Transistor-Konstantstromquellen
Im Folgenden möchte ich die Vor- und Nachteile verschiedener Typen von Konstantstromquellen, alle mit bipolaren Transistoren, aufzeigen.
Sie mögen fragen, wozu, es gibt bereits etliche Bücher und Webseiten die sich damit beschäftigen. Nun, ich brauchte eine für ein bestimmtes Projekt und habe einige Simulationen angestellt mit besonderem Hinblick auf Temperaturabhängigkeit, ein Punkt den viele Quellen stillschweigend vermeiden oder lediglich stiefmütterlich behandeln.
In den folgenden Schaltungen ist Q1 stets der regelnde Transistor und VS die Versorgungsspannung, die in vielen Fällen eine geregelte Spannung sein wird, aber auch bspw. die ungeregelte Spannung direkt am Siebkondensator sein kann.
Ich unterscheide hier nicht zwischen Stromquellen und Stromsenken. Denken Sie sich eine Stromsenke einfach als eine Quelle negativen Stroms und Sie wissen, warum. Es handelt sich um komplementäre Schaltungen. Sie werden einen NPN-Transistor nehmen bei einer Last zur positiven Versorgung und einen PNP für eine Quelle mit Last gegen die negative Versorgung (normalerweise GND).
Es gibt tatsächlich Leute (z.B. Telekom), die den positiven Pol erden und so eine negative Versorgung haben. Die Begriffe Quelle
und Senke
müssten dann glatt vertauscht werden...
Meine Simulationen finden Sie auf der Download-Seite.
Allgemeine Schaltung
Die meisten Stromquellen folgen einem recht einfachen Prinzip: man legt eine konstante Spannung (Vref) an die Basis eines Bipolar-Transistors und erhält eine konstante Spannung am Emitter. Man verbindet den Emitter über einen konstanten Widerstand (Rshunt) mit GND (oder nach VS für einen PNP) und erhält einen konstanten Emitterstrom. Dieser ist auch näherungsweise der Kollektorstrom und so ist es (fast) egal, was Sie an den Kollektor anschließen, stets fließt der gleiche Strom.
Offensichtlich muss die Referenzspannung höher sein als die Basis-Emitter-Spannung des Transistors (um den Spannungsabfall über dem Shuntwiderstand).
Nun, theoretisch funktioniert das aber in der Praxis hat diese Schaltung einen ziemlich hohen Temperaturbeiwert wegen des TK der Basis-Emitter-Spannung von ungefähr -2 mV/°C. Dessen Einfluss sinkt mit steigender Vref allerdings steigt damit auch der Spannungsabfall der Schaltung.
Selbst mit einer idealen Referenzspannung wäre der Strom durch RLoad nicht konstant, wenn sich die Temperatur von Q1 ändert!
Da UBE mit steigender Temperatur von Q1 sinkt, steigt die Spannung über Rshunt und damit der fließende Strom.
Dropout Voltage
Wenn im Folgenden von der Dropout Voltage
oder auf deutsch dem Spannungsabfall
der Schaltung die Rede ist, so meine ich damit den Anteil an VS den die Schaltung für sich selbst
benötigt und der nicht an der Last verfügbar ist:
Betrachten wir die Schaltung als eine Reihenschaltung von RLoad, Q1 und RShunt. Die Summe dieser drei Spannungen ist VS. Für den Fall einer niederohmigen Last fällt der größte Teil von VS am Transistor ab. Die Regelung steuert den Transistor nur soweit durch damit der geforderte Strom fließen kann. Mit steigendem RLoad steigt die Spannung über der Last und die über Q1 sinkt entsprechend. Die über RShunt bleibt im Idealfall konstant da wir ja eine Konstantstromquelle bauen wollen. Irgendwann kommen wir an die Sättigungsspannung des Transistors. Er kann nicht mehr besser leitend werden und ab diesem Punkt hat die Last nicht mehr genügend Spannung zur Verfügung um den eingestellten Strom zu ziehen.
Der Spannungsabfall der Schaltung ist also die Sättigungsspannung des Transistors plus der Spannung über RShunt beim angepeilten Nennstrom.
Über Temperatur-Kompensation
Ich habe einige Schaltungen im Internet gefunden bei denen der Autor auf das eine oder andere Bauteil verweist und sagt, es sei zur Temperaturkompensation. Seien Sie vorsichtig wenn sie solchen Versprechen folgen. Temperaturkompensation erfordert immer eine enge thermische Kopplung zwischen dem kompensierten und dem kompensierenden Bauteil. Ohne das ist die Schaltung bestenfalls gegen Änderungen der Umgebungstemperatur kompensiert. Die Eigenerwärmung des Transistors muss so schnell und so exakt wie möglich auf das kompensierende Bauteil übertragen werden. Wie wir noch sehen werden ist das nicht immer ganz einfach.
1) Ein einfacher Ansatz
Die einfachste Methode zur Erzeugung von Vref ist ein Spannungsteiler. Natürlich funktioniert das nur wenn VS konstant ist. Der Strom durch den Spannungsteiler muss groß gegenüber dem Basisstrom sein um Temperatureffekte auf die Stromverstärkung und durch Exemplarstreuung zu minimieren.
Diese Schaltung ist überhaupt nicht temperaturkompensiert. Wir erhalten -2 mV/°C VBE was sich in einem positiven Temperaturkoeffizienten der Schaltung äußert, abhängig vom Spannungsabfall über R2.
2) Zwei Transistoren
In der nächsten Schaltung begrenzt Q2 den Basisstrom von Q1 sobald die Spannung über dem Shunt seine Schaltschwelle übersteigt. Das führt zu einem sehr hohen Temperaturbeiwert dieser Schaltung. Die -2 mV/°C addieren sich direkt zur Spannung über dem Shunt die hier nur ~600 mV beträgt, was ungefähr -0,3%/°C im Strom ausmacht. Der Vorteil dieser Schaltung ist der sehr geringe Spannungsabfall (deutlich unter 1V), der nur geringfügig durch die nächste Schaltung übertroffen wird.
Im Gegensatz zu anderen Schaltungen sollte Q2 hier thermisch möglichst isoliert von Q1 montiert werden, da der Strom nur durch Q2 bestimmt wird. Dann spielt praktisch nur die Umgebungstemperatur eine Rolle, deren Varianz im Normalfall wesentlich geringer ist als die Selbsterwärmung von Q1. Trotzdem muss natürlich aus schaltungstechnischen Gründen Q2 in der Nähe von Q1 sein und wird so immer auch die Verlustwärme von Q1 zu einem gewissen Grad mitbekommen.
Achtung: es geht hierbei nicht um Temperaturkompensation sondern um eine Minimierung des Einflusses der Selbsterwärmung! Änderungen der Umgebungstemperatur schlagen weiterhin voll durch.
3) Dioden-Referenz
Da die Flussspannung einer Diode ziemlich konstant ist, kann auch diese als Referenz verwendet werden. Wie wir gesehen haben muss die Referenz höher sein als die VBE und so benötigen wir zwei davon. Der Vorteil dieser Schaltung ist der niedrige Spannungsabfall da die Spannung über dem Shunt lediglich ~600 mV beträgt. Dies wird erkauft mit einem hohen Temperaturbeiwert (D1 kompensiert zwar in etwa den TK von Q1 aber der TK von D2 schlägt voll durch) von etwa -0,3%/°C und der bei weitem schlechtesten Line Regulation in diesem Vergleich.
Die beste Temperatur-Kompensation könnte also erreicht werden wenn D1 mit Q1 thermisch gekoppelt ist während D2 nach Möglichkeit auf Umgebungstemperatur gehalten wird, die normalerweise nur gering variiert. Meine Simulationen bilden dies nicht ab, da der Grad der Kopplung bzw. der Isolation zu hohem Grad von Ihrem Layout und einem evtl. Gehäuse abhängen. Dies müsste im Spezialfall ausgetestet werden.
4) LED-Referenz
Dies ist die erste Schaltung die von sich behaupten kann, temperaturkompensiert zu sein. Die Flussspannung einer roten LED ist ungefähr 1,8 V und so kann sie als einziges Referenz-Element benutzt werden. Der TK der LED kompensiert näherungsweise den des Transistors und voilà: die ideale Schaltung! Aber Vorsicht: die Temperatur der LED muss die gleiche sein wie die des Transistors! Gute thermische Kopplung zwischen einer LED und einem Transistor ist nicht so einfach, insbesondere bei THT-Bauteilen.
Bei geringen Strömen, wenn die Eigenerwärmung des Transistors vernachlässigbar ist, kann die Schaltung jedoch durchaus brauchbar sein.
Nun, ich bin kein Freund von solchen Tricks. Die Flussspannung ist kein garantierter Parameter einer LED. Sie variiert von Diode zu Diode, zwischen verschiedenen Herstellern oder wenn die Chemie sich ändert (etwa von GaAsP zu InGaAlP). Auch wenn man so einen niedrigen TK bekommt kann die absolute Genauigkeit eher mäßig sein. Wenn Ihre Schaltung länger hergestellt wird kann die LED irgendwann abgekündigt werden und das kann Schwierigkeiten bedeuten...
5) Zener-Referenz
Der nächste, häufig zu findende Ansatz verwendet eine Zenerdiode. Auch hier haben wir zwei Temperaturkoeffizienten, den des Transistors und den der Zenerdiode.
Prinzipbedingt hängt der Temperaturbeiwert von Zenerdioden von ihrer Nennspannung ab da unterhalb einer gewissen Spannung der Zenereffekt mit seinem negativen TK dominiert während oberhalb der Lawinendurchbruch mit seinem positiven TK die Oberhand gewinnt.
Dioden unterhalb von etwa 5 V haben einen negativen, solche über 5 V einen positiven TK. Um 5 V ist der TK nahe 0. Durch die Auswahl der richtigen Spannung kann der TK der Schaltung ziemlich niedrig gehalten werden.
Da der TK der VBE mit etwa -2 mV/°C negativ ist sollte auch der TK der Zenerdiode negativ sein um den Spannungsabfall über Rshunt möglichst konstant zu halten. Die Zenerspannung sollte also etwas kleiner als 5 V sein. Eine 4,7 V-Z-Diode zeigt sich in der Simulation als fast ideal.
Der Nachteil dieser Schaltung ist der deutlich höhere Spannungsabfall von knapp 4 V.
6) Zwei Transistoren + Referenz
Diese Schaltung ist mein Favorit, da sie sowohl für NPN- als auch für PNP-Schaltungen einsetzbar ist (also für Lasten gegen GND oder VS) und ich habe mich entschlossen, sie real aufzubauen um zu sehen wie sie sich bewährt. Q2 kompensiert den TK von Q1 und der TLV431 liefert eine präzise Referenzspannung von 1,24 V die sich im Wesentlichen auch über dem Shunt wiederfindet. Die Qualität der Kompensation ist vom Bias-Strom abhängig und muss in der realen Schaltung überprüft werden wenn Sie ihn minimieren wollen. In einigen Schaltungen aus dem Internet ist Q2 eine einfache Diode doch der Charakteristik der BE-Diode kann durch nichts besser entsprochen werden als durch einen baugleichen Transistor. Speziell wenn Sie SMD-Bauteile verwenden können Sie zwei Transistoren in einem Gehäuse bekommen. Es gibt keine Möglichkeit, die thermische Kopplung weiter zu verbessern.
Diese Schaltung ist etwas teurer als die vorherigen (hauptsächlich um die Kosten des TLV431, 29 Cent bei meinem Händler, etwa 10 Cent in Produktions-Stückzahlen) aber ich war erstaunt über ihren TK. Von Raumtemperatur auf -50°C (Kältespray) blieb die Stromänderung locker unter 1%, das sind kaum 200 ppm/°C!
Wenn Sie mehr als eine Stromquelle brauchen können Sie die Kosten des TLV431 auf alle Q2s verteilen, evtl. mit jeweils einem Entkoppel-Kondensator. Aber spendieren Sie jedem Q2x seinen eigenen Bias-Widerstand, sonst geht die Performance den Bach runter. Lesen Sie das Datenblatt des TLV mit Hinblick auf Stabilität bei kapazitiver Last.
Wie Sie auf dem Foto sehen, habe ich die Schaltung mit THT-Komponenten aufgebaut. Lediglich der TLV431 ist ein SMD auf der Lötseite, da dieser nicht im bedrahteten Gehäuse erhältlich ist.
Weiterhin habe ich PNP-Transistoren verwendet da ich eine Last gegen GND benötigt habe.
Ich habe die beiden Transistoren Face-to-Face montiert um bessere thermische Kopplung zu erreichen. Sie können auch noch Wärmeleitpaste dazwischen geben und sie mit einer Feder zusammenpressen.
Das könnte die Antwortzeit auf Laständerungen deutlich verringern.
Die Lötseite. Quick and dirty, was soll ich sagen... Der TLV431 ist der kleine schwarze Punkt oben, etwas rechts von der Bildmitte.
Da ich keinen Klimaschrank besitze kann ich leider keine Grafen des Stroms über der Temperatur anbieten aber hier sehen Sie den Strom über der Versorgungsspannung, ansteigend von 0 V bis 32 V. Der Strom bleibt innerhalb ±10% von ungefähr 5 V bis 32 V. Der Strom wurde gemessen über den Spannungsabfall an der 100 Ω-Last.
Hier der Bereich von 0..6 V. Der scharfe Knick an der Cursor-Linie zeigt den Punkt, ab dem die Reglung des TLV431 einsetzt. Das ist bei etwa 2,9 V was bereits die Simulation voraus gesagt hat. Achtung: das ist nicht der Spannungsabfall da hier bereits 1 V über der Last abfällt.
Die Line Regulation dieser Schaltung ist also relativ schlecht. Das könnte verbessert werden indem man den Bias-Widerstand durch eine weitere Konstantstromquelle ersetzt. Wenn Sie ein paar Volt Reserve haben können Sie hier den LED- oder Zener-Typ verwenden, da diese geringere Temperaturbeiwerte haben. Da sie nur ein paar hundert µA liefern muss kann die Eigenerwärmung vernachlässigt werden.
Berechnung von RBias
Der Wert von RBias ist zunächst einmal recht unkritisch. In meinem Testaufbau habe ich damals einfach über den Daumen
1 mA angepeilt und bin auf 12 kΩ gekommen (und es hat ja ganz gut funktioniert...). Wie man es macht, wenn man es genau haben will, erkläre ich jetzt:
Ausgangslage: wir haben also eine Versorgung von 12 V und wollen einen konstanten Strom von 10 mA erzeugen.
Ein geeigneter Transistor wäre z.B. der BC546. Er hat eine garantierte Stromverstärkung von 110 (im Datenblatt immer die garantierten Werte verwenden, nicht die typischen, die zwar häufig auch funktionieren werden, aber eben nicht immer...). Wir brauchen also einen Basisstrom von mindestens 10 mA/100=100 µA. Zusätzlich braucht der TLV noch einen Mindeststrom zur Stabilisierung, laut Datenblatt sind das ebenfalls 100 µA. Der Zufall will es, das so in beiden BE-Dioden ähnliche Ströme fließen und wir sie in ähnlichen Arbeitspunkten betreiben, was der Temperaturstabilität sicherlich nicht schadet.
Über dem TLV431 (1,24 V) und der BE-Diode von Q2 (0,6..0,7 V) fallen zusammen rund 2 V ab, bleiben 10 V für den Bias-Widerstand. (Achtung: es gibt auch einen TL431, der regelt aber auf 2,5 V!)
Sie sehen, ich habe bei der Dimensionierung hier großzügig gerundet. β=100 statt 110, 2 V statt 1,84 V, der genaue Wert ist hier wirklich nicht wichtig, zumal er auch laut Datenblatt erheblichen Schwankungen unterliegen kann. Man sollte aber immer auf die sichere Seite runden um Reserve zu schaffen anstatt sie aufzubrauchen.
RBias läge also bei 10 V/200 µA=50 kΩ, ein 47 kΩ wäre wohl passend, nur nicht größer als 50 kΩ.
In meinem Testaufbau habe ich, wie gesagt, 12 kΩ gewählt, der genaue Wert ist unkritisch. Es kann aber sein, das ein bisschen mehr oder weniger den Temperaturbeiwert verbessert oder verschlechtert, das müsste man wirklich ausprobieren. Man kann das sicherlich auch in der Simulation machen aber wenn man es wirklich genau haben will, sollte man es in der Realität nachprüfen.
Beachten Sie trotzdem: beim Vergleich mit realen Bauteilen arbeiten sie mit typischen Werten! Nämlich mit dem Transistor, den Sie gerade erwischt haben. Mit einem anderen oder gar mit dem eines anderen Herstellers kann es ganz anders aussehen! Das heißt für mich nicht entwickeln
, das ist einfach nur ausprobieren! Erst wenn sie zig Transistoren, auch von unterschiedlichen Herstellern probieren können wir wieder von entwickeln
sprechen.
Ähnlich würde auch die Berechnung für die anderen Schaltungen funktionieren, nur hat man hier vielleicht 1mA für den Zenerstrom bei #5, ähnlich bei #4 und bei #2 entfällt der zusätzliche Strom komplett (muss aber von der Schaltung trotzdem geleistet werden wenn sie RBias zu klein dimensionieren, Q2 muss den überflüssigen Basisstrom ableiten).
7) Transistor + Referenz
Mit einem Shuntregler wie dem TLV431 lässt sich auch mit nur einem Transistor eine Konstantstromquelle realisieren, wie das nebenstehende Bild zeigt. Man kann sich diese als Variante der Schaltung #2 denken, mit einem (fast) idealen Transistor
Q2, allerdings mit einer UBE von 1,24 V. Der TLV klaut
Q1 den Basisstrom sobald seine Schwellspannung erreicht ist. Diese ist sehr genau und kaum von der Temperatur abhängig. Somit ist diese Schaltung diejenige mit der höchsten Genauigkeit und dem geringsten TK. Der Spannungsabfall der Schaltung liegt ebenfalls in diesem Bereich, da darunter die Regelung des TLV nicht funktioniert und liegt damit allerdings eher im Mittelfeld. Der größte Nachteil ist, dass die Schaltung so nur für NPN-Transistoren verwendbar und damit nicht für Lasten gegen GND geeignet ist.
Außerdem lässt sich hier, im Gegensatz zu Schaltung 6, der TLV431 nicht auf mehrere Stromquellen aufteilen.
8) Andere Referenzen
In vielen Schaltungen haben Sie andere Referenzquellen zur Verfügung, an die Sie vielleicht zunächst nicht denken. So in folgendem Beispiel:
Nehmen Sie an, sie haben einen Mikrocontroller, versorgt mit stabilen 3,3 V (±4%, reicht das?). Die ganze Schaltung bekommt ihre Versorgung aus einem Netztrafo der direkt nach dem Brückengleichrichter eine unregulierte Spannung von 12 V liefert. Nun wollen Sie ein paar LEDs mit einem Pin des Controllers schalten. Beachten Sie die Schaltung rechts, es ist eine Konstantstromquelle!
Normalerweise ist ein Basiswiderstand hier nicht nötig (außer wenn VCC anliegen kann ohne die VS oder der Kollektor 'offen' sein kann). Wenn, dann kann er relativ klein gehalten werden, so dass der Basis-Strom unterhalb der Grenzwerte für den Port und der Basis bleibt, also im gezeigten Beispiel etwa 47 Ω (3,3V/177Ω < 20mA). Damit wird auch die Schaltzeit minimal gehalten.
Der maximale Basisstrom bspw. für einen BC546 liegt bei 200mA. Der für einen Portpin typischerweise bei 20mA. Der maximale Strom liegt also selbst ohne RBase bei (3,3V-0,6V(VBE))/130Ω, in unserem Fall also bei 20,7mA und damit bereits (fast) im sicheren Bereich und ich hätte keine Hemmungen, RBase in diesem Fall weg zu lassen.
Der Controller bestimmt hier die Referenzspannung (seine VCC) und der Strom ist etwa (3,3 V-0,6 V)/130 Ω. Der Nachteil ist der relativ große Spannungsabfall (VCC minus einige 100 mV) aber sie ist spottbillig und so einfach!
9) PNP-Transistor+Referenz (!Update!)
Erst vor kurzem erfuhr ich zufällig von einem Schaltkreis LM4041, der quasi das PNP-Äquivalent des TLV431 darstellt. Die Referenzspannung wird hier nicht gegen GND gemessen sondern gegen VS.
Damit sind hochgenaue Stromquellen für Lasten gegen GND möglich und mein Favorit (#6) wird dadurch zu einem gewissen Teil obsolet.
Sie bietet aber weiterhin Vorteile wenn die Schaltung sehr kostensensitiv ist (der LM4041 ist deutlich teurer) oder sie den LM auf mehrere Stromquellen aufteilen möchten, was auch in dieser Schaltung nicht möglich ist.
Es kommt eben immer auf den Einzelfall an.
Diese Schaltung ist bisher nicht Teil der Simulationen aber ich gehe davon aus, dass sie auch in der Realität gut bestehen könnte.
Hier eine Tabelle mit einigen Eigenschaften der acht Schaltungen:
Schaltung | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Spannungsabfall | >(1 V)1 | 0,75 V | 0,65 V | 1,3 V | 3,8 V | 1,35 V | 1,35 V | 2,7 V |
Temperaturkoeffizient | hoch+ | hoch- | hoch- | niedrig+ | niedrig+ | sehr niedrig | sehr niedrig | niedrig+ |
Line Regulation3 | ±1%2 | ±3,5% | ±15% | ±5% | ±7% | ±2,5% | <0,1% | ±0,2% |
Preis4 | niedrig 8ct | niedrig 8ct | niedrig 10ct | niedrig 8ct | niedrig 8ct | hoch 37ct | hoch 35ct | sehr niedrig 4ct |
Die Werte basieren auf meinen Simulationen. Falls Sie deutlich abweichende Einsatzbedingungen haben sollten Sie ihre eigenen Simulationen und Prototypen anfertigen um die Ergebnisse zu überprüfen. Verwenden Sie die Daten auf eigene Verantwortung.
1 Abhängig von den Bauteilwerten des Spannungsteilers.
2 Mit geregelter Bias-Versorgung.
3 Änderung von VS von 8 bis 32 V, 3,3 V konstant.
4 Einzelpreis für THT bei meinem Händler.
Eine interessante Grafik der (simulierten) Temperaturabhängigkeit des Stroms bei 12 V. Die Nummern entsprechen den Schaltungsnummern im Artikel. Ich habe die Shunt-Widerstände getrimmt um 10 mA bei 25°C zu erreichen deshalb schneiden sich alle Kurven in diesem Punkt.
Die Kurven für Schaltung 6 und 7 unterscheiden sich nur marginal und sind allen anderen Schaltungen weit überlegen. Wie so oft im Leben sind die besseren Schaltungen halt auch die teureren... Auch Schaltung 5 scheint hier nahezu ideal, schneidet jedoch in den beiden folgenden Grafen deutlich schlechter ab.
Dazu müsste man natürlich sagen dass der TLV431 als sogenannte Referenz-Diode
natürlich in Wirklichkeit ein komplexer integrierter Schaltkreis ist und keine Diode
im Sinne eines PN-Übergangs. Aber er hat zwei (eigentlich drei) Pins, wie eine Diode, und er verhält sich auch ebenso, nur eben (in den meisten Fällen) besser.
Warum drei? Der Sense- und Sink-Pin ist hier getrennt verfügbar. Dies macht die Zener
-Spannung einstellbar. Es gibt auch Teile bei denen diese Pins intern verbunden sind und die somit eine fast ideale Zenerdiode darstellen.
In den meisten Fällen? Nun, ein PN-Übergang reagiert wesentlich schneller als ein komplexer Schaltkreis samt erforderlicher Frequenzkompensation. Wenn Sie hohe Schaltfrequenzen und steile Flanken haben ist möglicherweise eine andere Schaltung trotzdem geeigneter...
Die Line Regulation von 8 bis 32 V. Auch hier schneiden sich alle Kurven bei 12 V/10 mA. Die getrimmten Shunt-Widerstände machen so den Vergleich der Schaltungen sehr einfach.
Bei Schaltung 1 wurde der Spannungsteiler mit einer konstanten Spannung versorgt. Anders würde es keinen Sinn machen. Wie der Graph der Schaltung verläuft hängt allerdings von der endgültigen Basisspannung ab.
Besonders negativ erscheint hier die Schaltung 3, da hier die Diodenkennlienie gleich doppelt wirkt. Dies könnte jedoch durch eine weitere Konstantstromquelle für den Diodenstrom deutlich entschärft werden. Allerdings bliebe immer noch der doppelte TK. Anders bei Schaltung 4, diese würde durch einen konstanten Strom wohl deutlich besser abschneiden. Simulieren Sie es doch einfach mal...
Bei Schaltung 5 kann die Line Regulation durch die Wahl des Bias-Widerstandes erheblich beeinflusst werden. Ein höherer Bias-Strom verlegt den Arbeitspunkt in den steileren Bereich der Kennlinie und kann so positiv wirken. Bei batteriebetriebenen Schaltungen kann dies allerdings eher negativ wirken.
Schaltung 7 spielt hier jedenfalls die idealen Eigenschaften einer Referenzdiode voll aus.
Und schließlich der Spannungsabfall. Hierzu wurde eine konstante VS von 12 V verwendet, ein Sweep über den Lastwiderstand von 800 bis 1200 Ω durchgeführt und die Spannung an den Kollektoren gemessen.
Die Ideallinie wäre 12 V-(10 mA×RLoad). Unterhalb einer gewissen Spannung kann der Transistor den Strom jedoch nicht mehr liefern, dies ist der gesuchte Spannungsabfall. In der Kurve ist das der Punkt, an dem die Linie nach rechts abzweigt. Beachten Sie dass auch dieser Punkt temperaturabhängig ist, hier wurde bei 25°C gemessen.
Wenig überraschend hierbei ist, dass Schaltungen mit größerem Shunt-Widerstand auch den höheren Spannungsabfall aufweisen.
So scheint hier Schaltung 5 der Verlierer zu sein, aber wenn der Spannungsabfall nicht kritisch ist kann sie durchaus noch die bessere Wahl sein! In den anderen Grafen schneidet sie durchaus gut ab und sie ist vergleichsweise billig.
Auch bei Schaltung #1 kann man durch die Dimensionierung des Spannungsteilers die Kurven beeinflussen. Eine höhere VRef verringert die Temperaturabhängigkeit, erhöht aber gleichzeitig den Spannungsabfall. Dies gilt ebenso für die Zener-Referenz (Schaltung #5). Eine niedrigere Zenerspannung verringert den Spannungsabfall, kann sich aber negativ auf den Temperaturkoeffizient auswirken.
Simulieren sie es, bauen sie es, testen sie es und verkaufen sie es!
Zusammenfassung
Selbst so einfache
Schaltungen wie diese enthalten ein erhebliches Potenzial zur Optimierung. Abhängig von den Anforderungen bieten sie gute Line Regulation, niedrigen TK oder niedrigen Preis,
leider nie alles gleichzeitig. Der Spannungsabfall kann ein Grund sein, Schaltungen auszuschließen,
die ansonsten perfekt wären.
Manchmal spielen ein oder zwei mA keine Rolle, manchmal ist VS bis auf wenige Prozent konstant, manchmal brauchen Sie es aber vielleicht auch etwas genauer...
Beachten sie jedoch stets, dass alle Bauteile die gleiche Temperatur haben müssen, auch wenn Q1 sich durch seine Verlustleistung erwärmt!
Die enge thermische Kopplung ist in vielen Fällen eine Herausforderung, die insbesondere bei schnell veränderlichen Lasten zu unannehmbaren Störungen führen kann.
Es ist wichtig, genau die Bauteile in der Simulation zu verwenden, die sie auch real einsetzen wollen! Es reicht nicht, bspw. ein Standard-Modell einer Zenerdiode zu nehmen. Speziell bei Experimenten mit Schaltung 5 habe ich gesehen, dass eine BZX6V2 von Rohm zwar einen schlechteren TK ergibt als eine 1N750 (4,7V) jedoch eine deutlich bessere Line Regulation.
Nach meiner Ansicht kann man sagen, die Schaltungen #2 und #3 haben den mit Abstand geringsten Spannungsabfall (auch #1 kann darauf hin getrimmt werden), sollten aber nur gewählt werden, wenn es auch darauf ankommt, denn sie haben auch den bei weitem schlechtesten TK und nur mäßige bis schlechte Line Regulation.
Die besten Alternativen sind ansonsten zweifellos #6 und #7, sofern die Mehrkosten tolerierbar sind.
Schaltung #8 ist besonders interessant wenn die ~VCC Spannungsabfall tolerierbar sind da sie extrem billig ist, sich direkt durch einen µC-Port schalten lässt und sich ansonsten relativ gut schlägt.
Anzumerken bleibt auch, dass alle Stromquellen eigentlich den Strom durch RShunt regeln! Dieser ist um den Basisstrom von Q1 höher als der durch RLoad, den wir ja eigentlich regeln wollen. Bei höheren Stromstärken und Leistungstransistoren mit einer relativ kleinen Stromverstärkung kann dies relevant werden. Möglicherweise wäre hier eine Darlington-Schaltung für Q1 vorteilhaft, auch wenn sie den Spannungsabfall erhöht.
Ich habe hier einen sehr großen Betriebsspannungsbereich untersucht. Alle Schaltungen können noch getunt werden um speziellen Einsatzbedingungen optimal zu genügen. Die Simulationen hier sind ein guter Startpunkt dafür. Passen Sie sie an Ihre Anforderungen an und überprüfen Sie sie schließlich in der Realität um vor Überraschungen sicher zu sein.
Meine Anforderungen waren bei VS=12 V mindestens 10 mA an 800 Ω (ja, eine S0-Schnittstelle). Ich hätte mich für Schaltung #6 entschieden und müsste sie letztlich auf 10,5 mA dimensionieren um über dem Temperaturbereich sicher zu sein, wenn nicht die Insolvenz meiner Firma zuvor gekommen wäre ... Damit hätte die Stromaufnahme eines Moduls (von dem es zig in einem Gerät gab) auf 12 mA begrenzt werden können (statt bisher 20 mA) und damit die Anforderungen an das Netzteil entsprechend reduziert werden können.
Der Entwickler des Netzteils (ja, war ja auch ich...) hätte sich gefreut! Nur 1,5 A statt 2,5 A, der Trafo wird kleiner, die Verlustleistung, der Lüfter kann wegfallen und und und...
In Ihrem Projekt mögen andere Parameter bestimmend sein...