Simulieren als Zeitvertreib
Dank der deutschen Bahn hat man ja immer recht viel Zeit wenn man unterwegs ist. Heute verging die Zeit sehr schnell. Dies liegt aber an EveryCircuit. Dieses mal habe ich eine spannungsgesteuerte Stromquelle ausprobiert, welche ich schon lange mal simulieren wollte.
Anmerkung (18.02.2020):
Auch der UI-Konverter von Elektroniktutor ist interessant. Hier treibt der OPV den gesamten Strom und kein Transistor als Leistungsbauteil.
Anmerkung (10.10.2021):
Die spannungsgesteuerte Stromquelle wie sie hier vorgestellt wird, kann ich mittlerweile nicht mehr ganz nachvollziehen und möchte auf die Application Note 968 (lokale Kopie) von Analog Devices verweisen. Besonders die "High Current" Variante kann ich empfehlen.
Die Dimensionierung der Widerstände usw. muss natürlich an die eigene Schaltung angepasst werden, aber bezüglich der Leistungsfähigkeit ist letzlich nur der MOSFET entscheidend.
Im folgenden Bild ist auch noch ein Beispiel für eine Konstantstromsenke mit fest definiertem Strom durch den Spannungsteiler am nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers.
Ob Stromquelle oder Stromsenke kann in der Application Note SBOA046 (lokale Kopie) von Texas Instruments unter anderem nachgelesen werden.
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Grundprinzip
Basierend auf einer vor Ewigkeiten ergoogelten Schaltung habe ich meine spannungsgesteuerte Stromquelle aufgebaut. Als Quelle kann ich angeben ein Skriptteil der Hochschule Darmstadt, siehe Skriptteil Seite 8 (leider toter Link). Prinzipiell sieht es einem Differenzverstärker ähnlich.
Bei der Stromquelle ist der R9 der "Messfühler" welcher die Spannung nach dem Einstellwiderstand misst. Und R4 wird auf Masse gezogen. Was ich noch weis von der ergoogelten Schaltung das die Widerstände am OPV viel größer als der Einstellwiderstand sein sollen. D.h. R4, R8, R9, R10 >> Reinstell.
Ab hier erkläre ich die Funktion nach eigener Überlegung und garantiere nicht dafür das es richtig ist. Der Operationsverstärker versucht im Prinzip immer beide Eingänge auf gleichem Potential zu halten. Auch etwas anders bekannt als "Prinzip der virtuellen Masse". Wenn man sich die Schaltung genau anschaut sieht man hier eigentlich zwei Spannungsteiler mit V/2, so das an den Eingängen des OPV halbe Eingangsspannung anliegt.
Betrachtet man nun die linke 5 V Spannungsquelle (Uein) sieht der daran angeschlossene Spannungsteiler die Spannung am Emitter (211 mV) als Masse und am nicht-invertierendem Eingang des OPV liegen 2,61 V an. Damit am invertierenden Eingang auch 2,61 V anliegen muss der Ausgang des OPV 5,21 V liefern, da dessen Massebezug auf Masse (0 V) liegt. Dieser Zustand pendelt sich von selbst ein. Natürlich abhängig von den verfügbaren Betriebsspannungen und dem Einstellwiderstand.
Mit dem Einstellwiderstand wird dann der Strom in Bezug auf die Eingangsspannung festgelegt.
R = U / I -> Iout = Uein / Reinstell
Natürlich begrenzt dadurch was der OPV leisten kann.
Iout abhängig wie man Reinstell betrachtet. Bzw. in dieser Schaltung muss man von Uein, Ube abziehen und damit den Strom Ib berechnen.
Iout = 5V / Reinstell -> Reinstell = 20kOhm + ( Ube / Ib )
In diesem Fall ist Ib = Iout so das sich ergibt:
Ib = ( Uein - Ube ) / Reinstell [neuer Einstellwiderstand]
Näherungsweise kann man Ube mit 0,7 V annehmen. Der eigentliche Interessante Strom ist aber Ic, welcher kollektorseitig in den Transistor fließt. Dieser ist von der Vorwärtsverstärkung des Transistors abhängig. Diese findet sich im Datenblatt des Transistors als B, Bf oder hFE.
Mit der Formel: B = Ic / Ib kann man den Ausgangsstrom dann auch direkt berechnen.
Somit nutzt man den Transistor als Stromverstärker und kann mit folgender Formel den spannungsgesteuerten Strom berechnen.
Ic = [ ( Uein - Ube ) / Reinstell ] * B
In der Simulation ist B = 100 und damit fließt durch den Transistor ein Strom von Ic = 20 mA.
Wie vielleicht schon bemerkt ist dies gar keine Stromquelle mehr. Bzw. es hängt von der Betrachtungsweise ab. Durch die Erweiterung mit dem Transistor ist der Emitter die Stromquelle für den 10 Ohm Widerstand. Für die 9 Volt Spannungsquelle ist es aber eine Stromsenke.
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Simulationsbeweis der Funktion
Hier zum dritten mal das Bild der Schaltung:
Man beachte die rot markierten Spannungen und Strom. Die linke Spannungsquelle Uein = 5V
Im nächsten Bild ist Uein = 3V. Da Uein den Strom einstellt ist dieser gesunken. Die Betriebsspannung von 9 Volt ist unverändert.
Die Schaltung wurde wieder auf die Orginalwerte zurückgesetzt. D.h. Uein = 5V
Nun wurde die Betriebsspannung auf 6 Volt gesenkt. Die Stromquelle stellt sicher das durch den 10 Ohm Widerstand weiterhin die 21,1 mA fließen.
Diese Simulation sollte Beispielhaft zeigen das die spannungsgesteuerte Stromquelle funktioniert, theoretisch zumindest.
Genau diese Schaltung hätten wir früher für unser Transistormessgerät brauchen können. Hätte uns Software-/Regelaufwand gespart. Hoffe jemand der eine spannungsgesteuerte Stromquelle sucht hilft dies weiter.
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