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Konstantstromquelle mit zwei Transistoren


Mit der Standardschaltung für die Konstantstromquelle wird aufgrund der beiden Dioden immer etwas Strom verschwendet. Dafür gibt es eine andere Lösung.



Funktion der Konstantstromquelle mit zwei Transistoren

Bei der folgenden Schaltung wird kein Strom mehr verschwendet. Anstatt der zwei Dioden werden hier zwei Transistoren eingebaut. Dadurch verhält sich die Schaltung wie ein Widerstand, dessen Widerstandswert sich der vorhandenen Spannung anpaßt. Allerdings wird der Stromwert nicht ganz so exakt eingehalten wie bei der Schaltung der einfachen Konstantstromquelle, ist aber immer noch ausreichend.


konstantstromquelle2.gif

Diese Schaltung für eine Konstantstromquelle verschwendet keinen Strom mehr


Wie funktioniert diese Schaltung? Nach dem Anlegen der Betriebsspannung öffnet der Transistor T1. Dadurch fließt auch durch die Basis des Transistors T2 ein Strom und dieser öffnet ebenfalls. Nach dem Öffnen von T2 wird über die Kollektor-Emitterstrecke von T2 der Widerstand R1 mit Masse verbunden, wodurch die Spannung an der Basis des Transistors T1 zurückgeht und dieser wieder mehr schließt. Die Schaltung reguliert sich so, das am Widerstand R2 eine Spannung von etwa 0,7 Volt abfällt - die bekannte Basis-Emitterspannung eines durchgeschalteten Transistors.

Das folgende Beispiel zeigt diese Schaltung als Einsatz für den Betrieb einer Leuchtdiode.


konstantstromquelle2a.gif

Die Schaltung als Einsatzbeispiel für den Betrieb einer LED


Der Strom im Lastkreis wird mit dem Widerstand R2 bestimmt. Da der Spannungsabfall an R2 etwa 0,7 Volt beträgt, kann man den Strom nach dem ohmschen Gesetz ausrechnen. Bei der Schaltung oben beträgt er:


konstantstrom2.gif

Meistens ist aber der gewünschte Strom bekannt und der Widerstand R2 soll berechnet werden. Nehmen wir als Beispiel einen Strom von 15 Milliampere, dann ist beträgt R2:


konstantstrom3.gif

Und bei einem Konstantstrom von 20 Milliampere:


konstantstrom1.gif

Allerdings sollte man hier berücksichtigen, daß die Werte normaler Widerstände Toleranzen zwischen 5 und 10 Prozent haben! Um die Genaugigkeit zu erhöhen kann man für R2 z. B. einen Metallfilmwiderstand einsetzen.

Der Widerstand R1 begrenzt den Strom durch die Basis des Transistors T1 und verhindert, das dieser überlastet wird. Er sollte stets so gewählt werden, das T1 bei der gewünschten Betriebsspannung voll durchschalten kann. Dazu muß man allerdings die Stromverstärkung von T1 kennen, die man aus dem Datenblatt des verwendeten Transistors erfährt.

Am Widerstand R1 muß die Betriebsspannung minus 1,4 Volt abfallen (0,7 Volt an R2 plus 0,7 Volt an T1). Der Basisstrom an T1 ist um den Faktor der Stromverstärkung von T1 geringer als der Strom im Lastkreis. Hat T1 z. B. eine Stromverstärkung von 200 und im Lastkreis fließen 20 Milliampere, so beträgt der dazugehörige Basisstrom 0,1 Milliampere. Um sicherzugehen das T1 wirklich ganz durchschaltet, wird der Basisstrom allerdings immer etwas höher angesetzt, der Transistor also übersteuert. Bei reinen Schaltzwecken macht man das generell so. Bei Verwendung als Verstärker ist eine Übersteuerung dagegen immer zu vermeiden, da dies starke Verzerrungen hervorruft!

Zur Berechnung von R1 braucht man nur den Basisstrom, großzügig angesetzt, und die benutzte Betriebsspannung minus 1,4 Volt (0,7 Volt an R2 plus 0,7 Volt an T1). Daraus läßt sich R1 mit dem Ohmschen Gesetz berechnen. Allerdings ist der Wert für R1 nicht so kritisch. Man kann als Standard 4,7 oder auch 10 oder 20 Kiloohm nehmen. Benutzt man Transistoren mit hoher Stromverstärkung dann eher 20 Kiloohm oder etwas mehr.

Da der Gesamtstrom, der in die Schaltung hineinfließt, fast nur vom Sollstrom bestimmt wird und der Basisstrom am Transistor T1 nur sehr gering ist, kann man die LED auch vor die Schaltung setzen.


konstantstromquelle3.gif

Hier sitzt die LED vor der Schaltung



Messungen an der Schaltung

Wie schon erwähnt ist die Stabilisierung des Stromes bei dieser Schaltung nicht ganz so exakt. Daher habe ich eine kleine Meßreihe von Strom und Spannung gemacht. Die Spannungen wurden von 2 bis 24 Volt in 1 Volt-Schritten erhöht, und jedesmal der Strom gemessen. Das Amperemeter wurde anstelle der LED eingebaut.


konstantstromquelle3mess.gif

Messung von Spannung und Strom an der Schaltung



Spannung in V Strom in mA Spannung in V Strom in mA
1,5 16,7 13 24,8
2 18,9 14 25,0
3 20,3 15 25,3
4 21,2 16 25,6
5 21,8 17 25,9
6 22,3 18 26,2
7 22,7 19 26,5
8 23,1 20 26,7
9 23,4 21 27,0
10 23,7 22 27,3
11 24,1 23 27,5
12 24,4 24 27,8

Trägt man die Daten in ein Diagramm, so erhält man die Kennlinie der Schaltung. Wie man sieht fällt die Kennlinie unter 3 Volt immer steiler ab. Bei 24 Volt beträgt der Strom immerhin schon 28 mA! Trotzdem ist das noch im grünen Bereich, da LEDs einen Durchlaßstrom von etwa 50 mA vertragen.


konstantstromquelle.gif

Die selbst gezeichnete Kennlinie der Schaltung



Einstellbarer Strom

Schaltet man zum Widerstand R2 ein Poti in Reihe, dann läßt sich der Strom vom Maximalwert (der von R2 bestimmt wird) herunterregeln.


konstantstromquelle4.gif

Konstantstromquelle mit einstellbaren Strom


Wie weit man den Strom herunterregeln kann, hängt vom Wert des Potis P1 ab. Je größer dessen Wert ist, desto kleinere Ströme lassen sich einstellen. Bei dem Poti in der Schaltung beträgt der kleinste Strom:


konstantstrom4.gif

Man kann den Strom hier also zwischen 18 Milliampere und 1,4 Milliampere einstellen. Nimmt man ein Poti mit 1 Kiloohm, beträgt der kleinste einstellbare Strom:


konstantstrom5.gif

Bei einem Poti mit großem Wert wird der Einstellbereich größer, d. h. ein bestimmter Wert läßt sich nicht mehr so genau einstellen.


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