Hobby-Elektronik: Einfache Konstantstrom-Quellen

Sinn und Zweck
Elektronische Schaltungen benötigen im allgemeinen eine konstante Betriebsspannung, die z.B. von einem geeigneten Netzgerät oder einer Batterie geliefert wird. Die Schaltung "holt sich" dann den Strom, den sie zum Betrieb benötigt, d.h. die Stromaufnahme wird von der Schaltung selbst bestimmt.
Der umgekehrte Fall liegt vor, wenn Schaltungen, Bauteile oder Verbraucher mit konstantem Strom, d.h. an einer Konstantstromquelle betrieben werden (einfache Beispiele hierfür: die Aufladung eines Akkus, eines Kondensators (siehe die Seiten "Sägezahngeneratoren") oder der Betrieb einer LED). Die Konstantstromquelle liefert einen konstanten Strom, der Verbraucher "holt sich" die Spannung, die er benötigt, d.h. die von der Konstantstromquelle zu liefernde Spannung wird vom Verbraucher bestimmt.
(Hinweis:Für Experimentierzwecke ist eine Labornetzgerät empfehlenswert, in dem eine einstellbare Spannungsquelle mit einer einstellbaren Stromquelle kombiniert ist. Beim Austesten einer neuentwickelten Schaltung stellt man die erforderliche Betriebsspannung ein und gibt außerdem einen zunächst geringen Strom vor, den man langsam erhöht, bis der Bedarf der Schaltung gedeckt ist. Im Falle eines Kuzschlusses oder anderer Schaltungsfehler läßt sich so das "Abrauchen" der Schaltung verhindern.


Bild 1: Einfache Konstantstromquelle mit Transistor und zwei Dioden.
An den beiden Dioden D1, D2 und an der Basis-Emitterstrecke des Transistors, die ja ebenfalls eine Diode ist, fallen weitgehend belastungsunabhängig je ca. 0,6 bis 0,7 Volt ab, demzufolge muß der Strom durch den Emitterwiderstand Re so groß sein, daß an Re ebenfalls 0,6 bis 0,7 Volt abfallen. Dieser konstante Strom durch Re (vermindert um den vernachlässigbar kleinen Basis-Emitterstrom) durchfließt auch den Verbraucher (in den folgenden Schaltungen allgemein als Lastwiderstand RL (z.B. Akku, Kondensator, LED etc.) bezeichnet) und ändert sich nicht, wenn die Betriebsspannung (+ 12 V) erhöht oder erniedrigt wird. Natürlich muß diese mindestens so groß sein, daß sie der Summe des Spannungsabfalls an RL und Re entspricht; ist sie größer, wird die "überschüssige" Spannung von der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors aufgenommen. Der Transistor ist ggf. mit einer Kühlfahne zu versehen.
Der Konstantstrom wird also durch die Größe von Re bestimmt und beträgt ca. Iconst in Ampere = 0,6 Volt/Re in Ohm.
Die beiden Dioden können auch durch eine Zenerdiode mit der Zenerspannung ZF ersetzt werden. Dann gilt entsprechend Iconst. in A = (ZF - 0,6V)/Re in Ohm.

Bild 1a, 1b: In Bild 1a ist nochmals schematisch die Schaltung von Bild 1 in komplementärer Anordnung (mit einem PNP- anstelle eines NPN-Transistors) gezeigt mit dem Vorteil, daß der Verbraucher RL (hier eine LED) an GND liegt. Die beiden Dioden D1, D2 von Bild 1 sind in Bild 1a außerdem durch eine Zenerdiode ersetzt. Da die Basisspannung durch die Zenerdiode festgelegt ist, kann der Konstantstrom durch die LED nur durch einen veränderlichen Emitterwiderstand Re variiert werden. Soll der Emitterwiderstand unveränderlich bleiben, kann die Einstellung des gewünschten Konstantstromes, wie in Bild 1b gezeigt, durch Ändern der Basisspannung mittels eines veränderlichen Basisspannungsteilers vorgenommen werden.
Bild 1 c: Hier wird ein N-FET als einfache Zweipol-Konstantstromquelle verwendet. Wegen des im Arbeitsbereich weitgehend horizontalen Verlaufs der Kennlinie Drainstrom = f (Drain-Source-Spannung) bei fester Gate-Sourcespannung ändert sich der Strom durch den FET und damit durch den Verbraucher bei veränderlicher Betriebsspannung +Ub nicht. Der gewünschte Konstantstrom wird durch den veränderbaren Sourcewiderstand (hier 1kOhm) eingestellt.

 

Bild 2: Einfache Konstantstromquelle mit zwei Transistoren.
Diese Schaltungen sind für kleinere Ströme etwa 10 bis 100 Milliampere geeignet. Die Transistoren sind ggf. zu kühlen.

Bild 2a: Fällt an R ca. 0,6 Volt ab, so öffnet der untere Transistor und sperrt den oberen mehr oder weniger und begrenzt so den Strom durch RL auf ca. Iconst in A = 0,6 V/R in Ohm. (Zu dieser Schaltung siehe auch "Grundschaltungen mit LEDs", Bild 2a und 2c.). Der Kondensator 470 Picofarad dient zur Schwingneigungsunterdrückung und kann evtl. entfallen.
Bild 2b: Verbesserte Version mit Zenerdiode (Zenerspg. ZF)
Es gilt Iconst in A = (ZF + 0,6 V)/R in Ohm.
Bild 2c: Interessante symmetrische Variante zu Bild 2a mit PNP- und NPN-Transistor (nach Zeitschrift FUNKSCHAU). R2 ist auf den Wert von R1 abzugleichen.
Es gilt ca. Iconst. in A = 2 x 0,6 V/R1.
Das Schaltbeispiel ist für ca. 18 Milliampere dimensioniert.

Bild 3: Konstantstromquelle mit Opamp 741
Bauteilliste: R1=10k, R2=5k, R3=1,2k, R4=10k, R5=100k, R6=180k, R7=470, R8=5,6k, C1=10u,
T1=BC548C, T2=BD436 o.ähnl., Zenerdiode 2,7 Volt, + Ub = 12 ...20 Volt.

R2 ist zunächst so einzustellen, daß am nichtinvertierenden Eingang 3 des 741 ca. 5 Volt anliegen.
Die Schaltung stellt einen Regelkreis dar, bei dem die an R abfallende Ist-Spannung auf den invertierenden Eingang 2 des 741 gegeben wird und mit dem Sollwert am nichtinvertierenden Eingang 3 verglichen wird.
Der durch den Lastwiderstand fließende Strom wird bestimmt durch den Widerstand R. R liegt in der Größenordnung von 1k bis 10 Ohm für Ströme von 5 bis 500 Milliampere. Ein Feinabgleich ist mit R2 möglich.

Um mehrere Konstantstromwerte wählen zu können, können für R mehrere Widerstände mit einem Umschalter vorgesehen werden.Der Nachteil der Schaltung in der gezeigten Form mit nur einer Betriebsspannung liegt darin, daß der 741 für einwandfreie Funktion mindestens ein Potential von 3 bis 5 V am nichtinvertierenden Eingang 3 benötigt. Dementsprechend hoch ist auch der Spannungsabfall an R und dessen erforderliche Belastbarkeit. Eine Verbesserung bringt die Einführung einer zusätzlichen negativen Betriebsspannung - Ub (wie i.a. für Opamps üblich). R3 und Pin 4 des 741 sind statt an GND an -Ub zu legen, sodaß Pin 3 näher an GND-Potential gebracht werden kann.


(ohne Bild): Konstantstromquelle mit Festspannungsreglern 78xx und einstellbarem Spannungsregler LM 317.
Diese Regler eignen sich nicht nur zur Gleichspannungsstabilisierung sondern auch zur Realisierung von Konstantstromquellen. Die entsprechende Schaltung ist bereits unter "Grundschaltungen mit Festspannungsreglern" gezeigt (siehe dort unter Konstantstromquelle)


Bild 4:
Konstantstromquelle mit Spannungsregler CA 3085
Bauteilliste: Rg=6,8Ohm, C1=1n, T1=BD435 o. ähnl., + Ub = 10 ... 30 Volt
Die Bezeichnung der IC-Anschlüsse bezieht sich auf das 8-polige runde Metallgehäuse, sie zählen von unten gesehen im Uhrzeigersinn mit dem Pin nach der Gehäuselasche beginnend (An der Lasche liegt Pin 8).

Der gute alte Spannungsregler CA 3085 von RCA dürfte noch in mancher Bastelkiste zu finden sein, daher hier diese Schaltung. Der Konstantstrom durch den Lastwiderstand RL wird bestimmt durch den Widerstand R und zwar gilt:
Iconst in A = 1,6V/R in Ohm. Die Schaltung eignet sich für Ströme bis ca. 2 Ampere.

(Überarbeitet 4.8.2004)