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Konstantstromquelle

2011-12-26T11:59:01Z

Avatar: /* Nachteile */

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.
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== Konstantstromquelle mit J-FET ==

=== Beschreibung ===

Eine sehr einfache Konstantstromquelle lässt sich mit einem [[FET|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.

=== 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

=== Nachteile ===

* Beeinflussung durch Toleranzen der Fertigungsparameter des FET, typ +/- 10%
* Selbstleitende FETs für Ströme größer als 30mA sind selten und entsprechend teuer<ref>Es gibt aber einige Depletion-Mode Mosfets mit sehr hohen Sperrspannungen und z.T. auch grösseren Strömen.</ref>

=== Schaltung ===

[[Bild:Konstantstrom.gif]]

=== Weblinks ===
* [http://www.vishay.com/docs/70596/70596.pdf Vishay AN103 - The FET Constant-Current Source/Limiter]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0207011.htm ELKO: FET als Konstantstromquelle]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/curr2pol.htm ELKO: Der Transistor-LED-und der FET-Konstantstromzweipol]
* [http://home.arcor.de/slotracingtechnik/homepage/bd256b.htm Konstantstromquelle für Leuchtdioden mit dem BF256B]
* [[Mosfet-Übersicht#N-Kanal J-FET | Liste von J-FETs]]
* [http://search.datasheetcatalog.net/key/LM334 LM334] betagter, aber guter IC, programmierbare Konstantstromquelle mit 1µA-10mA, 0,8-1V Spannungsabfall

== Konstantstromquelle mit bipolaren Transistoren ==

[[Datei:Ksq.png|thumb|right|231px|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:

:<math>
\begin{align}
R & = \frac{U}{I}\\
R1 & = \frac{U_{BE,T2}}{I_{\text{soll}}} = \frac{0.6\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[http://www.mikrocontroller.net/part/TL431].

=== Vorteile ===
* gut bei niedriger Betriebsspannung, da Schaltung bereits mit kleiner Restspannung von
:: <math>U_{BE,T2}+U_{CE,T1} \approx 0{,}65\,\text{V}+0{,}15\,\text{V}</math>
: 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

=== Nachteile ===
* nicht temperaturkompensiert. Strom schwankt um
:: <math>\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>
: Das sind etwa 2,6% pro 10°C

[[Datei:Ksq_2T_sim.svg|thumb|right|300px|Analyse bei steigender Versorgungsspannung]]

=== Weblinks ===
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210253.htm ELKO: Transistor als Konstantstromquelle]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/currled.htm ELKO: Die Transistor-LED-Konstantstromquelle mit ein oder zwei Transistoren und Konstantstromquelle mit Bandgap und Opamp]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/curr2pol.htm ELKO: Der Transistor-LED-und der FET-Konstantstromzweipol]
* [http://www.ferromel.de/tronic_6.htm Verschiedene Konstantstromquellen mit Beschreibung]
* [http://www.elexs.de/kap5_9.htm Konstantstromquelle bei ELEXS]
{{Absatz}}

== Stromspiegel als Konstantstromquelle ==

[[Datei:Stromspiegel als Konstantstromquelle.svg|miniatur|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

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

[[Bild:LM317_constant_current.png|thumb|right|280px|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 ''V''in mindestens 3,5V + ''U''f,LED (Flußspannung der LED) betragen muss.
{{Absatz}}

==== Vorteile ====

* temperaturstabil
* sehr wenige, billige Bauteile

==== Nachteile ====

* Überschwinger beim Einschalten können vorkommen, so dass sensible Lasten zerstört werden können.
* Hohe Spannungsabfall über der Schaltung von mind. 3,5V
* Verlustleistung
:: <math>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: [http://www.edn.com/contents/images/6566536.pdf 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<ref>Bei billigen Multimetern ist auch aus anderen Gründen immer Vorsicht geboten. Siehe [http://gps.sozialnetz.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaaaaaajxn Schwerpunktaktion „Handmultimeter“ der hessischen Marktüberwachung ...]</ref>. 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.

==== Weblinks ====

* National Semiconductor Datenblatt [http://www.national.com/ds/LM/LM117.pdf LM117/LM317A/LM317 3-Terminal Adjustable Regulator]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/konstantstrom.php Passenden Widerstand für Konstantstromschaltung mit LM317 berechnen]
* [http://www.lumitronixforum.de/viewtopic.php?t=2611&highlight=lm317 Einfachste Konstantstromquelle mit dem LM317]
* [http://www.umnicom.de/Elektronik/Schaltungssammlung/Strom/Quelle/Stromquelle.html Konstantstromquelle bis 3A mit LM2576]
*[http://www.edn.com/contents/images/6566536.pdf Programmable current source requires no power supply]

==== 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 [http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/921] 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| 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 <1, 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>I = I_{R_1} = I_{R_2} = \frac{V_\text{out}}{R_1 + R_2}</math>

und

:<math>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

:{|cellpadding="2" style="border:2px solid #ccccff"
|<math>I = \frac{V_\text{ref}}{R_2}</math>
|}

durch die Last.

Dabei muss man die Grenzen des Linearreglers beachten:

Der maximale Strom ''I''max des Reglers darf nicht überschritten werden. Damit die Annahme gilt, dass der Reglerstrom ''I''ref 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:

:{|cellpadding="2" style="border:2px solid #ccccff"
|<math>\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 ''I''min durch den Spannungsteiler fließen, damit die Regelung nicht aussetzt. Für diesen Strom gilt gegenüber dem Regelstrom ''I''ref:

:<math>I_\text{min} = \frac{V_\text{out,min}}{R_1 + R_2} \gg I_\text{ref}</math>

Mit

:<math>V_\text{out,min} = V_\text{ref}\,</math>

folgt

:<math>R_1 \ll \frac{V_\text{ref}}{I_\text{ref}} - R_2 = R_\text{in,ref} - R_2</math>

Angenähert:

:{|cellpadding="2" style="border:2px solid #ccccff"
|<math>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.

== Konstantstromquelle mit Schaltregler ==
=== 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 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.

==== Schaltung ====

[[Bild:mc34063_constant_current.gif]]

==== Vorteile ====
* überschüssige Spannung wird nicht verheizt

==== Nachteile ====
* nicht kurzschlussfest
* ohne Z-Diode D2 nicht leerlauffest
* 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. 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 ====

[[Bild: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 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

== Konstantstromquelle mit Komparatoren ==
=== Einfache Abwärtswandlung (Vout < Vin)===

==== 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 [[FET|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>I_{aus}=\frac{V_{Ref}}{R1} = \frac{100mV}{R1}</math>

bestimmt werden.

==== Schaltung ====

Platinendatei im Eagle-Format gibt es [http://www.mikrocontroller.net/wikifiles/3/38/LED_Stromregler.sch hier].

[[Bild:LED_Stromregler.png|thumb|left|600px| Einfacher Stromregler aus Standardbauteilen]]

[[Bild:LED_Stromregler_brd.png|thumb|left|600px| Beispiel eines Platinenlayouts]]

{{clear}}

==== 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



== Threads im Forum ==
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/75355#new Philosophiestunde Konstantstromquelle]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/71573#new Suche regelbare Konstantstromquelle für ACULED]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/67593#new Konstantstrom für Windmessung]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/66825#new Konstantstromdiode]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/66033#new Konstantstromquelle als IC und einstellbar]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/59467#new Konstantstromquelle für einen Haufen LEDs]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/58036#new Konstantstromquelle]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/61778#new temperaturunabhängige Konstantstromquelle]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/45039#new Konstanter Strom für LED bei 2,5V bis 5,5V]

== Weblinks ==
* [http://de.wikipedia.org/wiki/Konstantstromquelle Konstantstromquelle bei Wikipedia]
* [http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm DSE FAQ]
* [http://www.led-treiber.de Seite zu LED Treibern]
* [http://www.christiankoch.de/archiv/led-ksq/ Diskrete LED-Konstantstromquelle auf Schaltregler-Basis]
* [http://www.national.com/an/AN/AN-1392.pdf NATIONAL Application Note 1392: LM3485 LED Demo Board]
* [http://www.circuit-fantasia.com/circuit_stories/understanding_circuits/current_source/howland_current_source/howland_current_source.htm Howland Current Source]
* [http://www.national.com/an/AN/AN-1515.pdf "A Comprehensive Study of the Howland Current Pump", Application Note von National Semiconductior, engl.]
* [http://www.nomad.ee/micros/mc34063a/index.shtml MC34063A Design Tool (engl.)]
* [http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC34063A-D.PDF Datenblatt des MC34063 bei ON Semi]
* [http://www.stromflo.de/dokuwiki/doku.php?id=led_tutorial LED_Tutorial]
* [[Konstantstromquelle fuer Power LED]]
* [http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap3/Kapitel3_2.html weitere Beispiele von Konstantstromquellen]

== Fußnoten ==

<references />

[[Kategorie:Spannungsversorgung und Energiequellen]]

IPod Ladegerät

2011-04-08T20:38:13Z

Avatar: /* Praxis: Laden im Auto */

== Einleitung ==

Mp3-Player sind oft nur mehr über den USB Anschluss zu laden, so auch mein iPod Shuffle. Mich störte es, den MP3-Player nur laden zu können, wenn der PC läuft. Es gibt natürlich viele fertige Ladegeräte zu kaufen, mich interessierte aber der Aufbau. Außerdem hat der Selbstbau auch noch ein paar Extras zu bieten.

=== Hinweis ===

Bei der vorgestellten Schaltung handelt es sich NICHT um ein Apple Produkt! Die Verwendung kann zu Schäden am Gerät und zu Verlust der Garantie führen.

Benutzung auf eigene Gefahr !
Use at your own risk !

Wer unsicher ist, sollte die Finger vom Nachbau lassen.

Bei sachgemäßem Aufbau ist das Risiko aber relativ gering. Die 5V Spannungsversorgung kommen auch vom PC und sind zulässig. Die Datenleitungen sind relativ hochohmig beschaltet, was eine mögliche Beschädigung minimiert.

== Lademodus ==

=== Apple ===

Am schwierigsten war es für mich den iPod in den Lademodus zu versetzen. Dazu dient der Spannungsteiler. Die beiden Datenleitungen (D+ und D-) werden damit auf 2,5 V Pegel gesetzt. Das bewirkt, dass der Player in den Lademodus wechselt, ohne diese startet der Ladevorgang nicht.

[[Bild:iPodSpgTeiler.png]]

Erwiesenermaßen funktioniert es auch, wenn R2 und R3 weggelassen werden, und zwischen Pin 2 und 3 einen Widerstand von 6,8 kOhm (oder in dem Bereich) platziert wird. Es wird ein kleiner Spannungsunterschied zwischen Pin 2 und 3 erzeugt, was eigentlich im Sinne der normalen Signalbeschaffenheit ist.

Bei einem Ipod Shuffle leuchtet die Kontroll-LED kontinuierlich orange, und so soll es sein.

=== Norm ===

Das Problem dabei ist, das es für den Lademodus keine Norm gab. Erst im März 2007 wurde die "USB Battery Charging Specification"[http://www.usb.org/developers/devclass_docs#approved] veröffentlich. Danach müssen die beiden Datenleitungen mit einem Widerstand von höchsten 200 Ohm kurzgeschlossen werden.
Da diese sehr jung ist, gibt es bisher wenig Geräte die sich daran halten (Es muss natürlich auch die Entwicklungszeit der Geräte berücksichtigt werden).

Es ist abzuwarten, ob Apple seine neuen Produkte darauf umstellt.

=== Andere Hersteller ===

Wie oben beschrieben gab es lange keine Norm, daher gibt es viele Möglichkeiten. Oft ist eine Beschaltung der Datenleitungen aber gar nicht nötig. Viele Geräte wechseln gleich in den Lademodus, sobald eine Versorgungsspannung anliegt.

Wenn nicht, können folgende Varianten probiert werden:
* D+ und D- mit einem Widerstand verbinden
* beide pulldown
* beide pullup

== Aufbau ==

Grundlage der Stromversorgung bildet ein altes AC-Steckernetzteil mit ~9V (Trafo Gehäuse). Ein Brückengleichrichter wandelt die Wechselspannung in pulsierende Gleichspannung um. Diese wird geglättet und von einem 7805 Spannungsregler auf konstante 5 Volt begrenzt.
Die Wahl des Steckernetzteils ist unkritisch. Es kann auch DC-Netzteil verwendet werden (Der Gleichrichter dient dann als Verpolungsschutz).
Verwendet man ein 5V Gleichspannungsnetzteil kann die gesamte Schaltungsteil zur Spannungsstabilisierung weggelassen werden. Allein die Widerstände als Spannungsteiler werden dann noch benötigt.

[[Bild:iPodLaden.png]]

=== USB Buchse ===

Die USB Buchse hab ich einem alten PS2/USB Adapter entnommen, was ich aber nicht weiterempfehlen kann. Die beiden Buchsen waren miteinander vergossen, und die Buchse musste mühselig davon befreit werden. Alternative: USB Verlängerungskabel abzwicken oder USB Buchse kaufen (gibt es leider oft nur als SMD).

Notfalls tut es auch eine ganz normale Lochstreifen-Platine:
4 Streifen + noch ein wenig links und rechts (ungefähr jeweils der zwischenraum bis zum nächsten Streifen) - alles passend Feilen, die kanten links und rechts abrunden -> Voila - innenvierkant-usb.
Evtl muss die Platine noch etwas verstärkt werden, also einfach ein kleines Stück Pappe dahinterklemmen - nicht schön, hochgefährlich, aber im Notfall ganz brauchbar.

=== Gehäuse ===

Um die Schaltung reisetauglich zu machen, hab ich ihm noch ein Gehäuse aus Holz spendiert. Eine grüne LED zeigt die Einsatzbereitschaft an.

[[Bild:ipoldadengehäuse.JPG]]

== Notladung ==

Ist man länger auf Reisen und vom Stromnetz längere Zeit abgeschnitten (Urwaldtrip, Festival), bietet sich die Ladung über eine externe Batterie an. Entweder man verwendet einen 9 V Block als Quelle oder man schließt mehrere Zellen zusammen.

Diese Variante gleicht jedoch einem „ökonomischen Overkill“. Es werden ca. 50% der Leistung vom Spannungsregler verheizt, was bedeutet, dass die Hälfte der Batteriekapazität verloren geht. Besser wäre da ein Schaltregler der mit einem Wirkungsgrad von über 90% arbeitet. Diese sind aber aufwendiger aufzubauen und teurer in der Anschaffung. Plant man diese Methode öfter zu verwenden, lohnt sich aber der Mehraufwand.

Am besten ist es vier 1,2V Akkus zusammenzuschließen. Das ergibt eine Spannung von 4,8V. Diese kann ohne Verluste zum Laden verwendet werden, ein Schaltregler oder ähnliches ist dann nicht notwendig. Einzig die Widerstände um den Player in den Lademodus zu versetzen, sind nötig.

== Billige Ladegeräte ==

Man liest oft in Rezensionen von billigen USB Ladegeräten, dass die iPods davon nicht geladen werden. Das liegt am fehlenden Spannungsteiler, die Datenleitungen sind in diesem Fall meist nicht beschaltet.
Die unbeschalteten Datenleitungen treten besonders oft bei Lade-Adaptern fürs Auto auf.

Diesem Problem kann man sich aber leicht abhelfen. Entweder man öffnet das Gehäuse und baut den Spannungsteiler nachträglich ein oder baut sich ein Verlängerungskabel in dem der Spannungsteiler integriert ist. Baut man die Widerstände direkt ins Gehäuse ist das schöner, oft aber aus Platzgründen nicht möglich.

Manchmal sind die Datenleitungen auch mit Minus (GND) kurzgeschlossen.
Das zerstört manche Geräte.

== Praxis: Laden im Auto ==

Die Schaltung funktioniert bei mir auch prima im Auto/am Boot. Anstatt der 9VAC kann die Schaltung auch ans Bordnetz gehängt werden. Dieses ist womöglich aber nicht sehr sauber (Spannungsspitzen). Probleme konnten von mir bis jetzt noch keine festgestellt werden, eine kleine Schutzbeschaltung am Eingang würde Sicherheit bringen.

== Weiterführende Links ==

[http://www.pollin.de/shop/dt/NzU5OTQ2OTk-/Stromversorgung/Ladegeraete/Spezielle_Lader/Ladeadapter_SEC_0500.html Handyladegerät von Pollin mit LM2557], enthält einen Gleichrichter und einen 5V-Schaltregler und lässt sich sehr einfach zu o.g. Zwecken modifizieren

[[Category:1. Wettbewerb]]
[[Kategorie:Projekte]]
[[Kategorie:Audio]]
[[Kategorie:USB]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung und Energiequellen]]