerlauf bezeichnet Bei einer Stromquelle die per Definition immer ein I 0 displaystyle I neq 0 liefert wird der unbelastete Zustand durch U 0 displaystyle U 0 erreicht Dieser Fall wird als Kurzschluss bezeichnet Im Inneren eines Gerates das als Stromquelle bezeichnet werden kann hangt die Verlustleistung wesentlich davon ab wie die Quelle technisch realisiert ist sie lasst auf das prinzipielle Verhalten der Stromquelle keine Ruckschlusse zu Die hier verwendeten Begriffe ideale Stromquelle und reale Stromquelle werden in derselben Sinngebung verwendet wie sie in der Fachliteratur ublich sind VerhaltenKennlinie einer idealen in Rot und zweier linearer in Turkis Stromquellen und zum Vergleich einer realen Solarzelle in Grun Uberblick Ersatzschaltbild einer linearen Stromquelle mit Verbraucher Die Ausgangsstromstarke I displaystyle I einer Stromquelle als Funktion der an den Klemmen entstehenden Spannung Ukl displaystyle U mathrm kl wird grafisch als Kennlinie dargestellt Bei einer idealen Stromquelle ist diese gemass der Definition eine waagerechte Gerade sie ist im Kennliniendiagramm rechts als rote Linie dargestellt Eine reale Stromquelle liefert eine fallende Kennlinie bei welcher die Stromstarke mit steigender Spannung abnimmt Eine lineare Stromquelle wird durch eine ideale Stromquelle mit dem Kurzschlussstrom IK displaystyle I mathrm K und einen Innenwiderstand Ri displaystyle R mathrm i wie im nachsten Bild beschrieben Die Ausgangsstromstarke ergibt sich zuI IK Ukl Ri displaystyle I I mathrm K U mathrm kl R mathrm i dd Demnach ist die Kennlinie eine fallende Gerade Die Neigung wird umso geringer je grosser Ri displaystyle R mathrm i wird sie ist in der Farbe Turkis gezeichnet Eine nichtlineare Stromquelle ist beispielsweise die Solarzelle mit ihrer stark gekrummten Kennlinie diese ist in der Farbe Grun gezeichnet In ihrem flachen Bereich bei geringer Klemmenspannung verhalt sich die Solarzelle eher wie eine Stromquelle im steilen Bereich bei geringer Stromabgabe nimmt sie eher aber nicht so ausgepragt das Verhalten einer Spannungsquelle an dd Neben der unabhangigen Stromquelle mit einem festen Kurzschlussstrom gibt es die gesteuerte Stromquelle deren Kurzschlussstrom eine Funktion einer ausseren Grosse ist Zur Steuerung wird eine Spannung oder ein Strom an getrennten Eingabepunkten angeschlossenen Ideale Stromquelle Kennlinie eines Netzgerates mit einstellbarer Spannungs und Strombegrenzung sowie Kennlinien zweier ohmscher Verbraucher Die ideale Stromquelle ist der Grenzfall einer linearen Stromquelle mit einem Innenwiderstand Ri displaystyle R mathrm i rightarrow infty Damit der Strom einer idealen Stromquelle fliessen kann baut sie je nach Widerstand RV displaystyle R mathrm V des Verbrauchers eine entsprechend hohe Spannung auf Ukl I RV displaystyle U mathrm kl I cdot R mathrm V dd EinenLeerlaufdarf man bei einer idealen Stromquelle nicht entstehen lassen Sie lasst Ukl displaystyle U mathrm kl rightarrow infty gehen es entstehen Uberschlage Z B bei Stromwandlern besteht wenn man sekundar eine Steckverbindung offnet oder anders eine Leitung unterbricht aus diesem Grund tatsachlich Lebensgefahr Bei einer elektronischen Stromquelle ist das meistens anders Hier kann die Klemmenspannung die interne Speisespannung nicht uberschreiten mit der die Quelle aus ihrem Netzgerat versorgt wird Es besteht keine Gefahr wenn die interne Speisespannung eine sogenannte Kleinspannung ist Bei entsprechender Ausstattung besitzt ein Labornetzgerat eine Rechteckkennlinie mit einstellbarer Spannungsbegrenzung und einstellbarer Strombegrenzung Es verhalt sich ab Erreichen der Strombegrenzung im Kennlinienbild bei Belastung mit dem kleineren der beiden Widerstande wie eine Konstantstromquelle Bei einem grosseren Widerstand wird fur denselben Strom mehr Spannung aufgebaut Wird die Spannungsbegrenzung erreicht im Bild mit der steileren Geraden verhalt sich das Gerat wie eine Konstantspannungsquelle Im Modell der idealen Stromquelle wird die zur Verfugung stehende elektrische Leistung als unendlich gross angenommen Fur ein technisches Gerat ist jedoch die Leistungs oder Spannungsabgabe begrenzt bei Uberschreitung einer im Datenblatt anzugebenden Grenze kann der Strom einbrechen Wo es auf die Unerfullbarkeit 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 Ukl 0 displaystyle U mathrm kl 0 fliesst der gesamte Strom der Quelle uber die Ausgangsklemmen Bei steigendem Lastwiderstand steigt die Klemmenspannung bis zum Grenzfall des Leerlaufes dann nimmt die Klemmenspannung einen Wert U0 displaystyle U 0 an bei dem der gesamte Quellenstrom durch den Innenwiderstand fliesst U0 IK Ri displaystyle U 0 I mathrm K cdot R mathrm i dd Je grosser Ri displaystyle R mathrm i wird desto grosser wird U0 displaystyle U 0 Eventuell kann eine leerlaufende reale Stromquelle sich selbst zerstoren Manche Netzteile durfen deshalb nur unter Last betrieben werden Aquivalenz der linearen Spannungs und Stromquelle Lineare Stromquellen sind zu linearen Spannungsquellen ideale Spannungsquelle mit in Reihe geschaltetem Innenwiderstand aquivalent Welcher Begriff verwendet wird hangt davon ab zu welcher Idealform das Verhalten der Quelle naher gesehen wird Die nachfolgenden Gleichungen lassen sich ineinander umrechnen die linken beschreiben die Spannungsquelle die rechten die Stromquelle Ukl U0 I Ri I IK Ukl 1Ri 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 Ukl U0 IU0IK I IK UklIKU0 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 ubertragbare elektrische Leistung begrenzt auf einen Maximalwert Dieses wird bei der linearen Spannungsquelle behandelt Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad einer Stromquelle hI displaystyle eta I ergibt sich aus dem Verhaltnis der dem Verbraucher RV displaystyle R text V zugefuhrten Leistung zur von der Stromquelle erzeugten Leistung Bei der idealen Stromquelle ist die abgegebene Stromstarke I displaystyle I gleich der erzeugten Stromstarke IK displaystyle I text K die Spannung Ukl displaystyle U text kl ist an Quelle und Verbraucher ohnehin gleich damit ist der Wirkungsgrad in diesem Fall hI ideal 1 displaystyle eta I text ideal 1 Bei der linearen Stromquelle geht ein Teil der erzeugten Stromstarke an Ri displaystyle R text i verloren und die abgegebene Leistung ist kleiner als die erzeugte Fur 0 lt RV lt displaystyle 0 lt R text V lt infty und 0 lt Ri lt displaystyle 0 lt R text i lt infty ist hI Ukl2RVUkl2Ri Ukl2RV 1RV1Ri 1RV RiRV Ri 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 fur die belastete lineare Spannungsquelle anhand ihres Ersatzschaltbildes siehe hier hU I2RVI2Ri I2RV RVRi RV 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 moglichst hoher Wirkungsgrad wird erzielt bei RV lt Ri displaystyle R V lt R i durch Betrieb mit einer Stromquelle und bei Ri lt RV displaystyle R i lt R V durch Betrieb mit einer Spannungsquelle Die beiden Wirkungsgrade erganzen sich zu 100 hI hU 1 displaystyle quad eta I eta U 1 Wird eine belastete lineare Spannungsquelle mit dem Wirkungsgrad hU displaystyle eta U als aquivalente Stromquelle aufgefasst wie im vorhergehenden Kapitel so verandert sich der Wirkungsgrad auf hI 1 hU displaystyle eta I 1 eta U Zahlrichtung Bei einem passiven Bauelement oder Verbraucher soll sich die Bezugsrichtung der Stromstarke auf die Polaritat der Spannung beziehen Durch dieses in der Elektrotechnik weitgehend ubliche Verbraucherzahlpfeilsystem wie im Bild oben wird erreicht dass Spannung und Stromstarke dasselbe Vorzeichen haben Eine positive Stromstarke I displaystyle I von a nach b erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung Ukl displaystyle U mathrm kl von a nach b Bei Umkehr eines der beiden Pfeile musste in das ohmsche Gesetz ein Minuszeichen eingefugt werden Die konsequente Verwendung der Vorzeichen in der gesamten Schaltung wird erreicht durch Zahlpfeile am Erzeuger wie im Bild Denn im Inneren des aktiven Bauteils bzw der Quelle fliesst der Strom der Spannung entgegen Eine positive Stromstarke I displaystyle I im Bild in der Quelle von unten nach oben erzeugt am Verbraucher eine positive Spannung Ukl displaystyle U mathrm kl von oben nach unten Parallel und Reihenschaltung von Stromquellen Soll dem Verbraucher mehr Strom zugefuhrt werden als die Quelle liefern kann so durfen Stromquellen mit gleicher Polaritat oder Phasenlage parallelgeschaltet werden Beispiel Mit parallelgeschalteten Stromquellen nicht Spannungsquellen kann ein Akkumulator schneller geladen werden Gefahrlich 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 unzulassig hohe oder inverse Spannung an der anderen Quelle aufbauen Ein typisches Beispiel ist die Reihenschaltung von vielen Solarzellen Ist eine Zelle starker beschattet erhalt sie bei Belastung eine hohe inverse Spannung und kann zerstort werden Daher werden in Reihe geschaltete Zellen oder Module ab einer bestimmten Anzahl mit jeweils antiparallel zu ihnen geschalteten Schutzdioden Bypass Diode versehen AnwendungenEin typisches Anwendungsbeispiel ist ein stromkonstantes Ladegerat mit einer definierten oder einstellbaren Ladeschlussspannung Der Verbraucherwiderstand kann null sein da Stromquellen prinzipiell kurzschlussfest ausgelegt sind Weitere Verbraucher die zum Betrieb eine Stromquelle benotigen sind Leuchtdioden Laserdioden und Gasentladungslampen Je nach Leistung und Effizienz Anforderungen werden hierfur Vorwiderstande Schaltregler Abwartsregler elektronische oder konventionelle Vorschaltgerate und fur Kaltkathodenrohren auch Resonanz und Streufeldtransformatoren verwendet Elementare Schaltung Eine recht einfache Stromquelle lasst sich herstellen aus der Reihenschaltung einer Spannungsquelle mit einem Widerstand RQ displaystyle R mathrm Q als Quellenwiderstand Vorwiderstand und dem Verbraucher RV displaystyle R mathrm V Wenn die Speisespannung viel grosser ist als die am Verbraucher auftretende Spannung wird ein Quellenwiderstand gebraucht der viel grosser ist als der maximale Verbraucherwiderstand Wenn sich die Belastung der Verbraucherwiderstand verandert hat das nur geringfugigen 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 Stromstarke beispielsweise um maximal 1 infolge Lastanderung verandern durfen so muss 0 lt RV lt 1 100 RQ displaystyle 0 lt R mathrm V lt 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 Vorschaltgerat Vorschaltdrossel Elektronische Stromquellen Diese Stromquellen werden unter Konstantstromquelle beschrieben Sie konnen bis zu einer bestimmten Spannung jene nahezu waagerechte Strom Spannungs Kennlinie erzeugen Sie werden fur Mess und Oszillatorschaltungen sowie fur Zeitglieder verwendet Stromwandler Stromwandler sind spezielle Transformatoren zur potentialfreien Messung grosser Wechselstrome Sie erzeugen einen Sekundarstrom der idealerweise proportional zum Primarstrom ist Das ist nahezu gegeben bei Abschlusswiderstanden als Burde bezeichnet von null bis zu einem Maximalwert der sogenannten Nennburde 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 uber viele Grossenordnungen proportional zum darauf fallenden Lichtstrom Messumformer liefern oft einen Strom als Ausgangssignal Dabei kann es sich um Strommessungen Temperaturmessungen oder andere Messgrossen handeln aus denen ein proportionaler Strom erzeugt wird Strome wie das dafur bekannte und in Industrieanlagen angewendete 4 20 mA Signal bieten bei der Ubertragung gegenuber Spannungen Vorteile der Spannungsabfall langer Leitungen und storbehaftete Potenzialbezuge am Einspeisepunkt bleiben ohne Einfluss auf das Signal Beim 4 20 mA Signal kann uberdies eine Leitungsunterbrechung erkannt werden wenn der Minimalwert 4 mA nicht erreicht wird Energiequelle EnergiesenkeDie bisher behandelten Stromquellen sind energieabgebend Nun gibt es Falle in denen es sinnvoll ist das Modell der idealen Stromquelle derart zu erweitern dass sich ihre Kennlinie nicht auf einen Quadranten beschrankt sondern im oben gezeigten Bild nach links in den Bereich negativer Spannung fortsetzt Das Modell der idealen Quelle ist immer in der Lage sowohl als Erzeuger als auch als Verbraucher zu wirken bei realen Quellen ist das in der Regel nicht der Fall Da das Modell der linearen Quelle auf dem Modell der idealen Quelle aufbaut steigt bei der linearen Quelle die Kennlinie bei Leistungsaufnahme mit gleicher Steigung nach links weiter an auf Werte grosser als der Kurzschlussstrom Ersatzschaltbild eines Bipolar tran sistors mit einer linearen Stromquelle im Weg vom Kollektor C zum Emitter E Ein Beispiel fur die Anwendung des umfassenden hier jedoch ausschliesslich in Verbraucherrichtung betriebenen Modells der Stromquelle ist der Bipolartransistor gemass nebenstehendem Ersatzschaltbild In diesem fliesst der Strom entgegen der ublichen Richtung bei gegebener Spannungsrichtung einer Stromquelle Diese ist somit energieaufnehmend Sie ist nur Bestandteil des Ersatzschaltbilds und nicht existent Die aufgenommene Energie fuhrt zur Erwarmung des Transistors Damit sich IC displaystyle I mathrm C und UCE displaystyle U mathrm CE ausbilden konnen ist der Transistor in einem geeigneten Stromkreis zu betreiben den eine tatsachlich existierende Energiequelle speist Ein weiteres Beispiel ist der Messumformer mit Stromschnittstelle der einen eingepragten Strom als Mass fur eine Messgrosse Temperatur Druck usw passieren lasst und sich als Energiesenke verhalt die von einem Speisegerat versorgt werden muss LiteraturWolfgang Mathis Albrecht Reibiger Kupfmuller Theoretische Elektrotechnik 20 Auflage Springer Vieweg 2017 ISBN 978 3 662 54836 3 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche EinzelnachweiseDIN EN IEC 60375 Vereinbarungen uber elektrische Stromkreise 2022 Eintrag 9 2 1 IEC 60050 deutschsprachige Ausgabe bei DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE Internationales Elektrotechnisches Worterbuch IEV Nummer 131 12 23 IEC 60050 deutschsprachige Ausgabe bei DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE Internationales Elektrotechnisches Worterbuch IEV Nummer 131 12 21 Wilfried Weissgerber Elektrotechnik fur Ingenieure 1 Gleichstromtechnik und Elektromagnetisches Feld Springer Vieweg 11 Aufl 2018 S 44 Heinrich Frohne Karl Heinz Locherer Hans Muller Moeller Grundlagen der Elektrotechnik Teubner 20 Aufl 2005 S 34 Reinhard Scholz Grundlagen der Elektrotechnik Eine Einfuhrung in die Gleich und Wechselstromtechnik Hanser 2018 S 115 Karl Kupfmuller Wolfgang Mathis Albrecht Reibiger Theoretische Elektrotechnik Eine Einfuhrung Springer 16 Aufl 2005 S 27 Rainer Ose Elektrotechnik fur Ingenieure Grundlagen Hanser 5 Aufl 2014 S 38 Steffen Paul Reinhold Paul Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 1 Gleichstromnetzwerke und ihre Anwendungen Springer Vieweg 5 Aufl 2014 S 62 Ulrich Tietze und Christoph Schenk Halbleiterschaltungstechnik Ralf Kories und Heinz Schmidt Walter Taschenbuch der Elektrotechnik Rainer Ose Elektrotechnik fur Ingenieure Grundlagen Hanser 5 Aufl 2014 S 41 DIN EN 60375 Nr 6 1 MAX9934 High Precision Low Voltage Current Sense Amplifier with Current Output and Chip Select for Multiplexing Maxim Integrated abgerufen am 10 September 2018 englisch Datenblatt Heinrich Frohne Karl Heinz Locherer Hans Muller Thomas Harriehausen Dieter Schwarzenau Moeller Grundlagen der Elektrotechnik Vieweg Teubner 21 Aufl 2008 S 41 Heinrich Frohne Karl Heinz Locherer Hans Muller Thomas Harriehausen Dieter Schwarzenau Moeller Grundlagen der Elektrotechnik Vieweg Teubner 21 Aufl 2008 S 41

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