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Konstantstromquelle

Eine Konstantstromquelle ist eine Schaltung, deren Zweck es ist, den Strom durch eine Last (z. B. eine LED) möglichst konstant zu halten, das heißt Änderungen des Stroms durch Variationen der Betriebsspannung und/oder des Lastwiderstands entgegen zu wirken.

Es gibt viele verschiedene Schaltungen, die zu diesem Zweck eingesetzt werden. Sie unterscheiden sich in ihrer Präzision, der minimalen und maximalen Betriebsspannung, und dem Bauteilaufwand. Es sollen hier nur einige besonders einfache Schaltungen vorgestellt werden.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Konstantstromquelle mit J-FET

[Bearbeiten] Beschreibung

Eine sehr einfache Konstantstromquelle lässt sich mit einem JFET realisieren. Der resultierende Strom ist durch den verwendeten FET bestimmt, dabei wird die Eigenschaft genutzt, dass der JFET selbstleitend ist, also bei einer Gate-Source-Spannung von 0V seinen maximal möglichen Strom leitet und bei ansteigender negativer Gate-Source-Spannung U_GS den Drain-Source-Kanal zunehmend abschnürt. Es werden Bauteile angeboten, bei denen die Verbindung zwischen Gate und Source des FET schon intern vorgenommen wurde (Konstantstromdiode, engl. current regulator diode). Diese werden mit engeren Toleranzen gefertigt und erlauben daher eine genauere Definition des Stroms. Außerdem benötigen diese keinen Widerstand in der Sourceleitung und brauchen damit weniger Spannungsabfall zum Betrieb.

[Bearbeiten] Vorteile

  • Großer Betriebsspannungsbereich, nach oben nur durch die maximale Drain-Source-Spannung (V_DS) des FETs und seine maximale Verlustleistung begrenzt.
  • geringe Sättigungsspannung über dem FET, typ. 0,5V
  • weitestgehend temperaturunabhängig

[Bearbeiten] Nachteile

  • Beeinflussung durch Toleranzen der Fertigungsparameter des FET, typ +/- 10%
  • Selbstleitende FETs für Ströme größer als 30mA sind selten und entsprechend teuer[1]

[Bearbeiten] Schaltung

Bild:Konstantstrom.gif

[Bearbeiten] Weblinks

[Bearbeiten] Konstantstromquelle mit bipolaren Transistoren

UBE-Konstantstromquelle

Die auch als UBE-Konstantstromquelle bekannte Stromquelle funktioniert folgendermassen:

Wenn die Spannung über R1 die Basis-Emitter-Flussspannung (verwendeter BC546: 0,6V) von T2 überschreitet, schaltet T2 durch. Dadurch wird die Basis von T1 geräumt und damit gesperrt. Der Strom durch T1 und damit die Spannung über R1 sinkt, wodurch T2 wieder zu sperren beginnt, was T1 wieder leiten lässt. So pendelt diese Schaltung auf die konstante BE-Spannung von ca. 0,6..0,7V – je nach verwendetem Transistor – über R1 ein. Weil R1 konstant ist hat dies einen konstanten Strom durch T2 zur Folge. R1 berechnet sich daher wie folgt:

\begin{align} R & = \frac{U}{I}\\ R1 & = \frac{U_{BE,T2}}{I_{\text{soll}}} = \frac{0.6\text{V}}{I_{\text{soll}}} \end{align}

R2 wird so ausgelegt, dass T1 grundsätzlich sättigen kann. Siehe dazu Basiswiderstand. Ein guter Richtwert bei 5V Vcc ist 4,7kΩ.

Anstatt T2 kann auch eine Leuchtdiode verwendet werden, dazu den Basisanschluss weglassen. Die LED leuchtet auf, wenn die Stromquelle regelt, und verlischt bei Leerlauf. So lassen sich einfache Konstantstrom-Ladegeräte mit Kontrollanzeige aufbauen.

Eine temperaturstabile Präzisions-Stromquelle entsteht durch Ersetzen von T2 durch einen TL431[1].

[Bearbeiten] Vorteile

  • gut bei niedriger Betriebsspannung, da Schaltung bereits mit kleiner Restspannung von
U_{BE,T2}+U_{CE,T1} \approx 0{,}65\,\text{V}+0{,}15\,\text{V}
am Transistor läuft und die Regelung auch dann erfolgt, wenn nur noch wenige hundert mV zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T1 anliegen.
  • Ausschließlich "Allerweltsteile", d.h. kann aus Resten aus der Bastelkiste aufgebaut werden

[Bearbeiten] Nachteile

  • nicht temperaturkompensiert. Strom schwankt um
\frac{\Delta U_{BE}}{R1} \quad\text{ mit }\quad \Delta U_{BE} \left(\Delta\vartheta\right) \approx -1{,}7 \,\frac{\text{mV}}{\text{K}} \cdot \Delta\vartheta
Das sind etwa 2,6% pro 10°C
Analyse bei steigender Versorgungsspannung

[Bearbeiten] Weblinks

[Bearbeiten] Stromspiegel als Konstantstromquelle

Stromspiegel mit Widerstand

Bei stabiler Versorgungsspannung eignet sich ein Stromspiegel mit Widerstand als Spannungs-Stromwandler und findet sich beispielsweise in älteren Operationsverstärkern wie dem LM741. Das Konzept des Stromspiegels wird an dieser Stelle nicht weiter erläutert.

Die Widerstände R2 und R3 reduzieren die Auswirkungen von Bauteiltoleranzen und der Temperaturdrift. Als grober Richtwert sollte deren Spannungsabfall 0,2 V oder mehr betragen. T1 und T2 sind identische Transistortypen (z.B. BC557B), die idealerweise von einer Bauteilrolle stammen.

Bei geeigneter Wahl von R2 und R3 oder Parallelschaltung von Transistoren wird aus dem Stromspiegel ein Stromvervielfacher. Bei gleichen Transistoren und gleichen Widerständen entsteht ein 1:1 Stromspiegel.

Berechnung:

UB und der gewünschte Strom I sind bekannt

I_{ref} = \frac{U_B - 0{,}65 V}{R1+R2} (Ausgangsformel)
R3 = R2 (1:1 Stromspiegel)
I = Iref
R1 + R2 = R_g = \frac{U_B - 0{,}65 V}{I}
U_{R2} \approx 0{,}2 V
R2 = \frac{U_{R2}}{I}=\frac{0{,}2 V}{I}
R1 = Rg − R2

[Bearbeiten] Vorteile

  • wenige, günstige Bauteile
  • sehr einfache Konstruktion
  • mäßiger Spannungsabfall (ca. 1V)
  • schnell da keine ausgeprägte Rückkopplung vorhanden
  • zur Stromsenke umformbar (Überkopf stellen und npn-Typen verwenden)

[Bearbeiten] Nachteile

  • geringer Wirkungsgrad, doppelt wegen Referenzstrom
  • mäßig hoher Quellenwiderstand (einfacher Stromspiegel)

[Bearbeiten] PTAT-Konstantstromquelle

→ siehe PTAT-Stromquelle

[Bearbeiten] Konstantstromquelle mit Linearreglern

[Bearbeiten] Grundschaltung mit LM317

Konstantstromquelle mit LM317

Eine sehr einfache, günstige und doch genaue Konstantstromquelle kann mittels LM317 aufgebaut werden. Für einen LED Strom von 20mA ist ein R1 von 62,5 Ω erforderlich, praktisch wird man 68Ω wählen. Dabei ist zu beachten, daß die Eingangsspannung Vin mindestens 3,5V + Uf,LED (Flußspannung der LED) betragen muss.

[Bearbeiten] Vorteile

  • temperaturstabil
  • sehr wenige, billige Bauteile

[Bearbeiten] Nachteile

  • Überschwinger beim Einschalten können vorkommen, so dass sensible Lasten zerstört werden können.
  • Hohe Spannungsabfall über der Schaltung von mind. 3,5V
  • Verlustleistung
PV_\text{LM317} = I_\text{out}\cdot (V_\text{in}- U_\text{f,LED} -1,25\,\mathrm V)
  • Abhängig vom Gehäuse ist bei höheren Eingangsspannungen ein Kühlkörper am LM317 nötig:
    • TO220: 1W
    • TO92: 500mW
    • SO-8: 600mW
  • Bei niedrigen Strömen unter 3.5 mA ungenau (min. Load Current 3.5 mA laut Datenblatt)

[Bearbeiten] Schrittweise einstellbare Variante

Eine schrittweise voreinstellbare Variante der Grundschaltung wurde 2008 von einem Mitarbeiter von National Semiconductor (Hersteller des LM317) im EDN-Magazin vorgestellt: Programmable current source requires no power supply. Dabei ist hier mit programmable manuell voreinstellbar gemeint, nicht Mikrocontroller-gesteuert. Auch der Teil des Titles requires no power supply ist irreführend. Die Konstantstromquelle benötigt sehr wohl eine externe Stromversorgung. Die Schaltung benötigt lediglich keine zusätzlichen Hilfsspannungen, entspricht sie doch der oben genannten Grundschaltung.

Mittels dreier 0−9 BCD-Schalter werden geschickt gewählte Widerstände zwischen ADJ und OUT parallel geschaltet. Die Widerstände sind so gewählt, dass der erste Schalter mit seinen zehn Stellungen und Widerständen zwischen 0 mA und 9 mA in 1 mA Schritten zum Gesamtstrom beiträgt, der zweite 0 mA bis 90 mA in 10 mA Schritten und der dritte 0 mA bis 900 mA in 100 mA Schritten.

In dieser Kombination ergibt das eine einstellbare Konstantstromquelle bis 999 mA in 1mA-Schritten bei rund 2% Genauigkeit.

Insgesamt werden

  • 45 Widerstände, alle 1%, 1/4 W
    • 15 × 1,24 kΩ
    • 15 × 124 Ω
    • 15 × 12,4 Ω
  • ein LM317
  • drei 0−9 BCD-Schaltern und
  • Gehäusematerial (Gehäuse, Kühlkörper für den LM317, Polklemmen, ...)

benötigt.

Der LM317 wird bei dieser einstellbaren Stromquelle gerade noch innerhalb seiner Spezifikation betrieben - wenn man den Spannungsabfall über ihn gering hält. Im Stromquellen-Beispiel im Datenblatt wird ein maximaler Widerstand von 120 Ω genannt, wohingegen die einstellbare Stromquelle bis zu 1,24 kΩ (nominell 1 mA Ausgangsstrom) und ∞ Ω (offen, nominell 0 mA Ausgangsstrom) verwendet. Mit etwas Geduld kann man aus dem Datenblatt herauslesen, dass 1,24 kΩ gerade noch ausreichen, damit die Regelung des LM317 nicht aussetzt. Dies findet man im Datenblatt in der Graphik Minimum Operating Current und im Beispiel 1.2V-20V Regulator with Minimum Program Current. Mit ∞ Ω ist man definitiv außerhalb des Arbeitsbereiches.

Der Strom bei der Einstellung 000 mA (Widerstand → ∞ Ω, d.h. offen) entspricht nicht 0,0 mA, sondern dem Strom aus dem ADJ-Anschluss für den nicht spezifizierten Fall, dass der LM317 außerhalb seines Arbeitsbereiches betrieben wird. Die im Datenblatt angegebenen 50 µA (typ.), 100 µA (max.) für den Arbeitsbereich können dabei je nach Exemplar überschnitten werden und sind nicht konstant.

Die Messung an neueren Chargen (gefertigt nach 2006) des LM317 diverser Hersteller zeigt, dass auch 1mA nicht sicher erreichbar sind. Es ist vielmehr so, das diese KSQ erst korrekt ab 003 mA bis hoch zu den 999 mA funktioniert. Das heißt konkret, die Einstellungen 000 mA, 001 mA und 002 mA sind nicht mehr stromstabilsiert. Das sollte man beachten, sofern man unbedingt den LM317 bei sehr kleinen Strömen einsetzen möchte.

In der Praxis lohnt es sich besonders bei kleinen Strömen ein Strommessgerät in Reihe zu schalten. Dabei ist Vorsicht bei billigen Multimetern geboten[2]. Deren niedrige Strommessbereichen sind häufig mit einer 200 mA oder 250 mA Schmelzsicherung abgesichert. Schaltet man die Stromquelle versehentlich über 200 mA, beziehungsweise 250 mA, ist ein Sicherungswechsel fällig.

[Bearbeiten] Weblinks

[Bearbeiten] Preise

LM317
  • TO3: 1,90 €
  • TO-220: < 0,25 €
  • TO-92: < 0,15 €
  • SO-8: < 0,20 €

[Bearbeiten] Andere Linearregler

Der zuvor beschriebene LM317 eignet sich besonders gut als Stromquelle, da er seine Regelspannung auf der 'high-side' erwartet (1,25 V zwischen Vout und ADJ) und man den Regelpfad als Konstantstrompfad missbrauchen kann (ADJ als Ausgang nach GND, wobei der Strom über den Widerstand und nicht von ADJ geliefert wird)).

[Bearbeiten] Mittels Shunt und Messverstärker

Die meisten anderen Linearregler messen ihre Regelspannung im Bezug auf GND. Um einen solchen Regler als Konstantstromquelle zu benutzen, kann man einen Stromsensor und einen Messverstärker verwenden. Letzterer steuert dann die Regelung des Linearreglers. Maxim hat in [2] ein Beispiel veröffentlicht, das so oder so ähnlich auch mit anderen Linearreglern funktioniert. Maxim misst den Strom auf der Eingangsseite. Vorteil: der Innenwiderstand des Ausgangs des Linearreglers wird durch den Messwiderstand nicht erhöht. Nachteil: Der Eigenverbrauch des Linearreglers wird mitgemessen.

Man kann den Strom auch auf der Ausgangsseite messen.

Das gleiche Prinzip funktioniert für Schaltregler, siehe zum Beispiel LM2576 Step Down auf dieser Seite.

[Bearbeiten] Im Regelpfad - High-Side 

             .-----------.
VCC       IN |           | OUT
 ------------o           o------>----.
             |           |      I    |                 |
             |           |           |                 |
             |           |          .-.                |
             |           |          | |                |
             |           |          | |  Rload, R1     |
             |           |          '-'                |
             |           |           |                 |
             |           | FB        |                 |
             |           o------<----o                 |Vout
             |           |    Iref   |        |        |
             |           |           |        |        |
             |           |          .-.       |        |
             |           |          | |       | Vref   |
             |           |          | |  R2   |        |
             '-----o-----'          '-'       |        |
                   | GND             |        |        |
                   |                 |        |        |
                  ===               ===       v        v
                  GND               GND



                            Iref << I


Die meisten einstellbaren Linearregeler werden durch einen Spannungsteiler (R1, R2) zwischen Ausgangsspannung (Vout) und Masse (GND) eingestellt. Der Spannungsteiler wird dabei so dimensioniert, dass eine vorgegebene Spannung Vref (meist 1,25 V) gegen GND an der Anzapfung des Spannungsteilers abfällt, die dann zum Regeleingang des Linearreglers geführt wird. Dabei wird üblicherweise angenommen, dass der Strom Iref in den Regler hinein vernachlässigbar ist.

Dann gilt für den Strom I im Spannungsteiler:

I = I_{R_1} = I_{R_2} = \frac{V_\text{out}}{R_1 + R_2}

und

I_{R_2} = \frac{V_\text{ref}}{R_2}

Der Strom I im Spannungsteiler ist somit alleine durch Wahl von R2 bestimmt und unabhängig von R1 bei vorgegebenem R2.

Ersetzt man daher R1 durch die Last, so erzeugt der Linearregler durch Steuerung von Vout einen konstanten Strom

I = \frac{V_\text{ref}}{R_2}

durch die Last.

Dabei muss man die Grenzen des Linearreglers beachten:

Der maximale Strom Imax des Reglers darf nicht überschritten werden. Damit die Annahme gilt, dass der Reglerstrom Iref gegenüber dem Strom I im Spannungsteiler vernachlässigbar ist muss R2 klein gegenüber dem Innenwiderstand des Regeleingangs sein. Dass bedeutet, dass R2 so zu wählen ist, dass immer gilt:

\frac{V_\text{ref}}{I_\text{max}} \leqq R_2 \ll R_\text{in,ref} = \frac{V_\text{ref}}{I_\text{ref}}

Es muss ein Minimalstrom Imin durch den Spannungsteiler fließen, damit die Regelung nicht aussetzt. Für diesen Strom gilt gegenüber dem Regelstrom Iref:

I_\text{min} = \frac{V_\text{out,min}}{R_1 + R_2} \gg I_\text{ref}

Mit

V_\text{out,min} = V_\text{ref}\,

folgt

R_1 \ll \frac{V_\text{ref}}{I_\text{ref}} - R_2 = R_\text{in,ref} - R_2

Angenähert:

R_\text{load} \approx R_1 \ll \frac{V_\text{ref}}{I_\text{ref}}

Neben diesen Einschränkungen ist auch zu beachten, dass Die Last R1 auf der High-Side hängt und nicht gegen GND.

[Bearbeiten] Konstantstromquelle mit Schaltregler

[Bearbeiten] MC34063, Step Up

[Bearbeiten] Beschreibung

Der Ausgangsstrom beträgt 1,25V/Rx. Die Stromquelle ist nicht kurzschlussfest. Der Widerstand Rsc dient der Strombegrenzung der einzelnen Strompulse (Schaltregler), was u.a. einen gewissen Überlastschutz für den MC34063 darstellt. Rsc = 0.3/I_max, wobei I_max der maximale Pulsstrom ist und dieser kleiner 1.5A sein muss, weil der IC nicht mehr hergibt. In den meisten Anwendung nimmt man hier 0,22Ω oder mehr. Das Ganze kann man z. B. für mehrere LEDs in Reihe verwenden um diese mit 5V oder mit 4x 1,5V Batterien zu betreiben. Weiterhin ist zu beachten, dass die Schaltung nicht leerlauffest ist: Im Leerlauf läuft die Spannung auf >40V, und dann geht der MC34063 kaputt. Daher sollte man zur Sicherheit eine Z-Diode parallel zum Ausgang legen, deren Z-Spannung 2..3V über der maximal zu erwartenden Ausgangsspannung liegt, wenn es passieren kann, dass die Last abgeklemmt wird. Aufgrund des Elkos am Ausgang ist die Stromquelle recht träge. R1 dient dazu den MC34063 vor dem Stromstoß zu schützen, wenn sich der Elko in eine zu kleine Last entlädt und der Strom kurzzeitig höher als der eingestellte Wert wird. Die Bauteilwerte sind alle relativ unkritisch. Je nach Betriebsspannung sind die Bauteilwerte etwas anzupassen um den optimalen Wirkungsgrad und die beste Performance zu erzielen. Die eingezeichneten Bauteilwerte sind für geringe Ströme (<100mA) und Eingangsspannungen zwischen 5 und 15V ausgelegt. R2 sollte bei hohen Spannungen vergrößert werden. Wie man die Werte genau berechnet, steht in der Application Note AN920/D. http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN920-D.PDF

Stromquellen sollten grundsätzlich keinen Ausgangselko aufweisen! Wie die Schaltregler-Schaltung dann stabil arbeitet muss gesondert herausgefunden werden.

[Bearbeiten] Schaltung

Bild:mc34063_constant_current.gif

[Bearbeiten] Vorteile

  • überschüssige Spannung wird nicht verheizt

[Bearbeiten] Nachteile

  • nicht kurzschlussfest
  • ohne Z-Diode D2 nicht leerlauffest
  • träge beim Einschalten

[Bearbeiten] MC34063, Step Down

[Bearbeiten] Beschreibung

Die Step-Down Version funktioniert im Prinzip genauso wie die normale, lineare Konstantstromquelle, nur dass die ungenutzte Spannung nicht sinnlos verheizt wird. Die Eingangsspannung muss mindestens 2V größer sein als die Ausgangsspannung.

Diese Version ist auch ohne die Z-Diode leerlauffest. Kurzschlussfest wird sie durch Rsc. Allerdings entlädt sich der Elko erstmal in die Last, wenn man diese im Betrieb anklemmt. Dadurch kann die Last und der MC34063 beschädigt werden, der Widerstand R1 verhindert aber letzteres.

Bei der Step-Down Version kann man die Elkos etwas kleiner machen, als bei der Step-Up Version, da der Stromfluss durch die Spule in die Last nahezu konstant ist. Wenn man die Spule vergrößert, wird der Strom gleichmäßiger und man kann die Elkos verkleinern. Allerdings wird der Wirkungsgrad aufgrund des höheren Gleichstromwiderstands der Spule schlechter und die Schaltung reagiert langsamer auf Laständerungen. Wie immer ist es also ein Kompromiss zwischen Wirkungsgrad, Kosten und Bauteilgröße.

Konstantstromregler sollten grundsätzlich keinen Ausgangskondensator haben, weil dieser den gewünschten Regeleffekt zunichte macht. Wie die Rückführung zum Regelverstärker im Schaltregler regelschwingungsfrei gemacht wird muss dann gesondert herausgefunden werden.

[Bearbeiten] Schaltung

Bild:mc34063_constant_current_2.gif

[Bearbeiten] Vorteile

  • überschüssige Spannung wird nicht verheizt
  • leerlauf
  • kurzschlussfest

[Bearbeiten] Nachteile

  • träge beim Ausschalten

Besser ist hier eine Konstantstromquelle fuer Power LED.

[Bearbeiten] LM2576 Step Down

In einem Thread im Forum (http://www.mikrocontroller.net/topic/97838#new) wird folgende Schaltung genannt: http://www.mikrocontroller.net/attachment/34179/current_source.pdf Vollständiger Artikel: http://www.ednasia.com/article-621-switchingregularformsconstantcurrentsource-Asia.html

[Bearbeiten] Konstantstromquelle mit Komparatoren

[Bearbeiten] Einfache Abwärtswandlung (Vout < Vin)

[Bearbeiten] Beschreibung

Diese Schaltung wurde eigentlich für 1W LEDs entworfen, kann aber sicherlich auch anderweitig verwenden werden. Sie ähnelt sehr der eines vollintegrierten Schaltreglers wie MC34063 oder LM2576, ohne jedoch einen solchen zu verwenden. Der Komparator vergleicht den Spannungsabfall über einem Shunt mit dem einer Referenzspannungsquelle. Ist die Spannung über dem Shunt zu groß, so schaltet er ab und der P-Kanal MOSFET sperrt. Umgekehrt, ist die Spannung über dem Shunt kleiner als die Referenzspannung, leitet der P-FET. Q4 arbeitet als Konstantstromquelle und sorgt dafür, dass die Gateansteuerung auch bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen immer gleich bleibt. Die Referenzspannung von 100mV wird hier einfach durch eine Z-Diode und einen Spannungsteiler eingestellt. Für D4 muss eine schnelle Diode eingesetzt werden, entweder eine Schottkydiode oder schnelle Siliziumdiode! Q2 und Q3 dienen als sehr einfacher MOSFET-Treiber. D3 ist nur aus Sicherheitsgründen vorhanden, um die Gate-Source Spannung des MOSFETs zu begrenzen, sie kann ggf. auch weggelassen werden. Über den Anschluß PWM kann ein invertiertes PWM-Signal zur Dimmung eingespeist werden. Hierbei muss das PWM-Signal im HIGH-Zustand größer als ca. 1V sein, ein einfaches 3,3V oder 5V Logiksignal ist also voll OK.

Der Ausgangsstrom kann durch Veränderung von R1 eingestellt werden. Der Wert kann einfach über die Formel

I_{aus}=\frac{V_{Ref}}{R1} = \frac{100mV}{R1}

bestimmt werden.

[Bearbeiten] Schaltung

Platinendatei im Eagle-Format gibt es hier.

Einfacher Stromregler aus Standardbauteilen
Beispiel eines Platinenlayouts


[Bearbeiten] Vorteile

  • Kurzschlussfest
  • guter Wirkungsgrad bei hohen Eingangsspannungen, Energie wird nicht wie bei einem Linearregler in Wärme umgesetzt
  • einfachste Komponenten
  • sehr preiswert, max. 2 EUR
  • Dimmung per PWM möglich
  • Eingangsspannungsbereich sehr groß, ca. 6-30V
  • sehr einfach auch auf anderen Strom einstellbar


[Bearbeiten] Threads im Forum

[Bearbeiten] Weblinks

[Bearbeiten] Fußnoten

  1. ↑ Es gibt aber einige Depletion-Mode Mosfets mit sehr hohen Sperrspannungen und z.T. auch grösseren Strömen.
  2. ↑ Bei billigen Multimetern ist auch aus anderen Gründen immer Vorsicht geboten. Siehe Schwerpunktaktion „Handmultimeter“ der hessischen Marktüberwachung ...
Von „http://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle“
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