Konstantstromquelle

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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 infolge von Lastwiderstandsänderung durch Variation der Betriebsspannung und/oder des Innenwiderstands entgegen zu wirken.

Es gibt, je nach Erfordernissen unterschiedliche Schaltungen, die zu diesem Zweck eingesetzt werden. Sie unterscheiden sich in ihrer Präzision (d.h. der Regelgenauigkeit und Regelgeschwindigkeit), der erforderlichen Betriebsspannung (wegen der benötigten Spannungsregelreserve) sowie den Kosten aufgrund des jeweiligen Bauteilaufwands.

Es sollen hier nur einige besonders einfache Schaltungen vorgestellt werden.

Konstantstromquelle mit J-FET

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 haben damit weniger Spannungsabfall im Betrieb.

Vorteile

  • Großer Betriebsspannungsbereich, nach oben nur durch die maximale Drain-Source-Spannung (V_DS) des FETs und seine maximale Verlustleistung begrenzt.
  • Einfachster Aufbau

Nachteile

  • Beeinflussung durch Toleranzen der Fertigungsparameter des FET, typ. +/- 10%
  • hohe Sättigungsspannung über dem FET, typ. 1-3V
  • nur mäßig temperaturstabil
  • selbstleitende FETs für Ströme größer als 30mA sind selten und entsprechend teuer[1]

Schaltung

Konstantstrom.gif

Weblinks

Weblinks


Konstantstromquelle mit bipolaren Transistoren

UBE-Konstantstromquelle

Die auch als UBE-Konstantstromquelle bekannte Stromquelle funktioniert folgendermaßen: Über R2 wird ein Strom in die Basis von T1 eingespeist, dadurch fließt in T1 ein Kollektorstrom, welcher gleichzeitig der Laststrom ist, welcher konstant gehalten werden soll. Die Summe aus Kollektor- und Basisstrom von T1 fließt durch R1 und erzeugt über ihm einen Spannungsabfall. Wenn die Spannung über R1 die Basis-Emitter-Flußspannung von T2 überschreitet (ca. 0,7V), beginnt ein Kollektorstrom durch T2 zu fließen. Dadurch fließt ein Teil des Basisstroms von T1 in den Kollektor von T2 ab. Da der Basisstrom von T1 nun nicht weiter ansteigen kann, weil jeder Zuwachs als Kollektorstrom von T2 abfließt, bleibt der Strom durch R1 und damit auch die Last konstant. So stellt sich diese Schaltung auf eine konstante BE-Spannung von ca. 0,7V über R1 ein, je nach verwendetem Transistor. R1 berechnet sich daher wie folgt:

[math]\displaystyle{ \begin{align} R1 & = \frac{U_{BE,T2}}{I_{\text{soll}}} = \frac{0.7\text{V}}{I_{\text{soll}}} \end{align} }[/math]

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].

Vorteile

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

Nachteile

  • Nicht temperaturkompensiert, der Strom schwankt um ca. 0,26%/K
[math]\displaystyle{ \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 }[/math]
Analyse bei steigender Versorgungsspannung


Konstantstromquelle mit Operationsverstärker und Transistor

Darlingtontransistor

Konstantstromquelle mit OPV und Bipolartransistor

Der Strom, welcher konstant gehalten werden soll, wird durch R1 gemessen (Shunt). Nachteilig ist, dass der Basisstrom von T1 nicht durch die Last fließt, aber durch R1 und somit die Konstantstromregelung verfälscht. Als Gegenmaßnahme nutzt man einen Darlingtontransistor mit sehr hoher Stromverstärkung von 1000 und mehr, was bedeutet, dass der verfälschende Basisstrom nur noch 1 Promille Fehler verursacht. Der OPV arbeitet als Spannungsfolger und versucht, die Spannung am - Eingang so groß wie am + Eingang zu halten. Ist z.B. die Spannung am - Eingang etwas kleiner als am + Eingang (Bruchteile von mV!), dann steigt die Ausgangsspannung des OPV um einige mV und erhöht damit die Basis-Emitter-Spannung von T1 und damit den Basisstrom. Dadurch fließt ein höherer Kollerktorstom, welcher wiederum einen höheren Spannungsabfall über R1 verursacht, bis die Spannungen am - und + Eingang des OPV wieder absolut gleich sind (die Offsetspannung wird hier zunächst vernachlässigt). Die Beispielschaltung hier ist bei ausreichender Kühlung für T1 für ca. 1A brauchbar. Der Strom wird mit 0-100mV eingestellt. Der Basiswiderstand R2 wird nicht klassisch berechnet, da er hier eine etwas andere Funktion hat. Er dient mehreren Zwecken:

  • Strombegrenzung des OPV im Extremfall, wenn die Last am Kollektor nicht angeschlossen ist. Dann versucht der OPV mit maximaler Ausgangsspannung den Strom durch R2 zu treiben, schafft das aber nicht.
  • Verringerung der Verstärkung des Regelkreises. Damit kann man je nach Schaltung und OPV den Regelkreis stabil bekommen, falls er schwingt. Das ist auch von der internen Kompensation des OPVs abhängig und kann sehr verschieden sein.
  • Schutz des OPV-Ausgangs im Fall der Überlastung von T1. Sollte dieser wegen Überlastung, Überspannung etc. kaputt gehen, so kann die Kollektorspannung an den OPV-Ausgang gelangen und diesen zerstören. Durch R2 wird der Strom begrenzt und damit eine Zerstörung verhindert.

Die Dimensionierung ist ein Kompromiss dieser drei Aufgaben, wobei man entscheiden muss, welche wichtiger ist. Um den den optimalen Wert zu finden, muss man meist auch einige Versuche durchführen. Wichtig sind R3 und C1. In vielen Schaltungen im Internet fehlen sie, die Spannung über R1 geht direkt an den - Eingang des OPV. Das ist aber falsch und funktioniert oft nur durch Zufall. Denn R3 und C1 sind wichtig für die Frequenzgangkompensation des OPV. Die Schaltung ist ein Regelkreis und diese sind für notorische Instabilitäten bekannt, d.h. sie schwingen. Durch Rechnung oder Probieren muss der richtige Wert für R3 und C1 gefunden werden, bei denen die Stromquelle ausreichend schnell reagiert ohne zu schwingen. Testen kann man das u.a. dadurch, dass man einen Sprung auf den Eingang gibt, z.B. mit einem Funktionsgenerator oder einfach einem NE555 als Taktgeber. Dabei beobachtet man die Spannung über R1 mit dem Oszilloskop, ggf. auch am Ausgang des OPV. Hier sieht man wie schnell die Stromquelle reagiert und ob sie schwingt.

Vorteile

  • Große Ströme können sehr genau und schnell geregelt werden, nur durch T1 und dessen Kühlung begrenzt
  • einfacher Aufbau mit Standardkomponenten
  • wird oft als Stromregler in elektronischen Lasten benutzt

Nachteile

  • hohe Verlustleistung bei kleinen Lastwiderständen und hoher Betriebsspannung (lineare Stromquelle)
  • nur Einquadrantenbetrieb möglich

Kompensierter Basisstrom

Konstantstromquelle mit OPV und Bipolartransistor, Basisstrom kompensiert

Alternativ kann man mit gerade mal zwei clever platzierten Widerständen den Fehler des Basisstroms nahezu vollständig kompensieren, wie es in diesem Artikel in Figure 3 dargestellt ist. Das hat den Vorteil, dass man einfache Bipolartransistoren nutzen kann, welche deutlich höhere Grenzfrequenzen als Darlingtons aufweisen. Damit die Schaltung funktioniert, müssen die Widerstände 1% Toleranz haben und folgende Dimensionierungen eingehalten werden.

[math]\displaystyle{ \frac{R2}{R1} =\frac{R5}{R4}, R3=R4, R5=R6, R5\gt \gt R4 }[/math]

R1 und R2 werden durch den zu regelnden Strom bestimmt und sind eher klein. Die Widerstände R3-R6 bilden eine Brückenschaltung, die nur im ausgeregelten Zustand praktisch 0V Brückenspannung hat. Bei einem Stromverstärkungsfaktor von Q1 von z.B. 25 mit 4% Fehler im Kollektorstrom erreicht man eine Reduktion um ca. Faktor 100 auf 0,04%, was einem scheinbaren Stromverstärkungsfaktor von 2500 entspricht! Eingangswiderstände an beiden OPV-Eingängen (R3, R4) sind gleich, damit werden Offsetfehler durch den Eingangsstrom kompensiert.

MOSFET

Konstantstromquelle mit OPV und N-Kanal-MOSFET

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines MOSFET, dieser hat Gateströme (Leckströme) im Bereich von unter einem Mikroampere. Dieser Fehler fällt bei 99,9% der Anwendungen nicht ins Gewicht. Prüfen sollte man dabei, dass der MOSFET für Linearbetrieb geeignet ist, denn das sind viele Hochleistungs-MOSFETs nicht! Hier wird noch ein zusätzlicher Widerstand vor dem Gate des MOSFETs geschaltet, um die hohe Kapazität des Gates vom OPV-Ausgang zu entkoppeln, welche viele OPVs wieder instabil machen würde. Der Nachteil des MOSFETs sind seine relativ hohen Eingangs- und Ausgangskapazitäten, welche bei höheren Frequenzen Probleme machen bzw. dort den Ausgangswiderstand vermindern.

Weblinks

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 den 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:

Die Versorgungsspannung UB und der gewünschte Strom I sind bekannt

[math]\displaystyle{ I_{ref} = \frac{U_B - 0{,}65 V}{R1+R2} }[/math] (Ausgangsformel)
[math]\displaystyle{ R3 = R2 }[/math] (1:1 Stromspiegel)
[math]\displaystyle{ I = I_{ref} }[/math]
[math]\displaystyle{ R1 + R2 = R_g = \frac{U_B - 0{,}65 V}{I} }[/math]
[math]\displaystyle{ U_{R2} \approx 0{,}2 V }[/math]
[math]\displaystyle{ R2 = \frac{U_{R2}}{I}=\frac{0{,}2 V}{I} }[/math]
[math]\displaystyle{ R1 = R_g - R2 }[/math]

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)

Nachteile

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

PTAT-Konstantstromquelle

→ siehe PTAT-Stromquelle

Konstantstromquelle mit Linearreglern

Grundschaltung mit LM317

Konstantstromquelle mit LM317

Eine sehr einfache, günstige und doch genaue Konstantstromquelle kann mittels LM317 aufgebaut werden (R_1 = 1,25 V / I_out). 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.

Vorteile

  • temperaturstabil
  • sehr wenige, billige Bauteile

Nachteile

  • Überschwinger beim Einschalten können vorkommen, so dass sensible Lasten zerstört werden können.
  • Hoher Spannungsabfall über der Schaltung von mind. 3,5V
  • Verlustleistung
[math]\displaystyle{ PV_\text{LM317} = I_\text{out}\cdot (V_\text{in}- U_\text{f,LED} -1,25\,\mathrm V) }[/math]
  • 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)

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-Schalter 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 Grafik 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 Strommessbereiche 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.

Weblinks

Preise

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

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)).

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.

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:

[math]\displaystyle{ I = I_{R_1} = I_{R_2} = \frac{V_\text{out}}{R_1 + R_2} }[/math]

und

[math]\displaystyle{ I_{R_2} = \frac{V_\text{ref}}{R_2} }[/math]

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

[math]\displaystyle{ I = \frac{V_\text{ref}}{R_2} }[/math]

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:

[math]\displaystyle{ \frac{V_\text{ref}}{I_\text{max}} \leqq R_2 \ll R_\text{in,ref} = \frac{V_\text{ref}}{I_\text{ref}} }[/math]

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

[math]\displaystyle{ I_\text{min} = \frac{V_\text{out,min}}{R_1 + R_2} \gg I_\text{ref} }[/math]

Mit

[math]\displaystyle{ V_\text{out,min} = V_\text{ref}\, }[/math]

folgt

[math]\displaystyle{ R_1 \ll \frac{V_\text{ref}}{I_\text{ref}} - R_2 = R_\text{in,ref} - R_2 }[/math]

Angenähert:

[math]\displaystyle{ R_\text{load} \approx R_1 \ll \frac{V_\text{ref}}{I_\text{ref}} }[/math]

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

Praxisbeipspiel:
Der LDO-Regler "AP7331-WG-7" arbeitet mit einer niedrigen Referenzspannung von nur 0,4V und die Dropout-Spannung beträgt bei 140mA auch nur 0,2V. Also muß die Versorgungsspannung nur 0,6V höher sein als an der Last damit die Stromregelung funktioniert.
(Nutzen lässt sich das ganze um weiße LED's, Displayhintergrundbeleuchtung usw. aus 4-5V zu versorgen.)

Konstantstromquelle mit Schaltregler

Am günstigsten erscheinen Tiefsetzsteller (StepDown-Schaltregler), die mit einer großen Drossel im nichtlückenden Bereich arbeiten. Dann ist der Strom-Ripple (Wechselspannungsanteil) durch die Induktivität und Schaltfrequenz vorgegeben. Ein weiteres Glätten des Stromes ist dann gar nicht mehr erforderlich. Es sind nahezu beliebig große Gleichströme bereitstellbar.

MC34063, Step Up

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 Anwendungen 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. Die Schaltung wird durch Einfügen der Z-Diode D2 und des Widerstands R1 leerlauffest. Dabei wird im Leerlauf nur eine geringe Verlustleistung in der Z-Diode umgesetzt, weil diese durch den Trick mit R1 schon bei sehr kleinen Strömen der Regelung den Sollstrom vortäuscht (R1 wirkt wie ein 1k Shunt, der schon bei 1,25mA die volle Nennspannng am Eingang CII erreicht). Die maximale Ausgangsspannung im Leerlauf wird mit der Z-Diode eingestellt und sollte unter 40V liegen, mehr Sperrspannung verträgt der Schalttransistor im IC nicht. Aufgrund des Elkos am Ausgang ist die Stromquelle recht träge, d.h. schnelle PWM mit hohen Frequenzen ist eher nicht möglich. Achtung! Es darf keine LED oder ähnliches im laufenden Betrieb angeschlossen werden, weil sich dann zuerst einmal der Ausgangskondensator C2 in die LED pulsartig entlädt und die LEDs damit schädigt oder gar zerstört! Die Last muss immer vor dem Einschalten angeschlossen werden! Die Bauteilwerte sind alle relativ unkritisch. Je nach Betriebsspannung sind die Bauteilwerte etwas anzupassen um den optimalen Wirkungsgrad und die beste Leistung 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.

Schaltung

Mc34063 constant current.gif

Vorteile

  • überschüssige Spannung wird nicht verheizt

Nachteile

  • nicht kurzschlussfest
  • träge beim Einschalten

MC34063, Step Down

Beschreibung

Die Step-Down Version funktioniert im Prinzip genauso wie die normale, lineare Konstantstromquelle, nur dass die ungenutzte Spannung nicht sinnlos verheizt wird. Der Ausgangsstrom beträgt 1,25V/Rx. 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.

Schaltung

Mc34063 constant current 2.gif

Vorteile

  • überschüssige Spannung wird nicht verheizt
  • leerlauf
  • kurzschlussfest

Nachteile

  • träge beim Ausschalten

Besser ist hier eine Konstantstromquelle fuer Power LED.

LM2576 Step Down

In einem Beitrag im Forum wird folgende Schaltung genannt. Der vollständige Artikel ist hier verfügbar.

Konstantstromquelle mit Komparatoren

Einfache Abwärtswandlung (Vout < Vin)

Beschreibung

Diese Schaltung wurde eigentlich für 1W LEDs entworfen, kann aber sicherlich auch anderweitig verwendet 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

[math]\displaystyle{ I_{aus}=\frac{V_{Ref}}{R1} = \frac{100mV}{R1} }[/math]

bestimmt werden.

Schaltung

Platinendatei im Eagle-Format gibt es hier.

Einfacher Stromregler aus Standardbauteilen
Beispiel eines Platinenlayouts


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


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Fußnoten

https://www.bgetem.de/arbeitssicherheit-gesundheitsschutz/pruefen-zertifizieren/pruef-und-zertifizierungsstelle-elektrotechnik/kalibrierung-bericht-schwerpunktaktion-handmultimeter

  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 ...
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