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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

PrinzipschaltungDie 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

Spannungsteiler als ReferenzDie 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

Zwei TransistorenIn 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

Dioden-ReferenzDa 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

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

Zener-ReferenzDer 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

Zwei Transistoren + ReferenzDie­se 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!

Eine Referenz für mehrere StromquellenWenn 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.

Realer Aufbau, BauteilseiteWie 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.

Die Schaltung mit PNP-TransistorenWei­ter­hin 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.

Realer Aufbau, LötseiteDie Löt­sei­te. Quick and dir­ty, was soll ich sa­gen... Der TLV431 ist der klei­ne schwar­ze Punkt oben, et­was rechts von der Bild­mit­te.

Line Regulation VS=0..32VDa 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.

Line Regulation VS=0..6VHier 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

Transistor + ReferenzMit 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:

Andere ReferenzenNeh­men 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!)

Transistor + ReferenzErst 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:

Schaltung12345678
Spannungsabfall>(1 V)10,75 V0,65 V1,3 V3,8 V1,35 V1,35 V2,7 V
Temperaturkoeffizienthoch+hoch-hoch-niedrig+niedrig+sehr niedrigsehr niedrigniedrig+
Line Regulation3±1%2±3,5%±15%±5%±7%±2,5%<0,1%±0,2%
Preis4niedrig
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.


Temperaturabhängigkeit

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...

Line Regulation


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.

Spannungsabfall


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...