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Multimeter

2020-07-13T13:43:53Z

Dcf77:

Ein Multimeter dient zur Messung verschiedener elektrischer Größen. Die Grundfunktionen sind Messung von Spannung, Strom, Widerstand. Darüber hinaus bieten viele Geräte noch weitere Funktionen wie Diodentest, Durchgangsprüfer, Kapazitätsmessung, Temperaturmessung, Frequenz und noch mehr.

== Wichtige Eigenschaften ==

Bei der Auswahl eines Multimeters sollte man sich zuerst überlegen, was man damit machen möchte und welche Eigenschaften und Funktionen dafür benötigt werden. Neben der Funktionalität sollte das Multimeter auch bestimmten Sicherheitsanforderungen genügen.

=== Sicherheit ===

=== Spannungsfestigkeit ===

Eine wesentliche Eigenschaft ist die Spannungfestigkeit des Geräts. Dazu gibt es üblicherweise eine Angabe der Nennspannung zusammen mit der [[Leiterbahnabstände#Überspannungskategorien|Überspannungskategorie]]. Diese Angabe bezieht sich nicht auf den Messbereich intern im Gerät, sondern auf die Stärke der Isolation nach außen.

Solange man nur mit Kleinspannung (< 50V AC bzw <120V DC) und kleinen Strömen arbeitet sind die Sicherheitsanforderungen an das Multimeter nicht groß; da kann man eigentlich jedes Gerät einsetzen. So ziemlich alle Messgeräte sind für mindestens 300V Cat II spezifiziert, was auch für Messungen an Geräten, die über eine Steckdose am Niederspannungsnetz (230V) betrieben werden ausreichend ist.

Für Messungen an Geräten, die fest mit dem Niederspannungsnetz verbunden sind, ist die Überspannungskategorie III notwendig. Kategorie IV braucht man für Messungen direkt an oder in der Nähe der Einspeisung in die elektrische Installation von Gebäuden, z.B. im bzw. vor dem Hauptverteiler.

Die Nennspannung bezieht sich dabei auf die Spannung Leiter gegen Erde. Einen guten Sicherheitsstandard bieten üblicherweise Geräte mit 600V Cat III/1000V Cat II; noch bessere Geräte haben 600V Cat IV/1000V Cat III oder sogar 1000V Cat IV.

=== Sicherung ===

Weiterhin ist die Sicherung bei der Strommessung ein sicherheitsrelevantes Bauteil. Viele preiswerte Multimeter haben eine einfache Glasrohrsicherung (5 x 20 mm) mit einer Nennspannung von 250V.

Diese Sicherungen haben nur eine begrenzte Abschaltfähigkeit, vor allem bei Messungen mit Gleichstrom und hoher Spannung bildet sich in so einer Sicherung ein Lichtbogen und die Sicherung trennt nicht. Das kann zur Zerstörung des Multimeters (Brand, Explosion) und ernsthaften Verletzungen führen.

Vor allem bei Strommessungen bei hoher Gleichspannung sollte darauf geachtet werden, dass im Multimeter eine Sicherung eingebaut ist, die ein Trennvermögen von 1000V und 20 kA hat. Diese Sicherungen haben meistens die Abmessungen 10 x 38 mm.

=== Analog oder Digital ===

Die große Masse an Multimetern heute ist digital, daher auch die weit verbreitete Abkürzung DMM ('''D'''igital'''m'''ulti'''m'''eter). Dennoch gibt es noch ein paar wenige, neue Analoggeräte. Wo liegen nun die Vor- und Nachteile?

==== Analoge Multimeter ====

Diese Geräte sind rein passiv aufgebaut und bestehen nur aus einem Drehspulmesswerk und vielen Widerständen zur Messbereichsumschaltung.

Vorteile:
* keine Stromversorgung nötig
* Intuitive Anzeige von Schwankungen des Messwerts, Trendanzeige
* unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen

Nachteile:
* deutlich niedrigerer Innenwiderstand bei Spannungsmessungen
* Ablesefehler
* geringere Auflösung des Messwerts beim Ablesen
* keine automatische Bereichswahl möglich
* bedingt durch die Ablesefehler und mechanische Probleme nur eine begrenzte Genauigkeit erreichbar

==== Digitale Multimeter ====

[[Datei:Multimeter mn100.png|rahmenlos|Digitalmultimeter]]

Vorteile:
* Kein Ablesefehler
* Deutlich bessere Auflösung, dadurch mehr Genauigkeit möglich
* durch geeignete [[AD-Wandler]] sehr hohe [[Auflösung und Genauigkeit]] möglich
* sehr hoher Eingangswiderstand bei Spannungsmessungen
* hohe Empfindlichkeit durch Eingangsverstärker
* automatische Bereichswahl möglich

Nachteile:
* benötigt eine Stromversorgung
* keine intuitive Anzeige von Messwertschwankungen
* empfindlicher bezüglich Störeinkopplungen
* kann selber Störquelle bei extrem empfindlichen Messungen sein

Teilweise hat man heute erfolgreich einige Vorteile der analogen Anzeige in die digitalen Multimeter übernehmen können. So bieten einge Messgeräte eine quasianaloge Bandanzeige des Messwerts, welcher das Verhalten eines Zeigerinstruments brauchbar nachbildet.

==== Analoges Multimeter mit Messverstärker ====

Bei diesen Geräten wird versucht einige Vorteile des DMM mit der Analoganzeige zu kombinieren.

Vorteile:
* Intuitive Anzeige von Schwankungen des Messwerts, Trendanzeige
* etwas unempfindlicher gegen elektromagnetische Störungen als digitale Multimeter
* sehr hoher Eingangswiderstand bei Spannungsmessungen
* hohe Empfindlichkeit durch Eingangsverstärker
* automatische Bereichswahl möglich

Nachteile:
* Ablesefehler
* geringere Auflösung des Messwerts beim Ablesen
* benötig eine Stromversorgung
* bedingt durch die Ablesefehler und mechanische Probleme nur eine begrenzte Genauigkeit erreichbar

Die meisten Anwender kaufen sich ein Digitalmultimeter mit einer guten Genauigkeit. Nur für einfache Messungen, bei denen nicht die Genauigkeit sondern die intuitive Anzeige im Vordergrund steht kann ein Analoggerät besser geeignet sein.

==== Stromversorgung ====
Bei Handgeräten dominieren zur Zeit (2016/6) 9V-Batterien, aber neuere Modelle weisen oft eine Versorgung mit 2 oder 4 Mignonzellen (AA) oder Microzellen (AAA) auf. In diesem Fall gibt es oft die Möglichkeit, das Gerät mit günstigen aufladbaren Akkus zu betreiben. 9V-Akkus gibt es zwar auch, sind abere vergleichsweise teurer und weniger verbreitet.

=== Justiermodus ===
Die Justierung von Multimetern geschah früher überwiegend durch die Einstellung von Potentiometern und anderen verstellbaren Bauelementen. In höherwertigeren Tischmultimetern ist die Justierung per Software weit verbreitet. Dank der Miniaturisierung der Computertechnik setzt sich die Möglichkeit der Justierung per Software nun langsam auch bei Handmultimetern durch. Der Vorteil besteht im Wegfall von stark temperaturabhängigen Komponenten wie z.B. Potenziometern (250ppm/K) durch temperaturunabhängigen Speicher.
Der Nachteil besteht darin, dass Hersteller oftmals die Vorgehensweise bei der Softwarekalibrierung nicht offenlegen (Tischmultimeter Rigol DM3068, Handmultimeter Uni-Trend UT139C), so dass es Außenstehenden nicht möglich ist, dass Gerät zu justieren.

== Auflösung und Genauigkeit ==

Zur wichtigen Unterscheidung von [[Auflösung und Genauigkeit]] gibt es einen eigenen Artikel.

=== Auflösung ===

Beim Digitalmultimeter wird ein digitaler Wert angezeigt; der Zusammenhang zwischen Auflösung und Messbereich wird durch die Anzahl der Stellen bzw. die Anzahl der darstellbaren Zahlenwerte bestimmt. Ein 3-1/2-stelliges Display hat einen Bereich von 0 - 1999, der Dezimalpunkt kann dabei an jeder beliebigen Stelle sein. Man spricht hier auch von 2000 Schritten (engl. counts). Geräte mit 4 1/2 Stellen haben 20.000 Counts, das ist ein Anzeigeumfang von 0 - 19.999. Anzeigen mit 4.000 Counts werden manchmal auch als 3 3/4 Stellen bezeichnet, Geräte mit 6.000 Counts als 3 5/6 Stellen usw. 
(Die ''1/2'', ''3/4'' usw. sind dabei nicht als Brüche o.ä. zu verstehen, sondern als Angabe, welche Werte die linke, höchstwertigste Stelle des Geräts annehmen kann. So ist bei einer ''1/2''-Angabe für die linke Stelle eine 0 oder 1 möglich, bei ''3/4'' ein 0, 1, 2 oder 3, und bei ''5/6'' entsprechend 0, 1, …, 5)

Die Auflösung des Multimeters ist die kleinste Änderung im Messwert, die dargestellt werden kann. Ein Gerät mit z.B. 20.000 Counts hat im 2V-Messbereich eine Auflösung von 2V / 20000 = 0,1 mV.

=== Grundgenauigkeit ===

In den Datenblättern wird in der Regel die Grundgenauigkeit eines Multimeters angegeben. Damit wird die Genauigkeit der internen Referenz und des A/D-Wandler spezifiziert; meistens ist dieser Wert gleich der Genauigkeit bei DC-Spannungsmessung.

Oft wird der zu erwartende Meßfehler auch in der Form "% Reading + % Range" angegeben.
"% Reading" entspricht dem Meßfehler bezogen auf den aktuellen Meßwert, "% Range" entspricht dem Meßfehler bezogen auf den eingestellten Meßbereich. Die Abweichung. Beide Werte müssen addiert werden, um den Gesamtmeßfehler zu ergeben.

=== Toleranz ===

Wichtiger als die Grundgenauigkeit ist aber die Toleranz in den einzelnen Messbereichen. Üblich sind dabei Angaben in der Form +/- (0,2% + 3 Digits). Das bedeutet, dass die maximale Abweichung 0,2% vom angezeigten Messwert und zusätzlich 3 Digits beträgt. Ein Digit ist dabei die niedrigste Einheit in der Anzeige des Messwertes in dem aktuellen Messbereich. Bei einer angezeigten Spannung von z.B. 2,000V und einem Fehler von 3 Digits würde die tatsächliche Spannung daher in einem Bereich von 1,997V bis 2,003V liegen.

Üblicherweise hat ein Multimeter bei der DC-Spannungsmessung die höchste Genauigkeit. Bei der DC-Strommessung wird ein Shunt-Widerstand verwendet, dieser muss eine hohe Belastbarkeit und gleichzeitig einen niedrigen Temperaturkoeffizienten haben, was relativ teuer ist. Deshalb ist die Genauigkeit hier meistens deutlich schlechter als bei der Spannungsmessung.

Bei Wechselspannung bzw. -strom hängt die Genauigkeit vom verwendeten Messverfahren ab. Hier wird der Effektivwert angezeigt. Viele Multimeter messen die Signalamplitude oder einen Mittelwert und berechnen daraus den Effektivwert. Damit liefern diese Geräte nur bei einer exakten Sinusform einen genauen Messwert.

=== True-RMS, Crest-Faktor ===

Um bei anderen Kurvenformen einen genauen Effektivwert zu messen braucht man ein True-RMS Multimeter. Hier wird das Signal entweder analog quadriert oder digital mit einer hohen Frequenz abgetastet und ein quadratischer Mittelwert berechnet. Damit erhält man theoretisch für beliebige Signalformen einen genauen Messwert, allerdings gilt das nur in einem bestimmten Frequenzbereich. Im Datenblatt wird meistens auch ein maximaler Crest-Faktor angegeben, das ist das maximale Verhältnis zwischen dem Spitzenwert und dem Effektivwert, beim dem die Genauigkeit innerhalb der spezifizierten Toleranz liegt.

== Weitere Funktionen ==

=== Durchgangsprüfer ===

Diese Funktion wird in der Elektronikpraxis sehr oft benötigt, demzufolge sollte das Multimeter sie haben. Wichtig ist, daß ein Pieper zur Signalisierung verfügbar ist und dieser ohne nennenswerte Verzögerung reagiert. Einige Multimeter sind da recht langsam, eine "Denkpause" von einer Sekunde ist da sehr störend wenn man viele Verbindungen durchmessen will.

=== Diodentest ===

Auch eine sehr nützliche Funktion, auf die man nicht verzichten sollte.

=== Widerstandsmessung ===

Diese ist in vielen Multimetern vorhanden und für den Hobbybastler auch sehr wichtig.

=== Temperatursensor ===

Viele Multimeter werden mit einem [[Temperatursensor]] geliefert, dabei handelt es sich fast immer um ein Thermoelement. Damit kann man relativ einfach Temperaturen zwischen -50°C bis 350°C messen.

=== Schnittstelle ===

Einige Multimeter bieten eine Schnittstelle zum PC, damit können sie als per Software steuerbares Multimeter bzw. Datenschreiber verwendet werden. Diese Schnittstelle ist per [[Optokoppler]] [[Galvanische Trennung|galvanisch getrennt]], damit kann man gefahrlos messen. Will man das Multimeter per Mikrocontroller steuern, so sind Typen mit [[RS232]] Anschluß den Typen mit [[USB]] vorzuziehen.

Ebenso gibt es Geräte, die per Bluetooth mit einem Smartphone kommunizieren können.

Ältere Tischmultimeter, wie sie in der Industrie benutzt werden, besitzen hingegen stattdessen meist ein GPIB-Interface. Dabei handelt es sich um einen Messgerätebus von Hewlet Packard (heute --Agilent-- Keysight), der zwar eine eigene Interfacekarte im PC benötigt (billig als ISA zu bekommen, relativ teuer als PCI; auch USB-GPIB ist möglich), aber recht universell für verschiedenste Messgeräte genutzt werden kann.

=== Transistortester ===

Damit kann man die Stromverstärkung eines Transistors bei kleinen Strömen messen. Bisweilen ganz nett, praktisch wird sie aber eher wenig gebraucht.

=== Messung von Induktivität, Kapazität und Frequenz ===

Diese Messmöglichkeiten sind in verschiedenster Kombination verfügbar, aber eher als nette Zugabe anzusehen. Sie erreicht meist keine sonderlich hohe Genauigkeit. Vor allem die Frequenzmessung ist eher eine Schätzung und hat mit einem echten Frequenzmesser wenig gemeinsam. Wer ernsthaft diese Größen messen will, kauft sich besser ein speziell dafür gebautes Messgerät. Zur groben Messung der Parameter sind die Funktionen ausreichend.

=== Beleuchtung ===

In bestimmten Situationen kann eine Beleuchtung der Anzeige recht nützlich sein, da aus Stromspargründen die Anzeige meist ein LCD ist. Die große Masse der Anwender braucht sie jedoch nur selten. Mittlerweile gibt es auch DMMs mit OLED-Display, welche aber deutlich mehr Strom brauchen, z.B. [https://www.keysight.com/en/pd-1765026-pn-U1253B/handheld-digital-multimeter-45-digit-with-organic-led-display-oled?cc=US&lc=eng Agilent U1253B] (nur ca. 8h Batterielaufzeit!).

=== Messwertspeicher ===

Viele Multimeter können auf Knopfdruck den Messwert einfrieren. Das ist dann hilfreich, wenn man an einem schwer zugänglichen Ort eine Messung machen muss und dabei das Display nicht ablesen kann, typisch an großen Maschinen und Anlagen.

=== Auto Range ===

Die meisten besseren Multimeter verfügen über eine automatische Messbereichswahl, d.h. das Multimeter stellt automatisch den optimalen Messbereich ein. Das hat Vor- und Nachteile.

Vorteile
* einfache Messung unbekannter Größen

Nachteile
* Durch die meist nötige Umschaltung des Messbereichs und Mehrfachmessung durch das Multimeter verlängert sich die Messzeit, welche man bei bestimmten Messungen nicht gebrauchen kann. Ausserdem schwankt dadurch die Anzeige zusätzlich, was das Ablesen bei sich ändernden Messwerten erschwert.

Ein Multimeter sollte auf jeden Fall die Möglichkeit bieten, die Auto Range Funktion abzuschalten.

== Vergleichstabelle Multimeter ==

In den folgende Tabellen werden wichtige technischen Daten einiger aktueller Multimeter zusammengestellt. Um die Übersichtlichkeit zu erhöhen, werden die Geräte in drei Kategorien eingeteilt.

Bei den Sicherungen ist entweder die Baugröße oder die Nennspannung und Abschaltstrom angegeben; wenn das Gerät mehrere Sicherungen enthält, dann kommt zuerst der Wert für den mA Messbereich und danach die Sicherung für den A Messbereich.

=== Einsteigergeräte ===

Das sind preiswerte Geräte, mit denen viele Messaufgaben durchgeführt werden können, wenn keine sehr hohen Anforderungen an Genauigkeit gestellt werden. Für Einsteiger und Fortgeschrittene findet sich im Bereich unter 50 Euro immer ein Gerät, das den Ansprüchen gerecht wird. '''Will man Messungen am 230V-Netz durchführen, sollte man auf keinen Fall Billigstgeräte aus der Ramschkiste verwenden sondern auf qualitativ hochwertige Ware zurückgreifen und.'''

{| border="1" class="wikitable sortable" id="multimeter"
|-
!Hersteller || style="width:10em" | Bezeichnung ||Preis [EUR] || Counts || style="width:8em" | Grund- genauigkeit [%] || Mess- bereich DC [V] || style="width:8em" |Spannungs- klasse || style="width:7em" | Sicherung
|-
|Keysight (vorm. Agilent)
|U1231A (1)
|122
|6.000
|0,5
|Ja
|600V Cat III
|10x38 mm
|-
|Amprobe
|30XR-A
|70
|2.000
|1
|600V
|300V Cat III, 600V Cat II
|10x38 mm
|-
|Amprobe
|33XR-A
|95
|4.000
|0,7
|1000V
|600V Cat III, 1000V Cat II
|6,3x32 mm / 10x38 mm
|-
|Benning
|MM 1
|70
|3.200
|0,5
|600V
|600V Cat III
|k. A.
|-
|Benning
|MM 2
|85
|2.000
|0,5
|1000V
|600V Cat III
|6,35x32 mm / 6,35x32 mm
|-
|Benning
|MM 3
|105
|2.000
|0,5
|600V
|300V Cat III
|6,35x32 mm / 6,35x32 mm
|-
|Benning
|MM 4
|120
|4.200
|0,5
|600V
|300V Cat III
|k. A.
|-
|Peaktech
|1070
|10
|2.000
|0,5
|250V
|250V Cat II
|k. A.
|-
|Peaktech
|2010
|25
|2.000
|0,5
|1000V
|600V Cat III, 1000V Cat II
|k. A.
|-
|Surpeer
|AV4
|35
|20.000
|0,05 + 5 Digits
|1000
|1000V Cat III
|k. A.
|-
|UNI-T
|UT61E
|62
|22.000
|0,1
|600V
|300V Cat III, 600V Cat II
|6,3x32 mm / 10x38 mm
|}
1) keine Strommessung

=== Mittelklasse-Geräte===

Diese Geräte haben alle eine Grundgenauigkeit besser als 0,5% und sind besser ausgestattet als die Einsteigerklasse. Die Spannungsfestigkeit ist mindestens 600V Cat III.

{| border="1" class="wikitable sortable" id="multimeter"
|-
!Hersteller
!style="width:9em" | Bezeichnung
!Preis [EUR]
!Counts
!style="width:8em" | Grund- genauigkeit [%]
!TRMS
!style="width:8em" | Spannungs- klasse
!style="width:7em" | Sicherung
|-
|Amprobe
|34XR-A
|125
|4.000
|0,5
|Ja
|600V Cat III, 1000V Cat II
|6,3x32 mm / 10x38 mm
|-
|Amprobe
|37XR-A
|140
|10.000
|0,1
|Ja
|600V Cat III, 1000V Cat II
|6,3x32 mm / 10x38 mm
|-
|Amprobe
|38XR-A
|165
|10.000
|0,25
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|6,3x32 mm / 10x38 mm
|-
|Keysight (vorm. Agilent)
|U1241B
|215
|10.000
|0,09
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|10x35 mm / 10x38 mm
|-
|Keysight (vorm. Agilent)
|U1232A
|166
|6.000
|0,5
|Ja
|600V Cat III
|10x38 mm
|-
|Benning
|MM 7-1
|220
|6.000
|0,08
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|10x35 mm / 10x38 mm
|-
|Benning
|MM 10
|165
|6.000
|0,5
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|6,35x32 mm
|-
|Benning
|MM 11
|350
|20.000
|0,08
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|10x35 mm / 10x38 mm
|-
|Fluke
|114
|145
|6.000
|0,5
|Ja
|600V Cat III
| -
|-
|Fluke
|115
|170
|6.000
|0,5
|Ja
|600V Cat III
|1000V / 15kA
|-
|Fluke
|117
|200
|6.000
|0,5
|Ja
|600V Cat III
|1000V / 15kA
|-
|Fluke
|77 IV
|400
|6000
|0,3
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|k. A.
|-
|Fluke
|175
|225
|6000
|0,15
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|k. A.
|-
|Fluke
|177
|270
|6000
|0,09
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|k. A.
|-
|Fluke
|179
|300
|6000
|0,09
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|k. A.
|-
|Peaktech
|P3320
|55
|6.000
|0,5
|Ja
|600V Cat III, 1000V Cat II
|k. A.
|-
|Peaktech
|P3360
|85
|40.000
|0,06
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|6,3x32 mm / 10x38 mm
|-
|Peaktech
|P3380
|190
|22.000
|0,12
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|k. A.
|-
|Surpeer
|AV4
|35
|20.000
|0,05 + 5 Digits
|Ja
|1000V Cat III
|k. A.
|-
|UNI-T
|UT71B
|97
|20.000
|0,08
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|5x20 mm
|-
|UNI-T
|UT71C
|120
|40.000
|0,05
|Ja
|600V Cat IV, 1000V Cat III
|5x20 mm
|}

=== Oberklasse-Geräte ===

Diese Geräte haben eine Grundgenauigkeit von mindestens 0,1% und bieten einen sehr hohen Sicherheitsstandard. Die Spannungsfestigkeit ist mindestens 1000V Cat III. Diese Geräte haben Zusatzfunktionen wie z.B. parametrierbare Tiefpassfilter, Messung der Grundfrequenz an Wechselrichtern, etc. Sie sind meist nur für Profis interessant und bezahlbar.

{| border="1" class="wikitable sortable" id="multimeter"
|-
!style="width:9em" | Hersteller
!style="width:9em" | Bezeichnung
!Preis [EUR]
!Counts
!style="width:8em" | Grund- genauigkeit [%]
!Bandbreite (TRMS)/kHz
!style="width:8em" | Zusatz- funktionen
|-
|Keysight
|U1251A/B
|350
|50.000
|0,025
|30
|
|-
|Fluke
|83 V
|380
|6.000
|0,1
|
|
|-
|Fluke
|87 V
|450
|20.000
|0,05
|
|
|-
|Gossen Metrawatt
|METRAHIT PRO
|360
|10.000
|0,05
|10
|
|-
|Gossen Metrawatt
|METRAHIT Tech
|360
|12.000
|0,05
|10
|
|-
|Gossen Metrawatt
|METRAHIT ENERGY
|810
|60.000
|0,05
|100
|
|-
|Gossen Metrawatt
|METRAHIT 30M
|1046
|1.200.000
|0,003
|10
|
|-
|Gossen Metrawatt
|METRAHIT X-TRA
|360
|12.000
|0,05
|10
|
|-
|Gossen Metrawatt
|METRAHIT OUTDOOR
|549
|12.000
|0,05
|10
| IP65
|-
|Metrix
|MTX 3281
|ab 375,-
|100.000
|0,1%
|50
|versch. Ausführungen: Com, BT, Temp ect.
|-
|Metrix
|MTX 3282
|ab 500,-
|100.000
|0,03%
|100
|versch. Ausführungen: Com, BT, Temp ect.
|-
|Metrix
|MTX 3283
|ab 560,-
|100.000
|0,02%
|200
|versch. Ausführungen: Com, BT, Temp ect.
|}

=== Tischmultimeter ===

Tischmultimeter bieten eine sehr hohe Genauigkeit und eine hohe Geschwindigkeit. Für genaue Widerstandsmessung gibt es eine [http://de.wikipedia.org/wiki/Vierdrahtmessung Vierdrahtmessung],
wodurch sich der Widerstand der Messleitungen nicht auf das Ergebnis auswirkt. Sollen besonders kleine Widerstände gemessen werden, so ist zusätzlich noch eine Kompensation des durch Thermospannungen hervorgerufenen Offsets sinnvoll. Dies ist vor allem bei Relaiskontakten ein Problem, weil diese teilweise erhebliche Offsetspannungen erzeugen und so die Messung des Kontaktwiderstandes verfälschen. Auf Grund ihrer sehr hohen Genauigkeit wird diese nicht in Prozent sondern [https://de.wikipedia.org/wiki/Parts_per_million ppm] angegeben, u.a. weil niemand die vielen Nullen nach dem Komma zählen will.

1ppm = 0,0001% (engl. one part per million, der millionste Teil)

{| border="1" class="wikitable sortable" id="multimeter"
|-
!Hersteller
!Bezeichnung
!Preis [EUR]
!Counts
!Grund- genauigkeit [ppm]
!TRMS
|-
|Keysight
|34461A
|1050
|1.200.000
|(35 + 5 ppm)/Jahr
|Ja
|-
|Keysight
|34401A
|985
|1.000.000 (zuzüglich 20% Overrange)
|(35 + 5 ppm)/Jahr
|Ja
|-
|Keithley
|2000
|1050
|1.000.000
|20
|Ja
|-
|Picotest
|M3500A
|885
|1.000.000
|35
|Ja
|-
|Siglent
|SDM3065X
|820
|2.200.000
|20
|Ja
|}

== Siehe auch ==

*[http://www.mikrocontroller.net/topic/204156#new Forumsbeitrag]: Welches Multimeter?
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/401109?goto=4635625#4635625 Forumsbeitrag]: Benötige Schaltung für "Power Probe 2"
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/421262#4937290 Forumsbeitrag]: Wie ~0.01Ω-Widerstände messen? Fehlerrechung zur Messung
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/441982#5257461 Forumsbeitrag] FLUKE 87V - Wo günstig?

== Links ==

*[http://www.sprut.de/electronic/mess/spannung.htm Spannungsnormal] - Betrachtungen zur Messgenauigkeit
*[https://lowcurrent.wordpress.com/2017/02/10/kleine-widerstaende-und-offset-compensation/ Offset Compensation] - Kompensation von Thermospannungen bei der Messung kleiner Widerstände
*[https://www.youtube.com/watch?v=BEuls6zXFas Gossen Metrawatt Energy] - Umfangreicher Testbericht

[[Kategorie:Grundlagen]]

Konstantstromquelle

2020-06-23T18:31:34Z

Dcf77: /* Weblinks */

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.
<div class="toclimit-2">
__TOC__
</div>

== 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 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<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]
* [[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, kann per Transistor auf deutlich größere Ströme erweitert werden.

=== 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}}

== Konstantstromquelle mit bipolaren Transistoren ==
[[Datei:Ksq.png|thumb|right|231px|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>
\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[http://www.mikrocontroller.net/part/TL431].

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

{{Clear}}

== Konstantstromquelle mit Operationsverstärker und Transistor ==

[[Datei:Ksq_opv.png|thumb|right|231px|Konstantstromquelle mit OPV und Bipolartransistor]]

Der Strom, welcher konstant gehalten werden soll, wird durch R2 gemessen (Shunt). 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 R2 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 [[Kühlkörper|Kühlung]] für T1 für ca. 1A brauchbar. Der Strom wird mit 0-100mV eingestellt. Der [[Basiswiderstand]] R4 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 R4 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.

Nachteilig ist, dass der Basisstrom von T1 nicht durch die Last fließt, aber durch R2 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. Alternativ kann man mit gerade mal zwei clever platzierten Widerständen den Fehler des Basisstroms nahezu vollständig kompensieren, wie es in diesem [http://www.edn.com/design/power-management/4318484/Error-compensation-improves-bipolar-current-sinks Artikel] in [http://m.eet.com/media/1128969/12734-figure_3.pdf Figure 3] dargestellt ist. Das hat den Vorteil, dass man einfache Bipolartransistoren nutzen kann, welche deutlich höhere Grenzfrequenzen als Darlingtons aufweisen.
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 [[FET#Linearbetrieb_von_MOSFETs | 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.

[[Datei:Ksq_opv_mosfet.png|thumb|right|231px|Konstantstromquelle mit OPV und N-Kanal-MOSFET]]

Wichtig sind R1 und C1. In vielen Schaltungen im Internet fehlen sie, die Spannung über R2 geht direkt an den - Eingang des OPV. Das ist aber falsch und funktioniert oft nur durch Zufall. Denn R1 und C1 sind wichtig für die Frequenzgangkompensation des OPV. Die Schaltung ist ein [http://de.wikipedia.org/wiki/Regelkreis Regelkreis] und diese sind für notorische Instabilitäten bekannt, d.h. sie schwingen. Durch Rechnung oder Probieren muss der richtige Wert für R1 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 R2 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 ===
* bei sehr hohen Strömen muss man eine Vierdrahtmessung an R2 vornehmen
* hohe Verlustleistung bei kleinen Lastwiderständen und hoher Betriebsspannung (lineare Stromquelle)
* nur Einquadrantenbetrieb möglich

=== Weblinks ===
*Analog by Design Show - Hosted by Bob Pease
** [http://www.youtube.com/watch?v=411f0DvXu18 Konstantstromquellen]
** [http://www.youtube.com/watch?v=2N6cjGS7lUE Präzise 1A Konstantstromquelle ]

== 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 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>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 (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 ''V''in mindestens 3,5V + ''U''f,LED ([[LED#Flußspannung|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.
* Hoher 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://m.eet.com/media/1132369/14758-figure_1.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-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<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 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 ====

* 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](Link nicht verfügbar)
*[http://www.edn.com/contents/images/6566536.pdf Programmable current source requires no power supply](Link nicht verfügbar)

==== 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 ==
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 ====

[[Bild: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 ====

[[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 [http://www.mikrocontroller.net/topic/97838#new Beitrag] im Forum wird folgende [http://www.mikrocontroller.net/attachment/34179/current_source.pdf Schaltung] genannt. Der vollständige Artikel ist [http://www.edn.com/Home/PrintView?contentItemId=4342728 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 [[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]
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/221395#2217701 Konstantstromquelle zur digitalen Lasermodulation]
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/349022#3875273 Konstantstromquelle zur linearen Lasermodulation]
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/470258#5764749 Konstantstromquelle für Power-LED an Akku mit Unterspannungsabschaltung]

== Weblinks ==
* [http://de.wikipedia.org/wiki/Konstantstromquelle Konstantstromquelle bei Wikipedia]
* [http://www.dcdcselector.com/de/dc-dc-led-driver DC/DC LED Treiber IC parametrische Suche]
* [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]
* [http://www.edn.com/design/power-management/4318484/Error-compensation-improves-bipolar-current-sinks Error compensation improves bipolar current sinks, EDN, engl.]
*[http://www.nxp.com/documents/application_note/AN10739.pdf] Diskreter LED Treiber, Konstantstromquellen
*[https://www.youtube.com/watch?v=LXzG2qk1J6Q Anwendungsbeispiel Konstantstromquelle: Milliohm messen extrem einfach (Video)]

== Fußnoten ==

<references />

[[Kategorie:Spannungsversorgung und Energiequellen]]
[[Kategorie:Grundlagen]]

Konstantstromquelle

2020-06-23T18:30:58Z

Dcf77: /* Weblinks */

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.
<div class="toclimit-2">
__TOC__
</div>

== 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 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<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]
* [[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, kann per Transistor auf deutlich größere Ströme erweitert werden.

=== 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}}

== Konstantstromquelle mit bipolaren Transistoren ==
[[Datei:Ksq.png|thumb|right|231px|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>
\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[http://www.mikrocontroller.net/part/TL431].

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

{{Clear}}

== Konstantstromquelle mit Operationsverstärker und Transistor ==

[[Datei:Ksq_opv.png|thumb|right|231px|Konstantstromquelle mit OPV und Bipolartransistor]]

Der Strom, welcher konstant gehalten werden soll, wird durch R2 gemessen (Shunt). 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 R2 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 [[Kühlkörper|Kühlung]] für T1 für ca. 1A brauchbar. Der Strom wird mit 0-100mV eingestellt. Der [[Basiswiderstand]] R4 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 R4 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.

Nachteilig ist, dass der Basisstrom von T1 nicht durch die Last fließt, aber durch R2 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. Alternativ kann man mit gerade mal zwei clever platzierten Widerständen den Fehler des Basisstroms nahezu vollständig kompensieren, wie es in diesem [http://www.edn.com/design/power-management/4318484/Error-compensation-improves-bipolar-current-sinks Artikel] in [http://m.eet.com/media/1128969/12734-figure_3.pdf Figure 3] dargestellt ist. Das hat den Vorteil, dass man einfache Bipolartransistoren nutzen kann, welche deutlich höhere Grenzfrequenzen als Darlingtons aufweisen.
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 [[FET#Linearbetrieb_von_MOSFETs | 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.

[[Datei:Ksq_opv_mosfet.png|thumb|right|231px|Konstantstromquelle mit OPV und N-Kanal-MOSFET]]

Wichtig sind R1 und C1. In vielen Schaltungen im Internet fehlen sie, die Spannung über R2 geht direkt an den - Eingang des OPV. Das ist aber falsch und funktioniert oft nur durch Zufall. Denn R1 und C1 sind wichtig für die Frequenzgangkompensation des OPV. Die Schaltung ist ein [http://de.wikipedia.org/wiki/Regelkreis Regelkreis] und diese sind für notorische Instabilitäten bekannt, d.h. sie schwingen. Durch Rechnung oder Probieren muss der richtige Wert für R1 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 R2 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 ===
* bei sehr hohen Strömen muss man eine Vierdrahtmessung an R2 vornehmen
* hohe Verlustleistung bei kleinen Lastwiderständen und hoher Betriebsspannung (lineare Stromquelle)
* nur Einquadrantenbetrieb möglich

=== Weblinks ===
*Analog by Design Show - Hosted by Bob Pease
** [http://www.youtube.com/watch?v=411f0DvXu18 Konstantstromquellen]
** [http://www.youtube.com/watch?v=2N6cjGS7lUE Präzise 1A Konstantstromquelle ]

== 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 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>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 (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 ''V''in mindestens 3,5V + ''U''f,LED ([[LED#Flußspannung|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.
* Hoher 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://m.eet.com/media/1132369/14758-figure_1.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-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<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 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 ====

* 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](Link nicht verfügbar)
*[http://www.edn.com/contents/images/6566536.pdf Programmable current source requires no power supply](Link nicht verfügbar)

==== 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 ==
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 ====

[[Bild: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 ====

[[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 [http://www.mikrocontroller.net/topic/97838#new Beitrag] im Forum wird folgende [http://www.mikrocontroller.net/attachment/34179/current_source.pdf Schaltung] genannt. Der vollständige Artikel ist [http://www.edn.com/Home/PrintView?contentItemId=4342728 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 [[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]
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/221395#2217701 Konstantstromquelle zur digitalen Lasermodulation]
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/349022#3875273 Konstantstromquelle zur linearen Lasermodulation]
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/470258#5764749 Konstantstromquelle für Power-LED an Akku mit Unterspannungsabschaltung]

== Weblinks ==
* [http://de.wikipedia.org/wiki/Konstantstromquelle Konstantstromquelle bei Wikipedia]
* [http://www.dcdcselector.com/de/dc-dc-led-driver DC/DC LED Treiber IC parametrische Suche]
* [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]
* [http://www.edn.com/design/power-management/4318484/Error-compensation-improves-bipolar-current-sinks Error compensation improves bipolar current sinks, EDN, engl.]
*[http://www.nxp.com/documents/application_note/AN10739.pdf] Diskreter LED Treiber, Konstantstromquellen
*[https://www.youtube.com/watch?v=LXzG2qk1J6Q] Anwendungsbeispiel Konstantstromquelle: Milliohm messen extrem einfach (Video)

== Fußnoten ==

<references />

[[Kategorie:Spannungsversorgung und Energiequellen]]
[[Kategorie:Grundlagen]]

Pulsweitenmodulation

2019-08-02T20:20:09Z

Dcf77: /* Weblinks */

== Einleitung ==

Bei der '''Pulsweitenmodulation''' (engl. Pulse Width Modulation, abgekürzt '''PWM''') wird das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit und Periodendauer eines Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert. Das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit <math>t_{ein}</math> und der Periodendauer <math> T = t_{ein} + t_{aus} </math> wird als das Tastverhältnis '''p''' bezeichnet. (laut DIN IEC 60469-1: Tastgrad) (engl. Duty Cycle, meist abgekürzt DC, nicht zu verwechseln mit Direct Current = Gleichstrom ).

Die Pulsweitenmodulation für ein Signal <math> x(t) </math> ist für die Dauer einer Periode im Intervall [0,T] wie folgt definiert:

<math> x(t) = \left\{\begin{array}{l l}
0 & \quad t < t_1 \\
1 & \quad t \ge t_1 \\
0 & \quad t > T
\end{array} \right.
</math>

[[Bild:pwmdoc.png]]

<math> p = \dfrac{t_{ein}}{T} = \dfrac{t_{ein}}{t_{ein}+t_{aus}} </math>

Der Wert des Tastverhältnis '''p''' kann dabei Werte zwischen 0 und 1 annehmen.

Der zeitliche '''Mittelwert''' der Spannung <math>U(t)</math> innerhalb eines Intervalls [0,T] ist unten stehend beschrieben.

:<math>U_m = \frac{1}{T} \int_0^T u(t)dt = \frac{1}{T}\int_0^{t_{ein}} U_{ein}dt + \frac{1}{T} \int_{t_{ein}}^T U_{aus}dt</math>

:<math>U_m = U_{aus} + (U_{ein} - U_{aus}) \cdot \frac{t_{ein}}{t_{ein}+t_{aus}}</math>

<math>U_{aus}</math> ist dabei normalerweise 0V, <math>U_{ein}</math> die Betriebsspannung <math>V_{CC}</math>, z. B. 5V. Deshalb kann man vereinfacht schreiben:

:<math>U_m = V_{CC} \cdot \frac{t_{ein}}{t_{ein}+t_{aus}} = V_{CC} \cdot DC</math>.

=== Beispiele ===

Die folgenden Beispiele zeigen PWM-Signale mit einem Tastverhältnis von 75% bzw. 25%.

<table border="1"><tr><td style="padding: 10px;">
'''Beispiel 1'''

<math>U_{ein}=5\,\mathrm{V}</math> 
<math>U_{aus}=0\,\mathrm{V}</math> 
<math>t_{ein}=3\,\mathrm{ms}</math> 
<math>t_{aus}=1\,\mathrm{ms}</math> 

:<math>U_m = 0\,\mathrm{V} + (5\,\mathrm{V} - 0\,\mathrm{V}) \cdot \frac{3\,\mathrm{ms}}{3\,\mathrm{ms}+1\,\mathrm{ms}} = 3,75\,\mathrm{V}</math>

[[Bild:Pwm1.png]]

</td></tr><tr><td style="padding: 10px;">

'''Beispiel 2'''

<math>U_{ein}=5\,\mathrm{V}</math> 
<math>U_{aus}=0\,\mathrm{V}</math> 
<math>t_{ein}=1\,\mathrm{ms}</math> 
<math>t_{aus}=3\,\mathrm{ms}</math> 

:<math>U_m = 0\,\mathrm{V} + (5\,\mathrm{V} - 0\,\mathrm{V}) \cdot \frac{1\,\mathrm{ms}}{1\,\mathrm{ms}+3\,\mathrm{ms}} = 1,25\,\mathrm{V}</math> 

[[Bild:Pwm2.png]]
</td></tr></table>
 

Die blaue Linie in der Grafik zeigt den mathematischen Mittelwert der sich einstellenden Leistung, wenn jeweils eine volle Periode der PWM-Grundwelle betrachtet wird. In der Realität schwankt der Wert ja nach Betrachtungfester und in der praktischen Umsetzung besonders, da es keine perfekte Mittelung gibt.
=== Leistungsberechnung ===

Steuert man mit einem pulsweitenmodulierten Signal direkt einen ohmschen Verbraucher an (z. B. Heizdraht), so ist darauf zu achten, dass man zur Bestimmung der Leistung '''nicht''' einfach

:<math>P = \frac{{U_m}^2}{R}</math>

rechnen darf, sondern die Leistung während der Ein- und Ausschaltzeit getrennt betrachten muss:

:<math>P = \frac{{U_{ein}}^2}{R} \cdot \frac{t_{ein}}{t_{ein} + t_{aus}} +
\frac{{U_{aus}}^2}{R} \cdot \frac{t_{aus}}{t_{ein} + t_{aus}}</math>.

Da praktisch fast immer gilt <math>U_{aus}=0V</math> sowie <math>U_{ein}=V_{CC}</math>

kann man vereinfacht schreiben und damit rechnen.

:<math>P = \frac {{V_{CC}}^2}{R} \cdot DC</math>.

<table border="1"><tr><td style="padding: 10px;">

=== Beispiel ===

<math>U_{ein} = 4\,\mathrm{V}</math> 
<math>U_{aus} = 0\,\mathrm{V}</math> 
<math>t_{ein} = 1\,\mathrm{ms}</math> 
<math>t_{aus} = 3\,\mathrm{ms}</math> 
<math>R = 10\,\mathrm{\Omega}</math> 

Der Mittelwert dieser Spannung ist
:<math>U_m = 1\,\mathrm{V}</math>.
Würde man mit diesem Wert die Leistung berechnen, so käme man auf
:<math>P = \frac{{U_m}^2}{R} = \frac{(1\,\mathrm{V})^2}{10\,\mathrm{\Omega}} = 0{,}1\,\mathrm{W}</math>.

Der richtige Wert ist jedoch

:<math>P = \frac{(4\,\mathrm{V})^2}{10\,\mathrm{\Omega}} \cdot \frac{1\,\mathrm{ms}}{4\,\mathrm{ms}} +
\frac{(0\,\mathrm{V})^2}{10\,\mathrm{\Omega}} \cdot \frac{3\,\mathrm{ms}}{4\,\mathrm{ms}} =
0{,}4\,\mathrm{W}
</math>.

Bei 0V lässt sich kürzen:
:<math>P = \frac{(4\,\mathrm{V})^2}{10\,\mathrm{\Omega}} \cdot \frac{1\,\mathrm{ms}}{4\,\mathrm{ms}}
=
0{,}4\,\mathrm{W}
</math>.

</td></tr></table>

Auch hier wird wieder eine gemittelte Leistung angegeben, die einem gleichwertigen DC-Wert entspräche. Praktisch ist die Leistung schwankend. Eine korrekte Darstellung würde also noch einen Wert für den AC-Anteil erfordern.

== Anwendungen (Kleinsignal) ==

=== AD-Wandlung mit PWM ===
Der folgende Tipp stammt noch aus der Zeit, als es keinen Mikroprozessor mit AD-Wandler gab.

Einen recht billigen und einfachen AD-Wandler mit "1-Draht Kommunikation" kann man mit dem IC 556 (NE556 o.ä.) realisieren: der eine Timer des 556 arbeitet als 50% duty-cycle Rechteckgenerator bei beispielsweise 1 kHz und steuert den zweiten Timer an. Dieser besitzt einen Steuereingang zu Beeinflussung des Tastverhältnisses und auf diesen Pin gibt man das analoge Signal. Ein angeschlossener µC oder PC misst bei jedem Impuls die Impulslänge und man erhält so das Messergebnis. Bei einer Frequenz von >10 kHz liesse sich sogar Sprache digital übertragen oder speichern. Allerdings ist dafür eine Auflösung von wenigstens 8 Bit nötig, wodurch 256 Stufen und eine entsprechemde Abstatfrequenz durch den Chip gefordert sind. Ohne Chip lässt sich dies nur mit eimem Logikbaustein und etwas Signalverarbeitung lösen, siehe [[Analog-IO mit digitalen Bausteinen]].

Für anspruchsvollere Aufgaben verwendet man jedoch besser die [[Pulsdichtemodulation]].

=== DA-Wandlung mit PWM ===

Die meisten Mikrocontroller haben keine DA-Wandler integriert, da diese relativ aufwändig sind. Allerdings kann man mittels eines PWM-Ausgangs auch eine DA-Wandlung vornehmen und eine Gleichspannung bereitstellen. Wird ein PWM-Signal über einen Tiefpass gefiltert (geglättet), entsteht eine Gleichspannung mit Wechselanteil, deren Mittelwert dem des PWM-Signals entspricht und dessen Wechselanteil von der Beschaltung abhängig ist. Nun bleibt das Problem der Dimensionierung des Tiefpasses. Ein Beispiel:

PWM-Takt 1 MHz, 8 Bit Auflösung (256 Stufen), 0/5V.
-> 3906 Hz PWM Frequenz

RC-Tiefpass 22nF, 100kΩ
-> 72 Hz Grenzfrequenz

(Die Grenzfrequenz errechnet sich über <math>f_c=\frac{1}{2\,\pi\,R\cdot C}</math> .)

[[bild:pwm_filter_1.png]]

Bei diesem Tiefpass mit 72 Hz Bandbreite verbleibt am Ausgang noch ein Ripple auf der Gleichspannung, da die PWM nie ideal gefiltert werden kann. Eine Rechnung bzw. Simulation in PSPICE zeigen ca. 150mV Ripple. Das ist ziemlich viel, da ein idealer 8-Bit DA-Wandler bei 5V Referenzspannung eine Auflösung von 20mV hat. Wir haben hier also ein Störsignal von 150mV/20mv=7,5 LSB. Um den Ripple bis auf die Auflösungsgrenze von 20mV zu reduzieren, muss die Grenzfrequenz auf ca. 10 Hz reduziert werden. Es ist somit effektiv nur ein 390tel der PWM-Frequenz nutzbar. Das ist für einige Anwendungen ausreichend, wo praktisch nur statische Gleichspannungen erzeugt werden sollen, z. B. für programmierbare Netzteile. Für Anwendungen, in denen schneller ändernde Gleichspannungen generiert werden sollen, muss die PWM-Frequenz entsprechend erhöht werden oder ein steilerer Tiefpaß verwendet werden.

==== RC-Filter dimensionieren ====

Allgemein kann man den Ripple eines einfachen RC-Tiefpasses so abschätzen:

Kritischster Punkt ist eine PWM mit 50% Tastverhältnis. Dabei tritt der
stärkste absolute Ripple auf, weil hier die - am weinigsten gefilterte - Grundschwigung die höchste Amplitude besitzt. Bei diesem Tastverhältnis ist der Kondensator auf 1/2 VCC aufgeladen. Somit liegt auch 1/2 VCC über dem R an und lädt C annähernd mit Konstantstrom.

<math>I = \frac{\frac{1}{2}Vcc}{R}</math>

Über die Definition des Kondensators kann man den Ripple berechnen.

<math>C = \frac{I \cdot t}{U}; [F = \frac{As}{V}]</math>

<math>U = \frac{I \cdot t}{C}</math>

Die Ladung in As (Amperesekunden) ergeben sich aus der halben PWM-Periode mal I. Damit kann man brauchbar den Ripple abschätzen.

<math>V_{Ripple} = \frac{\frac {\frac{1}{2}Vcc}{R} \cdot \frac{1}{2}T_{PWM}}{C} = \frac{ Vcc \cdot T_{PWM}}{4RC}</math>

Die Einschwingzeit <math>\!\,t_S</math> des Signals bei einem neuen PWM-Wert beträgt etwa <math>\!\,5RC</math>.

Die Abschätzung gilt aber nur dann, wenn der Ausgang des RC-Filter kaum belastet ist, wie z. B. durch einen Operationsverstärker oder einen andern hochohmigen IC-Eingang.

Beispiel:

100 Hz PWM Frequenz(T_PWM=10ms), R=100kΩ, C=1μF, Vcc=5V

<math>V_{Ripple} = \frac{5V \cdot 10ms}{4 \cdot 100k\Omega \cdot 1 \mu F} = 125 mV</math> 
<math>t_s=5RC=5 \cdot 100k \Omega \cdot 1 \mu F = 500ms</math>

Um die Bandbreite besser auszunutzen wird ein besseres Filter benötigt. Das Problem des einfachen RC-Tiefpasses ist der relativ langsame Anstieg der Dämpfung oberhalb der Grenzfrequenz. Genauer gesagt steigt die Dämpfung mit 20dB/Dekade. Das heisst, dass ein Signal mit der 10fachen Frequenz (Dekade) um den Faktor 10 (20dB) gedämpft wird. Will man nun eine höhere Dämpfung ereichen, müssen mehrere Tiefpässe in Reihe geschaltet werden. Bei dem gleichen Beispiel erreicht man mit zwei Tiefpässen mit 6,8nF/100kΩ eine Grenzfrequenz von ca. 70 Hz, bei gleicher Dämpfung des Ripples auf 20mV. Die Dämpfung dieses sogenannten Tiefpasses 2. Ordnung beträgt 40dB/Dekade. Das heisst, ein Signal mit zehnfacher Frequenz (Dekade) wird um den Faktor 100 (40dB) gedämpft! Damit erzielt man hier bereits die 7fache Bandbreite! Zum Schluss muss beachtet werden, dass die passiven Tiefpässe nur sehr schwach belastet werden können. Hier ist fast immer ein Operationsverstärker als Spannungsfolger nötig, falls der Eingangswiderstand der nachfolgenden Schaltung in der Größenordnung der beiden Widerstände des Filters ist. Der kann auch genutzt werden, um das gefilterte Signal weiter zu verstärken (nichtinvertierender Verstärker).

[[bild:pwm_filter_2.png]]

Geschickter wäre hier eine Widerstandsdimensionierung, bei der R3 etwas größer ist als R2, da somit das zweite RC-Glied das erste weniger belastet.

Mehr Informationen zur Restwelligkeit bei RC Tiefpässen kann man [http://www.mikrocontroller.net/topic/181033#1747063 diesem] Thread entnehmen.

Das Spiel kann noch um einiges gesteigert werden, wenn man Tiefpässe dritter, vierter und noch höherer Ordung einsetzt. Das wird vor allem im Audiobereich gemacht. Dazu werden praktisch Operationsverstärker eingesetzt. In der [[AVR]] Application-Note [http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1456.pdf AVR335: Digital Sound Recorder with AVR and DataFlash] wird zum Beispiel ein mit Operationsverstärkern aufgebauter Chebychev-Tiefpass fünfter Ordnung verwendet. Man findet im Audiobereich gelegentlich auch Schaltungen ohne expliziten Tiefpass. Dabei wird der Ausgang eines Class-D Verstärkers (der nichts anderes als ein PWM-Signal erzeugt) über einen Widerstand auf einen Lautsprecher gegeben. Die mechanische Trägheit und die Induktivität der Lautsprecherspule bilden mit dem Widerstand einen Tiefpass.

==== Vollintegrierte Lösungen ====

Wer all den Aufwand nicht betreiben will kauft einen fix und fertigen IC wie z.B.

*[http://www.linear.com/product/LTC2644 LTC2644] von Linear Technology
*[http://www.linear.com/product/LTC2645 LTC2645] von Linear Technology

== Anwendungen (Leistung) ==
Bei geeigneten Verstärkerstufen können PWM-Signale auch direkt zur Versorgung und Steuerung von Verbrauchern genutzt werden:

=== Schaltnetzteil (Generator)===
PWM-Stufen sind ein integraler Bestandteil praktisch aller heute verfügbarer Schaltnetzteile. Nur durch die digitale, pulsartige Entnahme der Ladung aus dem Versorgungsnetz lassen sich mittlere und höhere Leistungen noch effektiv und verlustarm beziehen. Die PWM wird dabei von einer Steuereinheit getrieben, welche die aktuelle Versorgungspannung in Betracht zieht, bzw. auch den Strombedarf des angeschlossenen Verbrauchers berücksichtigt. Damit lassen sich sowohl einfach passive und aktive Phasenanschnittversorgungen realisieren, aber auch voll geregelte Leistungsnetzteile mit sehr geringen effektiven Innenwiderständen aufbauen.

=== Heizung (ohmscher Verbraucher)===
Eine Heizung (Beispiel) mit 10Ω-Widerstand soll mit bis zu 12 V angesteuert werden. Dazu wird ein 13 V-Netzteil sowie ein linearer Verstärker verwendet (ein linearer Verstärker braucht immer eine etwas höhere Betriebsspannung als die maximale Ausgangsspannung).

Sollen nun 12 V auf die Heizung gegeben werden, fällt (fast) die gesamte Spannung über der Heizung selber ab, der Verstärker "verbraucht" nur 1 V. Es fließen ca. 1,2 A, es werden ca. 14,4 W in der Heizung in Wärme umgesetzt, im Verstärker ca. 1,2 W, der Wirkungsgrad beträgt 92%.

Wenn jetzt aber nur noch 6 V an der Heizung anliegen sollen, muss der lineare Verstärker die "übrigen" 7 V verbrauchen, d.h. von den 13 V, welche konstant vom Netzteil geliefert werden, fallen 7 V über dem Verstärker und 6 V über der Heizung ab. Die Transistoren des linearen Verstärkers sind nur halb durchgesteuert. Es fließt ein Strom von ca. 600 mA, in der Heizung werden ca. 3,6 W in Wärme umgesetzt. Allerdings werden auch 4,2 W im Verstärker in Wärme umgesetzt! Der Wirkungsgrad ist nur noch 46%!

Im Gegensatz dazu sind bei einer PWM die Transistoren des digitalen Verstärkers immer nur entweder voll durchgesteuert oder gar nicht durchgesteuert. Im ersteren Fall fällt nur eine geringe Verlustleistung über dem Transistor ab, da die Sättigungsspannung <math>V_{SAT}</math> sehr gering ist (meist weniger als 1 V). Im zweiten Fall fällt gar keine Verlustleistung über dem Transistor ab, da kein Strom fließt (P=U*I). Im Fall der 6 V an der Heizung beträgt das notwendige Tastverhältnis 0,23. D.h. nur während 23% der PWM-Periode wird Verlustleistung im digitalen Verstärker erzeugt und zwar ca.

:<math>P_V=DC \cdot \frac {V_{CC}}{R} \cdot V_{SAT} = 0{,}23 \cdot \frac {12V}{10\Omega} \cdot 1V = 0{,}28 W</math>

Der Wirkungsgrad liegt bei 92%!

=== Lautsprecher (induktiv) ===
In jüngster Zeit werden immer häufiger Lautsprechersysteme direkt aus digitalen Leistungsverstärkern betrieben. Dabei wird die Induktivität des Verbrauchers, die im Wesentlichen die Impedanz bestimmt, in Verbindung mit den kleinen ohmschen Widerständen des Ausgangstreibers, der Leitungen und des Lautsprechers als Tiefpass verwendet. Bei PWM-Signalen müssen hierbei jedoch sehr hohe Frequenzen gewählt werden, um Audiosignale in akzeptabler Qualität zu repräsentieren. Auch muss das Signal entsprechend nichtlinear vorverzerrt werden, um zu einem letzlich linearen Verhalten des Verbrauchers zu führen. Siehe 1-Bit-Audio. Für einfache Applikationen und geringen Leistungen ist dies aber eine sehr interessante Option. Für professionelle Audioanwendungen greift man bei digitalen Verstärkern jedoch auf andere Modulationsverfahren wie COM oder PDM zurück.

=== Motorsteuerung (ohmsch-Induktiv) ===
Eine der wichtigsten Anwendungen für PWM-Stufen ist die direkte Ansteuerung von Motoren. Der große Vorteil von PWM ist auch hier wieder der hohe Wirkungsgrad. Würde man stattdessen einen Digital-Analog-Wandler mit einem nachgeschalteten analogen Verstärker zur Ansteuerung verwenden, würde im Verstärker eine höhere Verlustleistung in Wärme umgewandelt werden. Ein digitaler Verstärker mit PWM hat dagegen geringere Verluste. Die Nachteile der Oberwellen im Signal spielen bei der Motorentechnik in der Regel keine Rolle, da hier noch mechanische Trägheiten zur effektiven Glättung beitragen. Die verwendete Frequenz liegt meist im Bereich von einigen 10kHz. Zur Berechnung der Drehzahl eines Motors kann im Normalfall der Mittelwert der PWM-Spannung als Betriebsspannung angenommen werden.

Bei Leistungsanwendungen spielen die Transienten der ansteuernden Rechteckimpulse jedoch dahingehend eine Rolle, dass sie die Verluste der Schaltelemente (MOSFETs) in die Höhe treiben und die ungefilterten Anteile in den Motoren zu Schwingungen führen, weil Resonanzen angeregt werden können.

=== Dimmen von Leuchtmitteln (ohmsch - kapazitiv) ===
Eine spezielle Form der PWM-Anwendung ist die Helligkeitssteuerung. Bei kapazitiven Verbauchern wie Leuchtstoffröhren müssen besondere Randbedingungen beachtet werden, um ein Dimmen zu erzielen. So sind besondere Frequenzen und Anlaufphasen zu applizieren. Mache Verbaucher lassen sich trotzdem überhaupt nicht dimmen. Bei überwiegend ohmschen Verbrauchen wie z.B. Glühbirnen oder Halbleiter-Leuchtdioden, sind die PWM-Signale aber ohne große Regelung anwendbar.

Siehe Artikel:
* [[LED-Fading]] - LED dimmen mit PWM

== Oft gestellte Fragen (FAQ) ==

=== Mit welcher Frequenz dimmt man? ===

Eine gegebene Antwort dazu war: Bei Glühlampen kannst Du alles über 20Hz nehmen. Die sind derart träge... Über 9kHz sollte man wegen [[EMV]] nicht gehen. Für [[LED]]s ist alles über 1kHz und unter 9kHz gut. (Autor: Travel Rec. (travelrec), Datum: 27.12.2008 11:32)

Dazu ist jedoch zu sagen, daß PWM-Steuerungen bei Glühlampen meisten verwendet werden, um die 50Hz-Thematik zu umgehen. Dabei ist das Brummen relevant und auch ein Blinken bei sehr geringen Frequenzen. Typischerweise wird man daher eher 200Hz aufwärts verwenden. Umgekehrt sind Stromkabel nicht geschirmt und besitzen eine gewisse Kapazität, was Frequenzen im kHz-Bereich nicht sinnvoll erscheinen läßt. Auch LEDs wirken bei hohen Frequenzen kapazitiv, was zu einer unnötigen Strombelastung führt. Ist die LED für Belichtungsaufgaben relevant ist die Dimmungsfrequenz genügend hoch zu wählen, um gegenüber kurzen Belichtungen irrelvant zu sein. Dies ist in der Regel ab 10kHz der Fall. Um bei hohen Strömen einen unnötigen Stossstrom zu vermeiden und damit die LEDs besser ausnutzen zu können - kann eine Drossel mit geringer Induktivität sinnvoll sein, die die Anstiege begrenzt.

=== Wie schätze ich die Verlustleistung am MOSFET im PWM Betrieb ab? ===

[http://www.mikrocontroller.net/topic/190878#1862634 Beitrag von Falk]:

Vereinfacht kann man sagen, dass während der Umschaltzeit die Verlustleistung am MOSFET = 1/4 der Verlustleistung am Verbraucher ist, wenn der eingeschaltet ist (Leistungsanpassung).

Beispiel: 150 Hz PWM = 6,6ms, Schaltzeit 500ns, Verbraucher 60W. Macht 15W Verlust während der zwei Umschaltungen pro Takt, sprich 2x500ns = 1µs. Aber das nur alle 6,6ms, Im Mittel macht das 1us/6,6ms*15W = 2,2mW. Glück gehabt ;-) Bei hohen PWM-Frequenzen im Bereich 20-500kHz, wie sie heute bei Schaltnetzteilen üblich sind, kommt da aber schon richtig viel zusammen.

Etwas genauer: [https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#Schalt-Verluste Schaltverluste beim FET]

== Siehe auch ==
* [[Pulsdichtemodulation]]
* [[AVR-Tutorial: PWM]]
* [[AVR-GCC-Tutorial#PWM (Pulsweitenmodulation)|AVR-GCC-Tutorial: PWM]]
* [[Soft-PWM]]
* [[Motoransteuerung mit PWM]]
* [[LED-Fading]]
* [[AVR PWM]]
* [[Ambilight in Hardware]]
* [[Glättungsfilter für 1-Bit DA-Wandlung|1-Bit Digital-Analog-Wandlung]]
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/361429#4054456 Forumsbeitrag]: Audioausgabe mit PWM
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/397337?goto=4590784#4575721 Forumsbeitrag]: H-Bridge 50Hz Sinus - LC Filter dimensionieren
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/385654#4410160 Forumsbeitrag]: Arduino Mega 11 PWM-Pins mit 1kHz
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/453218#5454730 Forumsbeitrag]: Sprung in der PWM-Kennlinie beim ATtiny85 und Timer 1
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/455707?goto=5494022#5494022 Forumsbeitrag]: PWM Filter für 480 Hz aus dem Arduino
[[Kategorie:Signalverarbeitung]]
[[Kategorie:Leistungselektronik]]

== Weblinks ==
*[https://www.ramser-elektro.at/pwm-regelung-von-ventilatoren-oder-motoren/ Projekt: PWM Regelung von Ventilatoren oder Motoren]

*[http://www.solar-webshop.de/blog/pwm-puls-weiten-modulation-solar/ Was bedeutet PWM?]

*[http://pic-projekte.de/wiki/index.php?title=PIC_Tutorial#Pulsweitenmodulation_.28PWM.29 PWM Modul am PIC]

*[http://www.batsocks.co.uk/readme/art_bcm_1.htm Binary Code Modulation] - Eine Alternative zu PWM?

*[https://www.youtube.com/watch?v=98si4uLcCpc Was ist PWM ? Mit Review] (Video, deutsch)

Pulsweitenmodulation

2019-08-02T20:19:05Z

Dcf77: /* Weblinks */