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.

[Bearbeiten] 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; 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.

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:

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

[Bearbeiten] Schaltungen von Gleichstromquellen

[Bearbeiten] 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.

[Bearbeiten] 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.

[Bearbeiten] 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:
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:
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:
wenn R₂:R₁ = R₄:R₃ . Hier liegen U₁ , U₃ und R_V an Masse.

[Bearbeiten] Mit integrierten Schaltkreisen

Konstantstromquelle mit LM317

Konstantstromquellen lassen sich mit integrierten Schaltkreisen realisieren, indem man deren innere Referenzspannung zur Strommessung an einem Widerstand nutzt. Die Schaltung ist ähnlich der mit einem Feldeffekttransistor (Vergleichsspannung z.B. 1,2 Volt für einen LM317). Der Vorteil ist der geringe Steuerstrom und die hohe Belastbarkeit, daher sind solche Lösungen auch für größere Ströme im Ampere-Bereich geeignet.

Es gibt auch spezielle zweipolige Konstantstromquellen-ICs für verschiedene Ströme im Milliampere-Bereich.

[Bearbeiten] Realisierung

Praktische Ausführung einiger Referenzstromquellen-Typen

UBE-Referenzstromquelle 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

[Bearbeiten] 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