KSQ

Eine Konstantstromquelle ist der Idealfall einer Stromquelle, die einen konstanten Strom in einen Stromkreis einspeist unabhängig von dessen elektrischem Widerstand. Man spricht von eingeprägtem Strom.

Prinzipielles

Ersatzschaltbild einer realen Stromquelle (mit Verbraucher)

Konstantstromquelle mit Transistor

Konstantstromquelle mit JFET

Bei der Konstantstromquelle fehlt der in nebenstehendem Bild einer realen Stromquelle eingezeichnete Innenwiderstand; $R_i=\infty\;.$ Der Quellenstrom fließt durch den Verbraucher und baut eine so hohe elektrische Spannung U_kl zwischen den Klemmen a und b auf, dass das möglich ist.

$U_{kl}=I \cdot R_V$

Es gibt Konstantstromquellen als Wechselstromquellen und als Gleichstromquellen, beispielsweise Stromwandler bzw. Labornetzteile oder Messumformer mit Stromsignal.

Gleichstromquellen sind elektronische Schaltungen. Typische Realisierungen werden hier vorgestellt. Die Spannung, die am Verbraucher aufgebaut werden kann, ist bei diesen Schaltungen begrenzt auf ein U_kl,max, ein Wert, der kleiner bleibt als die Speisespannung der Schaltung. Neben dem Maximalwert des Stromes, den die Schaltung liefern kann, ist ein Maximalwert von R_V zu beachten, bis zu dem sie bestimmungsgemäß arbeiten kann:

$0 \le R_V \le U_{kl,max} /I$

Beispiel: Kann die Schaltung an den Klemmen eine Spannung U_kl,max = 12 V aufbauen bei einem Strom I = 20 mA, so darf die Bürde betragen

$0 \le R_V \le 600\ \Omega$

Schaltungen von Gleichstromquellen

Mit Bipolartransistor

Eine Konstantstromquelle kann zum Beispiel durch einen gegengekoppelten Bipolartransistor realisiert werden. Die Basis wird durch einen Spannungsteiler aus den Widerständen R₁ und R₂ auf einer konstanten Spannung gehalten. Der Transistor wird hierdurch aufgesteuert (d.h. leitend) und führt einen gewissen Strom I, der durch den Emitterwiderstand R_e fließt, und an ihm nach dem ohmschen Gesetz eine Spannung U = R_e • I hervorruft. Würde nun I ansteigen, so würde zugleich U ansteigen. Damit wird aber der Emitter in seiner Spannung gegenüber der Basis angehoben, wodurch die Basis-Emitter-Spannung sinkt. Dies steuert den Transistor zu und lässt den Strom sofort wieder sinken. Würde sich andererseits I verkleinern, so wird die Spannung U am Emitterwiderstand kleiner und damit die Basis-Emitter-Spannung größer. Der Transistor wird aufgesteuert und der Strom wieder erhöht. Diesen Vorgang der Stabilisierung nennt man auch Gegenkopplung.

Da über der Basis-Emitter-Strecke stets eine Spannung von ca. 0,7 V bei Silizium-Transistoren abfällt, stellt sich der Strom immer so ein, dass U = R_e • I um 0,7 V kleiner als die an R₂ anliegende Spannung ist. Durch die Wahl von R_e oder durch die Spannung an R₂ kann also der gewünschte Strom eingestellt werden.

Mit Feldeffekttransistor

Eine Konstantstromquelle kann auch als Zweipol, bestehend aus einem selbstleitenden Feldeffekttransistor und einem Source-Widerstand, wie in nebenstehender Abbildung am Beispiel eines N-CH JFET skizziert, aufgebaut werden. Solche Bauteile werden als Stromregeldiode bezeichnet und sind als fertige Bauteile erhältlich.

Mit Operationsverstärker

Konstantstromquelle mit Operationsverstärker (Beispiele)

Die gezeigten Beispiele sind Spannungs-Strom-Umformer. Aufgrund einer Eingangsspannung entsteht ein Strom, der unabhängig vom Verbraucher ist. Zum Verständnis werden die mit sehr guter Näherung geltenden zwei Generalregeln für den nicht übersteuerten Operationsverstärker genannt:

• Keine Spannung zwischen den Eingängen,
• Kein Strom in die Eingänge.

- Linke Schaltung: $I=U_e/R_M\$
Der Strom ist unabhängig vom Verbraucherwiderstand, solange die Spannung an R_M + R_V kleiner ist als die vom Operationsverstärker an seinem Ausgang maximal lieferbare Spannung. Die Spannung U_e liegt am Bezugspotential (Masse); der Verbraucher muss potentialfrei sein. Das sind dieselben Randbedingungen wie oben beim Bipolartransistor.

- Mittlere Schaltung: $I=U_e/R_M\$
Wie bei der linken Schaltung fällt U_e an R_M ab. Allerdings muss hier U_e potentialfrei sein; der Verbraucher liegt an Masse.

- Rechte Schaltung: $I=(U_3-U_1)/R_3\$
wenn R₂:R₁ = R₄:R₃ . Hier liegen U₁ , U₃ und R_V an Masse.

Mit integrierten Schaltkreisen

Konstantstromquelle 0 bis ca. 1,8 V / 1 A mit LM317

Es gibt zweipolige Konstantstromquellen als Integrierte Schaltung (IC) für verschiedene Ströme im Milliampere-Bereich. Weiterhin gibt es LED-Treiber-IC, die eine oder mehrere, oft steuerbare Konstantstromquellen besitzen. Solche Schaltkreise arbeiten analog oder als Schaltregler. Im letzteren Fall benötigen sie eine externe Speicherdrossel.

Konstantstromquellen lassen sich auch mit integrierten Längsregler-Schaltkreisen realisieren, indem man deren innere Referenzspannung zur Strommessung an einem Shunt (Strommesswiderstand) nutzt. Die Schaltung ist ähnlich der mit einem Feldeffekttransistor. Die Referenzspannung des LM317 beträgt z. B. 1,25 Volt - der Schaltkreis stellt den Strom so ein, dass genau diese Spannung am Shunt abfällt. Der Vorteil ist der gegenüber Bipolartransistoren geringe Steuerstrom und die hohe Belastbarkeit, daher sind solche Lösungen auch für größere Ströme im Ampere-Bereich geeignet. Der Nachteil ist der recht hohe Gesamt-Spanungsabfall, der sich aus der Summe der Spannung am Shunt (1,25 V) und der Spannung am Schaltkreis (engl. drop, beim LM317 bei 1 A ca. 2 V) ergibt.

PTAT-Stromquelle

Vereinfachte PTAT-Stromquelle ohne Auskopplung

Übertragungskennlinien der beiden Schaltungsteile für
I_S2 = 1 · 10-15
n = 10
R₃ = 100 Ω
U_T = 25,9 mV

Die PTAT-Stromquelle liefert einen Strom der sich proportional zur absoluten Temperatur ändert (PTAT = proportional to absolut temperature). In der nebenstehenden Schaltung bilden T3+T4 einen idealen Stromspiegel sowie T1+T2 einen „unperfekten“ Stromspiegel. Die Strom-Spannungs-Kennlinie im Bild darunter zeigt das Verhalten des Kollektorstroms von T1 mit R1 und T2 in Abhängigkeit von der Basisspannung. Die Emitterfläche von T1 weist ein vielfaches gegenüber T2 auf, das durch Parallelschaltung mehrerer Transistoren geschieht. Damit hat T1 einen höheren Verstärkungsfaktor, doch durch die lineare Gegenkopplung des exponentiellen Kennlinienverlaufs mit R1 überholt T2 bei höheren Basis-Emitter-Spannungen und es gibt einen Schnittpunkt bei dem eine exakte Stromspiegelung auftritt. Dieser führt zu einem stabilen Arbeitspunkt mit konstantem Strom.

Die Kennlinie veranschaulicht die Arbeitsweise der Schaltung sehr gut. Sinkt der Kollektorstrom I_C2 und die Basisspannung U_BE2 unter den Arbeitspunkt U_Schnitt dann weist der Kollektorstrom I_C1 gegenüber I_C2 einen höheren Wert auf. Der Stromspiegel aus T3+T4 kopiert den Stromanstieg von I_C1 auf I_C2 wodurch U_BE2 steigt bis der Arbeitspunkt erreicht wird. Oberhalb des Schnittpunktes steigt nun I_C2 verglichen mit I_C1 schneller und die Basisspannung wird heruntergeregelt. Die Schaltung regelt die beiden Ströme gleich aus, I_C1 = I_C2.

Mit Hilfe dieser Erkenntnis lässt sich nun der Strom im Arbeitspunkt wie folgt berechnen:

$\Delta U_\mathrm{BE} + U_\mathrm{BE1} = U_\mathrm{BE2} \ \Leftrightarrow \ \Delta U_\mathrm{BE} = U_\mathrm{BE2} - U_\mathrm{BE1}$

$U_\mathrm{BE} = U_\mathrm{T} \cdot \ln {\frac{I_\mathrm{C}}{I_\mathrm{S}}} \ \Leftrightarrow \ I_\mathrm{C} = I_\mathrm{S} \cdot e^{\frac{U_\mathrm{BE}}{U_\mathrm{T}}}$ ; (Großsignalgleichung des Bipolartransistors)

$I_{S1} = n \cdot I_{S2}$

$U_\mathrm{BE1} = U_\mathrm{T} \cdot \ln {\frac{I_\mathrm{C1}}{n \cdot I_\mathrm{S2}}} \ \ ; \ \ U_\mathrm{BE2} = U_\mathrm{T} \cdot \ln {\frac{I_\mathrm{C2}}{I_\mathrm{S2}}}$

$\Delta U_\mathrm{BE} = U_\mathrm{BE2} - U_\mathrm{BE1} = U_\mathrm{T} \cdot \ln {\frac{I_\mathrm{C2}}{I_\mathrm{S2}}} - U_\mathrm{T} \cdot \ln {\frac{I_\mathrm{C1}}{n \cdot I_\mathrm{S2}}}$

$\ln a - \ln b = \ln \frac {a}{b} \ ; \ I_\mathrm{C1} = I_\mathrm{C2}$

Zusammengefasst und gekürzt resultiert die Formel:

$\Delta U_\mathrm{BE} = U_\mathrm{T} \cdot \ln {n} \ ; \ U_\mathrm{T} = \frac {k_\mathrm{B} \cdot T}{e_0}$

• U_T … Temperaturspannung
• k_B … Boltzmann-Konstante
• e₀ … Elementarladung

In die Gleichung für dem Strom I_C1 eingesetzt ergibt das:

$I_\mathrm{C1} = I_\mathrm{C2} = \frac {\Delta U_\mathrm{BE}}{R1} = \frac{U_\mathrm{T} \cdot \ln {n}}{R1} = T \cdot \frac {k_\mathrm{B}}{e_0} \cdot \frac{\ln {n}}{R1}$

Der Strom weist eine direkte Abhängigkeit von der absoluten Temperatur auf. Durch mehrfache Anzapfung am oberen Stromspiegel kann aus dem Strom I_C1 der Referenzstrom gewonnen werden.

Da die PTAT-Stromquelle überwiegend aus Transistoren und nur wenigen Widerständen besteht eignet sich die die Schaltung sehr gut für Integrierte Schaltkreise. Durch zusätzliche Transistoren kann eine Temperaturkompensation erreicht werden. Für einen diskreten Schaltungsaufbau ist ein Transistorarray notwendig, weil zwischen den Transistoren T1 und T2 sowie T3 und T4 eine gute thermischer Kopplung bestehen muss.

Realisierung

Praktische Ausführung einiger Referenzstromquellen-Typen

UBE-Referenzstromquelle ${}_{I_\mathrm{ref} = \frac{U_\mathrm{BE,V2}}{R_1}}$ UBE-Referenzstromquelle mit Stromspiegel (rot) und Startschaltung (blau) PTAT-Referenzstromquelle mit Stromspiegel (rot) und Startschaltung (blau)

mittels zweier Differenzverstärker (weiß) geregelte PTAT-Referenzstromquelle Temperaturunabhängige PTAT-Referenzstromquelle

PTAT-Referenzstromquelle mit Kaskaden-Stromspiegel-Schaltung für integrierte Verstärkerschaltungen

UGS-Referenzstromquelle mit Kaskaden-Stromspiegel-Schaltung für integrierte MOS-Verstärkerschaltungen

Anwendung

• Versorgung von Leuchtdioden (LED), siehe Beschaltung von LEDs
• Arbeitspunktregelung im Operationsverstärker und anderen integrierten Schaltkreisen.

Weblinks

• Die Transistor-LED-Konstantstromquelle mit ein oder zwei Transistoren (Konstantstromquelle mit Opamp)
• Der Transistor-LED- und der FET-Konstantstromzweipol
• Online-Berechnung für Konstantstromschaltung
• The JFET Constant Current Source - Applikationsschrift von Siliconix/Vishay mit Berechnungsbeispielen (engl.)
• Schaltungssammlung unter www.mikrocontroller.net
• PTAT-Refernezstromquelle als Temperatursensor: Precision Monolithic Temperature Sensors